扩大空气源热泵冷热水机组应用范围的可行性分析讲解

1、暖通空调HV&AC 2006年第36卷第1期设备开发? 55?扩大空气源热泵冷热水机组应用范围的可行性分析浙江大学陈斌 陈光明宣永梅摘要 提出了一种复叠热泵机组，以解决常规空气源热泵冷热水机组在寒冷地区冬 季使用压缩比高、效率低等问题。计算结果表明，该机组能在我国北方大部分地区冬季 较低的室外环境温度下节能运行。关键词空气源热泵冷热水机组复叠压缩比可行性Feasibilityofexpa ndin gapplicati onran geof airsourceheatpumpwaterchiller2heateru nits ByChe nBin ,Che nGua ngmi ngan dXu

2、a nYon gmei AbstractPutsforwardacascadeheatpump un ittosolvesomeapplicatio nproblemsofco nven tio nal un itsi n wi nteri ncoldregio ns,suchashighcompressio nratioa ndlowheati ngefficie ncy.Calculatio nr esultsshowthattheu ni tca noperatewithhighere nergyefficie ncyi nwin teri nm ostcoldregio nso fno

3、rthChi na.Keywordsairsourceheatpump,waterchiller2heateru nit,cascade,compressio nratio,feasibilityZheji angUni versity,Ha ngzhou,Chi na0引言1）压缩机输气系数降低、吸气比体积变大、制 热泵具有不污染环境、可利用低温热能等优点。在当前能源短缺及能源价格上涨 的情况下，热泵产品在国内外的应用越来越普遍。其中空气源热泵冷热水机组更是 发展迅速,在我国，1996年比1995年增长近两倍1,1999年比1998年增长近两 冷系统的质量流量变小、供热量明显减少、等熵系数大

4、幅降低、制冷/供热系数下降。尤其是活塞式压缩机，当压缩比达到20时输气系数接近于0,压缩机已吸不进 气体。2）压缩机排气温度很高，润滑条件变坏，甚至引起润滑油、制冷剂分解，油温升高产 生的油蒸气还会污染换热器的传热面，使其传热性能变差。3）节流损失增加，单位质量制冷量或单位容积制冷量大为降低。压缩比过大使得空气源热泵冷热水机组在北方最寒冷的时候无法正常运行，阻碍了热泵产品在陈斌，男,1967年7月生，博士研究生，博士后 528303广东佛山市顺德区容桂桥东路2号广东科龙电器股份倍2。除主要在我国的长江流域、黄河流域大量应用外，由于东北、华北、西北 等地区冬季室外空气湿度低，空气源热泵机组在这些

5、地区应用时结霜问题并不像在 长沙等地区应用时那么严重，因此其应用有北扩的趋势3。然而，由于上述寒冷地 区冬季很长时间内环境温度都很低，在使用空气源热泵冷热水机组供暖时会出现压 缩比过高的问题，文献4给出了空气源热泵冷热水机组在北方寒冷地区主要城市 运行，在供暖室外计算温度下为集中空调系统提供50C热水时机组的压缩比，发现在西安、济南以北的城市运行压缩比都大于8,哈尔滨甚至已超过20。压缩比过高会产生以下后果5: 有限公司博士后工作站(0757)23698645E2mail:cbsxah|攵稿日期:20030328一次修回:20030901 二次修回:20051207? 1995-2006 Ts

6、inghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2006年第36卷第1期? 56?设备开发暖通空调HV&AC北方地区的推广，即使有应用在供暖季节使用率也较低。为此文献 4提出的解决 方法是当冬季室外环境温度很低时，使用空气源热泵冷热水机组为集中空调提供 1020C的低温水, 这样空气源热泵冷热水机组可以与水空气热泵组成双级热泵系统 ，或为分散的或集 中式的户式水水热泵提供低位热源。但是这些改造方法要求将两种型式的热泵进行组合，否则不能实现。这对于热泵用 户有些勉为其难，因为这样改造既要增加设备及附属装置的投资，又要增加运行

7、、 管理工作量和复杂性。由于用户一般不愿新增热泵，因此实际上在时间较长的冬季 低环境温度条件下热泵就停机闲置，利用率不高，而只能采用锅炉或电加热等其他 供暖方式;另一方面也影响了热泵在广大北方地区的应用推广 ，不能充分发挥其节 电、节能、利于环保的优势。1复叠热泵及其可行性分析叠，以复叠热泵型式运行。将两个空气换热器皆作为低压级的蒸发器，将两个水换 热器皆当作高压级的冷凝器,就可以形成在低温下能提供4045C供暖水甚至5060C生活热水的 热泵，该热泵比普通的空气源热泵能运行在更低的室外环境温度下，且不需与其他型式的热泵组合。该热泵的改造要点在于增加了一个冷凝蒸发器和数只电磁阀，其流程示意图见

