空气源热回收型热泵机组 冬季运行特性

空气源热回收型热泵机组冬季运行特性研究摘要：本文是对空气源热回收型热泵机组研究工作的总结，介绍了这种空气源热回收型热泵机组的工作原理，分析了该类型机组的冬季运行特性，针对在制热工况下需要考虑的主要问题，提出了解决方案，并根据此类热泵系统的特点结合实验研究结果提出了合理的机组运行模式。关键词：热泵，热回收，系统特性，冬季运行模式1. 前言常规空调系统需要消耗电能而同时又将大量的冷凝热量排放到大气中，造成了大气的热污染，加剧了城市热岛效应；对于需要生活热水的场所，热水的制备需要消耗一次能源。如何将这两者很好地结合，既可减少冷凝热的排放，又能减小生活用热水生产过程的能源消耗；人们开始着力于研究利用热回收技术，将原本排放的冷凝热进行回收以制备卫生热水，并应用于工程实践，取得了良好的社会效益和经济效益[1]-[3]。国外对于大型空调制冷机冷凝热回收的研究己经比较完善，发达国家目前已有相关产品的应用。新加坡南洋理工大学对于小型家用空调冷凝热的回收技术进行了实验研究[4]。中国科技大学提出空调-热水器一体机，可实现单独制热水模式、制冷兼热水模式、供暖模式等三种运行模式[5]。哈尔滨工业大学对带热水供应的节能型空调器开展了实验研究[6]。目前国内的研究主要集中于家用小型空调机组的改造，对于大型机组的冷凝热回收往往多涉及冷水机组的改造，对大型空气源热泵机组冷凝热回收技术的研究，尤其是实验研究很少[5]-[7]。本文借鉴国内对于小型家用多功能热泵空调热水器理论和实验研究的成果，对大型热回收型空气源热泵机组系统原理、运行模式进行研究，并对开发的样机进行了性能特性的实验研究。2. 系统原理及运行模式本文在综合热泵技术和冷凝热回收技术的基础上[8]-[10]，对常规空调用空气源热泵机组加以改进，采用风冷+水冷的复合冷凝技术，取代传统空气源热泵单一风冷的冷凝方式，使其同时具有空调热泵和热泵热水器的功能，并通过合理的匹配，使空调和热水器功能协调运行，得到集空调和热水器于一体的多功能热泵系统。原理见图1。图1热回收型热泵机组原理图此类热回收型热泵机组循环过程可以在压焓图上表示，见图2。图2热回收型热泵系统理论循环热力图对于理论循环，离开蒸发器的制冷剂蒸气是处于蒸发压力下的饱和蒸气；离开冷凝盘管的液体是处于冷凝压力下的饱和液体；压缩机的压缩过程是等熵压缩；制冷剂通过膨胀阀，其前后焓值相等；制冷剂在蒸发和冷凝过程中压力不变，在各设备连接管道中，制冷剂不发生状态变化；制冷剂的冷凝温度等于环境温度，蒸发温度等于作为载冷剂的空调水的温度。此类热泵机组具有多功能和全年运行的特点，通过控制元件的切换可以实现三种运行模式：夏季空调制冷兼制生活热水运行模式；冬季空调供热兼制备生活热水运行模式；过渡季节空调制冷（或供热）兼制备生活热水运行模式。本文主要研究热回收热泵在冬季空调供热兼制备生活热水运行模式。3. 热回收型热泵在冬季空调供热兼制备生活热水运行模式冬季，该热泵系统既要满足空调制热，同时通过板式热交换器制备生活热水。机组中的四通换向阀为制热状态，空调制热兼制生活热水模式运行时，系统运行原理见图3，制冷剂流向如图3中箭头所示。系统运行时，低压工质蒸气经过压缩机增压后，成为高压高温气体，首先进入板式热交换器，其中冷凝散热，同时加热生活热水。随后进入壳管式冷凝器（夏季运行时为蒸发器），进一步吸收冷凝热，加热空调热水。随后经过膨胀阀，进入室外蒸发器（夏季运行时为冷凝器），从环境大气中吸收热量，蒸发为低压气体，然后再进入压缩机，完成循环。图3热回收型热泵机组冬季运行原理图由于加热空调热水的冷凝器串联于板式热交换器之后，所以板式热交换器消耗部分冷凝热用于加热热水，实际上是以牺牲室内供暖热量为代价来换取生活热水的加热需求。在冬季室外环境温度较低时，室内的热负荷较大，将会造成系统空调供暖量不足，从而影响室内的供暖效果。为确保采暖效果，首先应保证冷凝温度高于空调采暖用热水的设计温度（45℃）。因此必须控制生活热水制备过程中对于冷凝热的吸收量，以及生活热水的进水温度。由理论热力循环图4可知，冷凝热量由两部分热量组成：过热区热量和两相区热量。图4冷凝温度变化热力循环性能分析图当冷凝温度从tk增加到tk’时，总冷凝热从h2-h3变成h2’-h3’。其中两相区热量h5’-h3’与h5-h3相比明显减少，而过热区热量h2’-h5’与h2-h5相比增加了。这主要是由于过热区进行的是显热交换，受温差影响很大。随着冷凝温度的升高，压缩机的排气温度急剧上升，过热区制冷剂的进出口温差增加，使得过热区热量相应增加。以R22为例，计算蒸发温度为0℃时，冷凝温度分别为50℃、55℃、60℃的情况下的冷凝热量，计算结果见表1。