空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性

1、第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 2006能源技术ENERGY TECHNOLO GY2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 20062641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec.

2、 2006建筑节能与空调2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 20062641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 2006空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性蔡龙俊，沈莉丽(同济大学,上海200092)摘

3、要：通过对一台普通的空气源热泵进行热回收改造，利用回收的热量加热生活热水。改造后的机组在实验台上进行了全年运行工况测试，通过对机组改造前后运行工况的分析对比，提出了带热回收装置的热泵是一种节能的空调热水机组，并对机组在冬季的运行过程中可能出现的问题作了说明。关键词：冷凝热回收；空气源热泵；热回收供热量；性能系数COP中图分类号：TU831. 3文献标识码:A文章编号：100527439 ( 2006 ) 0620264 204The Technical Feasibility of Air - Source Heat PumpHeat Recovery Un itCAI Long2jun ,

4、SHEN Li 2li(Tongji University , Shanghai 200092 , China)Abstract : A common air - source heat pump is reconstructed with a heat - recovery device installed into it to heat up living - water with the recovered heat. The performance of the reconstructed heat pump is examined , on a yearly basis , in t

5、he following experiments presented in this paper. This paper also presents the comparison of the performance of the heat pump before and after the reconstruction , comes to the conclusion that the heat pump , equipped with a heat recovery device , is an energy - saving unit capable of both air - con

6、ditioning and living - water heating , and gives an account of the performing problem that may occur in winter.Keywords : condensing - heat recovery ; air - source heat pump ; recovered heat; coefficient of performance2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserv

7、ed. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 20062641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 2006空调热泵在制冷时，冷凝器会向室外环境释放 大量冷凝热，从而给环境造成热污染，并使冷凝器周 围的温度升高、冷凝器自身的散热受阻、冷凝温度升 高,导致制冷机的制冷量下降、压缩机耗功增大、运 行经济性下降1。热泵冷凝热回收技术就是在制冷工况下利用冷 凝器排放的热量直接加热生活热

8、水，这样既可减少热污染，又合理利用了能量，还可提高机组本身的运 行性能2。在制热工况下，降低冷凝温度不利于热 泵运行，但是作为热泵热水机组，热效率将高于电热 水器。本文准备采用实验的方法将带有热回收装置 的空气源热泵在制冷、制热及过渡季工况下的运行 情况分别进行考察和分析34。1冷凝热回收实验的基本方案1. 1热泵空调的改造常见的冷凝热回收技术一般都采用二级冷凝的 方法，即在冷媒管路中，增加一级冷凝器，如图1。热 泵运行时，压缩机排出的高温高压制冷剂气体先经 过板式换热器，将部分热量传给生活热水，然后再进 入冷凝器；这样，制冷剂温度大大降低，冷凝温度也 相应降低，从而提高了机组的运行系数。另外

9、，由于冷凝器的放热量是随空调冷负荷变化的，而空调冷负荷和生活热水负荷变化却不是同步的 ，因此，通常 还需要安装热水贮水装置。为了确定加装热泵热回收机组的节能效果 ，本2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性图I

10、制衿热回收原理文对一台空气源热泵进行了技术改造，被改造的空气源热泵机组的基本情况见表1和表2。在油分离器和四通换向阀之间（即压缩机出口到冷凝器进口 之间）寻找适当位置截断管道，将板式换热器的冷媒 端接入截断的出入口。将室内机与室外机分别安装至两个焓差试验室，通过在焓差室中温度和湿度的 控制，分别模拟室内环境和室外环境。实验中热回收水流量的大小为恒定值250 kg/ h。表1空气源热泵机组铭牌额定输出/ kW额定功率/ W额定电流/ A制冷 制热 制冷 制热 制冷 制热17186530631017. 7617. 74后机组的制冷/热性能系数（C0P7 COPh值）、整机 性能系数（COP值）、热

11、回收效率和热水制热温度 。（2）过渡季工况。采用开启热回收装置的制冷 模式和采用开启热回收装置的供热模式，目的是考察过渡季情况下热回收机组的制冷、供热工况，比较 其经济性能。2实验数据分析2. 1夏季制冷工况实验条件：室内控制干球温度为 27 ±1 C，相 对湿度55 % ±10 %;室外控制干球温度 35 C; 热回收装置开启时，测试过程中热水供应的水流 量保持不变,主要调节热水供应的进水温度。R1 -R5为5个实验点，分别表示进水温度 2 6 C ,30 C , 34 C，40 C和45 C5种变化工况。改造后的机组未开启热回收装置时的标准制冷工况与改造前机组额定制冷工

12、况的对比如图2。口魏足工况实验杯椎制冷 工况48 6 4 O 8 61 s dl i n输入功率W制冷儘8图2 制冷工况下.改造前后机组性能对比丄况干球温度湿球温度干球温度湿球温度标准制冷工况35282715标准供热工况7618过渡季工况20162016表2 空气源热泵标准工况/ C室外机环境室内机环境1.2实验方案为了对热回收装置开启与不开启的耗能进行全面对比，实验采用三个运行工况模式（见图1）:夏季制冷工况开启阀门2和3 ,关闭阀门1 ,4和5;冬季制热工况开启阀门1 ,4和5 ,关闭阀门2和3;过渡季节分别按夏季制冷模式和冬季制热模式 两种情况进行实验。1. 3试验步骤（1）标准制冷/热