8、图1O为解决空气源热泵在北方地区应用冬季压缩比过高的问题 ，笔者提出了对常规空气 源热泵冷热水机组结构进行改动，使其成为复叠热泵的思路，下面介绍具体做法，并 分析其可行性。一般地，降低压缩机压缩比可以通过采用多级压缩和复叠的型式得以实现。虽然复 叠循环系统中冷凝蒸发器存在着传热温差引起的不可逆损失，循环经济性有所降低 另外其温度调节范围也偏小，但是其系统中各压缩机工作压力比较适中，压缩比相 近，低温级压缩机输气量减少、两级输气量增大，输气系数及指示效率均得以提高， 尤其是摩擦功率大为减小，实际制冷系数比相同工况下的两级循环要大。温度调节 范围宽时，一般采用两级压缩。由于我国大部分地区室外环境温

9、度相对于低温制冷 所涉及的蒸发器侧热源温度来说不是太高，下限不是太低，故这里选择复叠型式。 用于复叠改造较理想的空气源热泵冷热水机组是双压缩机热泵或模块化机组。多 台安装位置较近的单机头压缩机热泵也能进行两两复叠组合，只不过这时管路布置 不太方便。本文以双机头的空气源热泵冷热水机组为研究对象。热泵机组在夏季制冷工况下和冬季室外环境温度较高时分别以正常制冷和供暖方 式运行，当室外温度变低，导致压缩比增大到一定值时，热泵供暖效率降低，这时改变 系统流程，使压缩机两两复1压缩机 2换向阀3水4节流阀5空气工质换热器6板式冷凝蒸发器7电磁阀图1复叠热泵系统流程示意图在正常制冷工况和室外环境温度较高时的

10、供热工况下，系统工质分别按照正常制 冷、供热流程循环。供热流程为：压缩机一换向阀一水工质换热器一节流阀一空气工质换热器一换向阀一压缩机，电磁阀7b,7d,7i,7k打开,7a,7e,7h,7l,7g,7j,7c,7f关 闭。当室外环境温度低于某一温度时，系统按照复叠方式运行,这时电磁阀7b,7d,7i,7k关闭，其他打开,即两个冷凝器合并成 高压侧冷凝器，两个空气工质蒸发器合并组成低压侧蒸发器。当然也可以仅采用其 中的一个蒸发器或冷凝器在复叠型式下运行。合并运行有以下好处：1）蒸发器面积大，可减轻结霜程度、减少除霜次数；2）减小两器流动阻力和传热温差，改善换热效果，热量能充分利用。采用复叠方式

11、，增加了一个冷凝蒸发器，必然有传热损失，为减少该损失，可使用板式 换热器。与常规的复叠机组相比，本文提出的复叠热泵有以下不同的特点：1）高低压侧采用的皆是R22工质，变化循环流程时不需更换工质，也不需更换润滑油；2）不需增加低温级膨胀容器。应注意的是在蒸发温度和冷凝温度确定的情? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.暖通空调HV&AC2006年第36卷第1期设备开发况下冷凝蒸发器中间温度的确定不再遵从两级压缩机压缩比相等这一原则，两侧压缩比由冷凝蒸发器换热量大小决定。为了了解结构改造后热泵

12、的有关性能，笔者针对一单级活塞压缩机、理论输气量为 0.01m3/s的双机头空气源热泵冷热水机组编制了计算程序并计算了改造前后的有 关性能参数。程序中R22物性计算使用REFPROP程序,并采取了以下处理方法 78:1）计算时先不考虑单级压缩时压缩比过大、润滑油温度过高所带来的停机保护及 其他问题,认为即使在很低的室外环境温度下，单级热泵也能正常工作。2）计算压缩机实际流量时，通过查实际滚动转子压缩机的输气系数曲线拟合出系数 a1,a2以获得有较好回归精度的输气系数关联式：? 57?换热器特性有关，取比高压级蒸发温度高1.5C。6）对双机头单级热泵，总功率、总制冷量、总制热量为两台之和，制热性

13、能系数为单 台机制热量与功率之比；成为复叠热泵时，总功率为高低压级功率之和，总制冷量为 低压级蒸发器吸热量，总制热量为高压级冷凝器制热量，制热性能系数为总制热量 与总功率之比。2计算结果讨论计算时发现，由于温度越低吸气比体积越大，造成使用同种工质复叠时尽管各级压 缩比都变小了，但两者相差较大。这对实际复叠机效率的提高不利。考虑到选择两 输气量大小不同的压缩机组成双机头压缩机组有可能解决上述问题，故又计算了双机头空气源热泵冷热水机组单机输气量不同时（理论输气量分别为0.012m3/s,0.008m3/s即两机输气量之比为1.5 ： 1,总输气量仍为0.02m3/s）的各种 性能参数，并将单级机组

14、、理论输气量相同机组（以下简称A型复叠）、理论输气量 不同机组（以下简称B型复叠）计算结果进行比较，见图27。将输气量不同的单机 进行组合并不困难，蒸发温樂/匸单级输气苗相 输气埼ftl +输气横不 +输气埴不同技程低压级 同复叠高压级 创酋低儿级 司复咎高爪级但复叠时应将大的压缩机热泵当作复叠低压级，小压缩机当作高压级入=a1+a2Psk入为输气系数;p为压力;k为多变指数;下式中标s和d分别表示吸气和排气状态。3）采用与式（1）形式相同的关联式拟合出压缩机电效率、指示效率关联式。电效率 用来计算实际输入功率，并用之计算热泵实际运行时的COP,而压缩机出口工质温 度、比焓则由指示效率求得。考