表1不同冷凝温度下冷凝热量变化冷凝温度（℃℃）50.055.060.0总冷凝热（kkW）60.358.957.6过热区冷凝热热（kW）15.918.020.3两相区冷凝热热（kW）44.440.937.3注：蒸发温度0℃冬季工况下，空调采暖和生活热水的制备都是对冷凝热的利用。由于生活热水加热吸收了部分冷凝热，所以空调侧的采暖供热量势必有所损失。特别是当生活热水温度低于空调采暖用水设计温度（45℃）时，可能导致机组冷凝温度降低，从而引起空调采暖用水温度降低，无法达到空调设计温度。因此为了保证空调采暖要求，生活热水的进水温度不应低于空调采暖用水的设计温度。此时在不改变机组冷凝温度（一般由空调采暖供水温度确定）的情况下，用于加热生活热水的板式热交换器只能吸收过热区冷凝热，同时空调采暖用换热器吸收两相区冷凝热。根据表2的计算结果，随着冷凝温度的变化，可知在冬季工况下，空调侧供热量与生活热水侧热量的比值，详见表2。表2空调侧供热量与生活热水侧得热量比值冷凝温度（℃℃）50.055.060.0空调采暖热量量/生活热水水热量2.792.271.84由于上面的分析可知，此时生活热水只限于获得过热区冷凝热。由于过热区冷凝热热量较小，在无法满足生活热水热量需求的情况下，必须设置辅助加热设备。4.热回收热泵在冬季空调供热兼制备生活热水运行模式的控制策略在冬季工况下，机组需要同时满足提供空调供热所需热水，以及制备生活热水的需求。由于板式热交换器吸收了部分冷凝热，势必影响空调供热量。如果生活热水进水温度设置过低，有可能造成空调侧供水温度无法达到供热要求。因此冬季生活热水的加热起始温度的设置应该以满足冬季供暖的热水温度要求控制为准来确定。当储水箱温度低于该设置温度时，开启机组与储热水箱之间的循环水泵对生活热水进行加热。5.热回收热泵在冬季空调供热兼制备生活热水运行模式性能试验研究本文利用某试验装置，对图3所示的热回收型空气源热泵实验机组在不同运行模式下的运行性能进行了实验研究。图5 实验机组系统原理图由图5可以看出，实验用机组由两个热回收型空气源热泵系统并联组成。其主要参数见表3。表3实验机组铭牌压缩机螺杆压缩机制冷剂R22额定制冷量（kW）400额定制热量（kW）450额定功率（kkW）120本文实验研究的测试方法参照GB/T10870-2001《容积式和离心式冷水（热泵）机组性能实验方法》中的相关规定。室外参数采用空气源热泵测试标准工况，空调侧制冷量及制热量通过载冷剂热平衡法实现。生活热水由循环水泵驱动，在板式热交换器和储水箱之间流动，被循环加热，实验没有考虑在实际使用时，生活热水加热过程中可能存在的热水被使用和消耗情况（储热水箱容量10m3）。5.1 基本概念由于热回收型热泵机组的功能与普通热泵系统有所不同，因此本文对机组的性能系数进行以下定义，以便分析所用。①空调性能系数COPa②生活热水性能系数COPw③综合性能系数COPa+w5.2制热兼制生活热水运行模式（1）环境空气温度7℃（冬季）图6冬季工况机组性能曲线图7 冬季工况机组供热量及生活热水热量随水温变化由于生活热水和空调热水均需要进行加热，因此生活热水的加热情况将直接影响到空调的供热量。由实验结果可以看出：在冬季工况下，机组的制热性能系数随生活热水进水温度的升高而逐渐增大，这主要是由于随着生活热水温度的升高，板式热交换器吸收的冷凝热逐渐减少，而壳管式换热器吸收的冷凝热逐渐增加，即空调侧的得热量逐渐增加。COPa变化范围为1.74～1.97，平均值为1.89。生活热水制热效率在冬季是比较低的，平均仅为0.5，尤其是当热水温度达到50℃以后，热水性能系数只有0.2。这也说明利用该机组在冬季环境温度较低情况下（低于7℃时），在满足空调供热需求的前提下，制备生活热水的温度要超过55℃将有一定的困难。机组综合性能系数随生活热水进水温度的增加而逐渐减少，变化范围为2.78～2.10。平均值达到2.38。当生活热水温度从41.2℃加热到53℃的过程中，生活热水侧得热量占总冷凝热的比例为37%-6%，平均值为19%，这主要是因为生活热水温度高于机组冷凝温度的情况下，生活热水侧吸收的热量仅为过热区冷凝热。图8冬季工况空调水温变化曲线通过对空调供回水温度的研究发现，当生活热水进水温度较低时，空调供回水温度较低。随着生活热水进水温度的升高，空调供回水温度升高。这主要是由于生活热水温度较低时，板式热交换器吸收冷凝热超出机组设计冷凝温度（一般为50℃）时过热区的冷凝热量，导致系统冷凝温度降低，而冷凝温度的降低（低于50℃）无法保证空调侧的加热要求，使得空调侧水温低于规定值（45℃）。根据实验结果可知当生活热水进水温度低于45℃时，空调侧出水温度低于44℃，将影响供暖效果。因此冬季运行时，生活热水的加热设定温度不应低于45℃，即当