13、工况。不开启热回收装置，目 的是考察改造后机组原来的制冷/热性能是否受影响;开启热回收装置，目的是考察开启热回收装置在供冷工况未开启热回收装置时，制冷量比额定工况下降8. 22 %，输入功率增加 5. 32 %。制冷 性能系数COP值由额定工况下的 2. 60降至2. 27， 下降了 8.85 %。主要原因是机组的整体性被破坏，板式换热器增加了制冷压缩机出口管路的阻力，使制冷循环效率有所降低 。启动热回收装置，实验结果见图3 -图5。由图3可见，热水的温升量随进水温度的升高而下降，进水温度在26 C45 C范围内时，对应的出水温度为58 C64 C；由图4可见，热回收量随进水温度的升 高而减少

14、，而制冷量几乎不随热回收量变化；空调热 泵的热效率有所提高。总性能系数COP制冷量 +热回收量整机输入功率热回收率COPc +整机输入功率结合图4和图5可见，热回收量越大，总性能系数COP值越大，本实验中最高可达 4.15;还可看到2651994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

15、served. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性ti热回收培水 温度U7-热回收出忒 温度t*图6制冷工况下、热回收效率变化图回率水度R3R5图3制搀工呪下*热水供应 进、出水温变化亠制禰 热回收供 热量6, % ，: - - : - >1图4制传:L况下，制常煮、热回收妞、辅人功率变化图R- 6 4 2 O 8 6 4 2 O 呂s'ri挨12?100额定工况602016实验标准 供热工况® 1制热工况下+改造前后机组性能对比1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

16、 rights reserved. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性制冷性能 系熱叩* 总性能 系ST叩制冷性能系数 CO住值也随热回收量的增大而增 大,最高可达2. 60比未开启热回收装置时的制冷性 能系数2.27提高10.13%;这是因为随着热回收量 的提高冷凝热逐渐减少，从而减轻了风冷式冷凝器 的负担，降低了机组的输入功率，从而提高了机组的 制冷性能系数。定义热回收效率n为热回收热量与冷凝器排热量的比值5，热回收效率变化如图 6所示。由图6可见，热回收效率随进水温度的升高而 减少。冷凝器排热量为制冷量与压缩机输入功率之和，即冷凝热量为制冷量的(1 + 1/COR)倍3。本实

17、验中，由计算可得热回收量占冷凝热的比例为25 %45 %，而且该比例随进水温度的升高而降低c? 266 ?2. 2冬季供热工况实验条件：室内控制干球温度为18 ±1 C;室外控制干球温度 7 C；测试过程中热水供应的 水流量同样保持不变，R1 - R7为7个实验点，分别 表示进水温度 7 C,10 C,13 C,7 C ,11 C ,14 C 和8 C 7种变化工况。改造后的机组未开启热回收装置时的标准制热 工况与改造前机组额定制热工况的对比如图 7。在供热工况下未开启热回收装置时 ，制热量比 额定工况下降了 11.5%，输入功率下降了 4. 36 % , 供热性能系数 CO Ph由

18、2. 85下降至2. 64 ,降低了 7. 37 %。其原因分析与夏季供冷工况一致。由于试验采用的机组供热量较低,当开启热回收装置后导致机组的热负荷就会过大，造室外机结霜。结霜后的室外机很快进入除霜状态，同时室内机停机，供热系统停止运行；除霜结束后室内机再次 开启，但很快又进入结霜-除霜-停机-开机-结 霜的循环。说明此空气源热泵进行改造后，无法在供热状态下同时进行空调供热与生活热水供热。室内机停机后，空气源热泵热回收装置的运行 情况如下图8-图10 所示。(此时的COP值是热 回收供热量与输入功率的比值)。由图表可见，前3次热回收的状态是相对稳定 的，此3点为机组在稳态结霜情况下的工作点，其

19、余1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性2671994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡

20、龙俊等：空气源热泵制冷热回收机组的技术可行性热回收琲忒热网收出水 温度t.641086斗n过渡季制 席冷热回收过渡季供 热热回收输入功率 制冷f热蜃 热回收供熱鈕 W7W QJQh)/W Qr/W图11过就季冷、热星、输人功率变化图團8制热工况下，热水供应进、出水温度变化用14n0g 6 4 2 0热回收性能系数6 5 4 3 2 I总性隧累数过渡手制 冷热回收过渡季供 热劉回收R图9制热工况V热回收址与输入功率变化图10制鶴工况下恳性能系数变化圉为非稳态结霜状态。2.3过渡期非空调工况过渡季工况实验条件：室内控制干球温度为20 ±1 C ,室内相对湿度相对湿度65 % ±

21、10 %;室外控制干球温度20 C。在过渡期用户一般不需要 制冷或供热空调，但却需热水供应，空气源热泵热回 收机组可以作为一台热水机组使用，附带产生的冷量 和热量，可配置散热装置排至室外。 定义热回收量与 机组输入功率的比值为热回收能效比CO Pr。图11和图12是过渡季节热泵采用制冷工况生 产热水和采用供热工况生产热水的性能比较 。由于 这两种工况都会同时产生附加冷量和热量，当无法将冷量和热量消耗的时候，可以考虑采用COP值较高的制冷模式来实现过渡季的生活热水供应。图空过渡季热回收性能系数总性能系数3总结(1) 空气源热泵制冷热回收机组是一种节能的 空调与热水机组，通过热回收装置可以获得生活热 水而不消耗更多的电能，其整机性能系数远高于普 通空气源热泵机组。(2) 改造型的空气源热泵制冷回收机组的整体性受到影响，不开启热回收装置时的COP值比原机组下降。(3)