15、虑到实际的空气源热泵冷热水机组一般皆安装在 室外,压缩机散热量较大，故实际输入功率所产生的工质比焓热中有一部分会散发 掉，且环境温度越低散热越多，故所得排气温度不会比实际结果低太多。4）中间换热器两侧负荷分别是低压侧的全部冷凝热和高压侧的全部蒸发热 ，两者应 相等,考虑到复叠时压缩比较低，主要为两相换热，且皆为R22纯工质，故换热器不同 截面的换热温差比较恒定,且因采用板式换热器，换热温差小于其他型式9换热器的换热温差,可取为3C。5）取单级和复叠低压级蒸发器出口过热度比饱和温度高5C ,吸气过热度取室外环境温度（对），高压级过热度空气热源，取比蒸发温度高13C比蒸发冷凝器出口高5C （即比饱

16、和温度高10）;取冷凝器出水温度为50C ;因冷凝 器为水冷C式，取冷凝温度比冷凝器出水温度高 7C ;取单级和复叠高压级过冷度为5C ,低压级过冷度与板式图2三种热泵压缩比随蒸发温度的变化由图2、图3可见，单级热泵压缩比比复叠热泵压缩比高得多，在蒸发温度低于-20E左右时，单级热泵压缩比已超过9,而复叠型 式则即使蒸发温度低于-35E压缩比仍然小于8;A型复叠热泵低压侧和高压侧压缩 比并不近似相等，高压侧要高一倍左右，这是由冷凝蒸发器热负荷的匹配决定的，而 B型复叠两级压缩比要相近得多；复叠热泵高压级排气温度基本保持在 110C以下 （B型更? 1995-2006 Tsinghua Tong

17、fang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.RfJ1111匸二*-3f -30 -25 -20 -15 -10 -50o o o oK 6 4 2蒸发温度/r单级输气雄相同芟叠十输气駅不同更叠1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 暖通空调HV&AC 2006年第36卷第1期设备开发行复叠改造是可行的，花不大的投资就能在更低室外环境温度下继续使用热泵供暖以充分利用热泵节能、环保的优点。采用以下措施，对提高复叠热泵性能有利。1）尽可能使冷凝液

18、体过冷，尤其是低压侧的冷凝液体。2）为避免型式转换时制冷剂在两级内分配不合理，复叠时可将两个贮液器分置于 高、低压侧,且在它们之间设可以通断的管路，以进行工质调节。在热泵机组上增 加高压贮液器需要增加数只单向阀以保证贮液器总处于冷凝器之后。3）当蒸发器和冷凝器两两组合时，为达到一定的出口温度，实际运行中有必要调整风 机和水泵流量。4）为了解决低温下R22性能不佳问题，可以结合R22工质替代课题，采用环保混合 工质,在低温环境温度范围下实现一般意义上的复叠，以更大地提高运行效率，扩大 热泵运行温度范围。3结论3.1本文所介绍的复叠双机头空气源热泵冷热水机 组型式尤其是理论输气量不同机组能够在我国

19、北方大部分地区较低室外环境温度 下运行，可以解决空气源热泵冷热水机组在冬季使用时间短、不能充分利用的问题提高了空调设备的利用率和电能的利用效率，克服了没有其他型式热泵来进行组合 就不能使用的缺陷。具有节能和环保意义。 3.2结构改造时只增加了一个冷凝蒸 发器和若干? 59?3.5有必要结合热泵实际结构进行性能模拟，并进行实验研究。参考文献1 李先瑞,郎四维.热泵的现状与展望建筑热能通风空调J.1999,18(3):41442 崔海涛,郑宏飞，王瑞君.我国热泵利用的过去现在和未来J.中国能源,2002(8):38413 连之伟,张欧.风冷热泵机组在西安地区的运行效果测定及分析J.暖通空调，199

20、8,28(6):65674 马最良，杨自强，姚杨，等.空气源热泵冷热水机组在寒冷地区应用的分析J.暖通空调,2001,31(3):2831 陈光明，陈国邦.制冷与低温原理M.北京:机械工业出版社,20006 McL in de nM,Klei nSA,Lemmo nEK,etal.NISTthermod yn amicandtran sportpropertiesofrefrigera ntsa ndrefrigera ntmixtures REFPROPversio n6.01(NISTSta ndardRefere nceDatabase23).Gaithersburg:Natio nail nstituteofSta n dardsa ndTech no logy,19987 丁国良,张春路.制冷空调装置仿真与优化M.北京:科学出版社,20018 吴业正.小型制冷装置设计指导M.北京:机械工业出版社,19989 杨崇麟.板式换热器工程设计手册M.北京:机械工业出版社,1995?简讯？只电磁阀，所增成本不大，本文所计算的