空气-水热泵采暖的可行性分析

空气-水热泵采暖的可行性分析

0热泵的应用现状制冷机的原理是具有逆热循环。1824年,卡诺确立了卡诺循环原理,热泵供热的理论就基本确立了。从制冷历史的技术发展来讲,人们首先开发了各种制冷产品,热泵技术的发展是后来的事。上世纪50年代,美国已经批量生产空气源热泵,到上世纪80年代,日本已经大规模生产各种空气源热泵式空调器。我国在改革开放以后,以引进日本技术和生产线为基础,房间空调器发展非常迅速:起初是以单冷式空调器为主,到90年代,各种热泵式空调器在中国的产量增加很快;进入21世纪以来,有热泵功能的房间空调器在我国市场占约70%的份额。中国热泵节能技术的先驱,我的导师吕灿仁教授在上个世纪五十上年代就说过:我国是大陆性气候,与全球同纬度国家相比,冬天的温度低,夏天的温度高,需要用热泵技术解决。由于经济条件和技术水平的制约,热泵技术在我国发展的比较缓慢。直到上个世纪八十年代,我们还在统计一个经验数据,即煤电比——1吨煤和1kWh电的比价,为热泵技术应用节能又节钱的临界点,要达到400:1。很长时间我国的煤价很低,1吨煤从几元到几十元,而1kWh电价从两角多钱开始,煤电比最多也就是200:1,热泵应用没有经济效益。到了上世纪九十年代,情况有了改变,煤价上升的很快,直到数百元一吨,电价最多涨了一倍多。今天这个煤电比差不多是1000:1了,所以热泵技术大行其道。近年来,随着我国人民居住条件的改善,对生活热水的需求量迅速上升。环境保护意识的增强,促进了空气源热泵热水器的发展。这种以生产55℃生活热水为目的的产品,在我国广东、浙江一带发展很快,并且有逐渐向北方发展的趋势。随着南方冬季采暖问题的提出,有的厂家开始研究和生产在冬季用于房间采暖的空气源热泵热水系统。而这一趋势,也在影响着华北寒冷地区的冬季采暖。需要注意的是,夏热冬冷地区的夏季空调期较长,冬季供暖用热泵还兼有夏季空调制冷的功能,因此在工作性能方面,要有很高的要求。本文暂不讨论相关夏季空调的性能要求。即便在冬季供暖时,由于环境温度、湿度的变化,也可能由于房间使用情况的变化,一方面提供给房间的热量是变化的,热泵要有变容量的性能;另一方面环境温度可以从0℃以上,变化到零下几℃甚至更低,要应对极端恶劣天气,热泵应有良好的变工况性能。对这样变容量、变工况的“双变”性能,只有在压缩机可变速、可变压缩比,节流阀可大范围调节流量,换热器配置的风机、水泵可变流量的前提下可实现。由于环境温度随时间变化也是一种波,可分解为不同的振幅和频率,可以适应环境变化的热泵我们称之具有“广谱”性能。1空气源热泵的主要分类1.1传统热泵式热泵空气-空气型空气源热泵原理图见图1。它是在单冷型的空调器基础上发展的,一般来说,其作为夏季空调器的功能较好,热泵功能是辅助型的。通常是用用四通阀转换夏季空调工况和冬季供热工况,四通阀也可兼用于冬季除霜工况。风冷式室内换热是传统设计,但风冷式需要较高的出风温度,风速是按照夏季工况制冷时设计的,冬天时人们不希望有较大风速(舒适度较差)。空气-空气型热泵最大的优点就是结构简单,安装方便。从原理上讲,空气-空气系统适于夏季空调,而不适合冬季供热。传统设计这种热泵有着如下的缺点。1)温度稍低,有的热泵就停机了,有的热泵虽然可工作,但吹出来的是“凉风”。原因在于早年生产的热泵式空调器,是定频压缩机、毛细管控制制冷剂流量,尤其是压缩机只允许在很窄的蒸发温度范围内工作,不适合较低温度。即使能工作,因随蒸发温度的下降,冷凝温度也随之下降,制热量迅速减少,在风速的作用下,使人感觉是“凉风”。这使得配置了热泵型空调器的用户,到了冬季不到万不得己,并不开启热泵。如果冬季温度偏低,许多热泵不能正常运转。2)即使吹出的是热风,但吹风感太强,不舒服。人们习惯于“凉风习习”,因为流动的空气在夏天可带走体表的水份。到冬天风速稍大,就有凉风感,而由于热空气的密度较小,空调室内机往往位置较高,为达到送风的效果,这个风速通常都比较大。3)由于供热温度较高,使用热泵的房间明显干燥,特别是夏热冬冷地区居民习惯的室外高湿度反差太大。4)湿度大时频繁除霜,导致室内温度波动,而且空气-空气型热泵的室内换热器在除霜时有明显的噪声,包括制冷剂流动的声音和换热器因热胀冷缩的“咔咔”声,尤其夜深人静时为甚,严重影响睡眠等等。1.2空气-空气热泵热泵空气-水型空气源热泵原理图见图2。与空气-空气型热泵相同,空气-水型热泵一般也是用四通阀转换夏季空调工况和冬季供热工况,四通阀也可兼用于除霜工况。它们的主要区别是室内换热器,不是风冷式而是循环水式。循环水式是以水为传热介质,可降低冷凝温度,采用水冷的冷凝器,可在40℃的冷凝温度下,产生35℃的热水,提供给地板采暖,形成从下到上的自然对流,可有较好的采暖舒适度,也提高热泵的制热系数。到夏季,用冷水进入室内风机盘管,冷风从上至下,也有较好的舒适度。空气-水系统出现的较晚,它在一定程度上克服了空气-空气型热泵的缺点,比较适合冬季供暖的要求,如果设计得当,这种热泵有着如下的优点。1)因配备了变速压缩机和电子膨胀阀,使热泵具有“广谱”性能。室外温度低时仍能工作,并通过提高压缩机的转速,适当增加输出的热量。2)因为采用地板散热,没有吹风感。35℃的热水进入地板散热系统,房间可达到22℃,也不感到干燥。3)湿度大时同空气-空气热泵一样需要频繁除霜。由于有一个比较大的水箱作为蓄热装置,除霜需要的热量取自水箱,不会导致室内温度波动。也没有空气-空气型热泵的室内换热器在除霜时的噪声等等。4)今后我国可能采用R32或R290等工质用于民用或商业制冷空调产品,在蒸发器中直接膨胀吸热,但由于R32和R290的可燃性带来的安全隐患不可避免。水冷系统以水作为载冷剂传输冷热量,可以避免工质直接进入生活区,提高系统安全性。2应用空气-空气型系统的必要性由图3中国建筑气候区划图可见,大致在我国中部往东,从北纬40度往南,包括北京、天津、河北、山东、山西、河南大部分地区,到北纬34度线,属于寒冷地区。北纬34度线再往南,至北纬24度,包括上海、江苏、浙江、江西、湖北、湖南、重庆、四川等地,属夏热冬冷地区。有关这些地区气候的详细数据不多说了,因为各地的气候特点,并非都可用大的分区而整齐划一。比如河北省北部,与江苏省北部同属寒冷地区,其冬季的采暖周期和室外最低温度也有很大差别。从气候学上讲,连续5天的平均温度低于10℃就进入冬季。夏热冬冷地区,冬季可能两到三个月,冬季环境温度大多在-5℃之上。在这个温度范围内,如果设计热泵的蒸发温度为0℃~-15℃,冷凝温度为40℃,使水一侧达到35℃对房间供热,这是可行的。寒冷地区冬季三到四个月,最低降温可能到-15℃,大部分时间处于-5℃左右。所以计算了-30℃~10℃这个范围。相应的冷凝温度,则一律取40℃。下面要通过不同的技术分析这两个区域的热泵性能。其次是对工质的选择。本来R22是各种民用和商用热泵的主要工质,根据《蒙特利尔议定书》的要求,从2013年开始,R22开始冻结并逐年消减。未来生产的空气源热泵,不能用R22,可采用的工质有R410A和R134a,可能的替代物是R32和R290。所有计算都用这5种工质,对于国外推出的R1234系列工质,暂不予分析。目前R32和R290这2种替代物的相关研究工作都在进行。R32属微燃特性的物质,R290是强可燃性的物质。如果采用空气-空气型系统,室内换热器位于人们居住和生活区域,万一发生工质泄漏,有可燃性的工质在防火安全方面存在隐患。如果采用空气-水型系统,水冷换热器可适当隔离可燃工质因泄漏进入房间,这也是本文强调的空气-水型系统的关键所在。表1是本文涉及的几种工质性能参数。3采用直流生物压缩机考虑普通居民的房间面积,在40℃的冷凝温度下,蒸发温度从-15℃到0℃,热泵消耗的功率为2kW左右,根据不同的制热系数,应该有数kW的制热量。本着这个原则,选用全封闭直流变速转子式压缩机,R410A为参考工质,室外是铜管翅片式换热器,风机可调速,室内是盘管水箱式换热器,终端是地板采暖。考虑压缩机的效率等因素,做了理论计算。考虑地板散热热水温度为35℃,在40℃的冷凝温度下,蒸发温度从-30℃到10℃,分别计算在相同压缩机容量下的单级压缩热泵系统的制热量、压缩功、制热系数、压缩比和压缩机的排气温度,分别见图4~图8。3.1蒸发温度对热泵质制热量的影响从图4看,蒸发温度在-30℃~10℃范围内时,在同样的吸气容积下,不同工质的定频热泵制热量有很大不同,以R32的制热量最大,R410A其次,往下是R22,R290和R134a。在蒸发温度为0℃时,从最高制热量的R32开始,依次分别为9.07kW、8.35kW、5.60kW、4.82kW和3.46kW,它们的相对比例为109%、100%、67%、58%和41%。若以蒸发温度0℃时为参考值,蒸发温度从0℃到-15℃时,各种工质制热量变化从100%到54%~61%左右,而此时因环境温度的下降,房间的需热量可能有2倍左右的变化。因此,越在低温时,热泵应该可提供更多的热量,对定频压缩机来说,理论上可以用增加压缩机的数量来解决,这并不现实,自从有了变频技术,这个问题已经基本解决。从图5可见,各种工质压缩机的功率也是R32最高R134a最低,排序不变。而且当热泵的蒸发温度范围为-15℃~0℃时,压缩机的耗功变化并不大,从100%变化到大约85%~90%。如果在低环境温度时采用变频技术解决供热量不足的问题,压缩机的功耗可能要比正常功率增加2~3倍,这对变频电机的设计是个挑战,特别是压缩机电机的散热问题。从图6可以看出,不同工质在蒸发温度改变时,制热系统COP变化规律相似,数据也很相近。附带说明一下,计算表明R22的COP较高,R410A的COP约低5%~10%,这是用简单循环计算的结果。如果用“当量冷凝温度法”计算,其差别就很小了。当蒸发温度为0℃时,COP为3.46左右,节能效果最好;当蒸发温度为-5℃时,COP为3,节能效果也很好;当蒸发温度为-10℃时,COP为2.6,与燃料燃烧的效率基本相当,但有良好的环境特性;当蒸发温度为-15℃时,COP为2.28,这时比直接燃烧燃料的效率稍低,但比电加热的效率高128%。顺便说明,当蒸发温度为-30℃时,热泵的制热系数约为1.5,这时一次能源利用率就不如直接燃烧燃料,而且热泵的制热量仅相当于0℃蒸发温度时的1/3。而这时需要的热量可能是0℃时的3倍。这样大幅度采用变频技术调节容量,已基本不可能。3.2不同蒸发温度下,不同工质的配比图7给出了蒸发温度从-30℃到10℃变化时理论压缩比的变化。在同样的蒸发温度范围内,压缩比最大的是R134a,其次是R22、R32和R410A,最小的是R290。当蒸发温度为0℃时,各种工质的压缩比在3~3.5范围内;当蒸发温度为-15℃时,各种工质的压缩比在5~6范围内,这对于压缩机的性能提出可变压缩比的要求;当蒸发温度为-30℃时,各种工质的压缩比范围为8~12,即使有这样大幅度改变压缩比的压缩机,也很难兼顾。3.3蒸发温度和排气温度图8是压缩机排气温度随蒸发温度的变化关系。压缩机的排气温度受工质的特性和循环的参数影响。首先,不同工质的排气温度有很大的不同,也有很大改变。以R32最高,其次是R22、R410A和R134a,R290最低。而蒸发温度越低,排气温度越高。在蒸发温度为-15℃时,R32的排气温度可达112℃(因理论计算忽略很多因素,实际情况可能更高),而R290只有63.5℃。在蒸发温度为-30℃时,R32的排气温度可达140℃,而R290为72℃。R32的高排气温度,需要在压缩机上采取喷液措施,或采用抗高温的润滑油。4蒸发温度对干球温度的影响根据国内外四个公司提供的空气-水热泵的产品性能数据可知,当室外干球温度为-15℃至10℃时提供40℃热水,在不同容量下,以输入功率不同,做出a、b、c、d四个图,示于图9。计算时仍然用本文的程序,将室外干球温度与蒸发温度建立一定的关系,采用R410A和R22为工质,用不同图例表示。由图可见,在不同的输入功率下,产品的性能都与理论分析相近。5应用空气源热泵供热的必要性文献指出,从2011年初开始,北京市建设工程物资协会组织大专院校、设计科研单位、企业等共同完成了由住房和城乡建设部立项的“空气源热泵、太阳能与低温热水地暖组合建筑采暖系统的节能能效研究”科技项目,并于2012年11月26日通过了成果验收。该课题完成了空气源热泵、太阳能与水地暖及生活热水的不同组合系统技术的优化设计与示范,并在多个工程项目中得到推广与应用。其中,在北京、秦皇岛、青岛、上海、重庆和长沙等地的房屋建筑(八项工程)中进行了重点测试,得出了华北、华东、华中等寒冷和冬冷夏热地区的建筑采暖与供热能效数据。空气源热泵与水地暖的组合系统能效比(COP)均超过3.0,具有运行能效高、运行费低的特点。这种系统完全