浅谈空调热泵机组的蓄热技术

浅谈空调热泵机组的蓄热技术

1太阳能利用与供热系统近年来，随着经济的发展，空调热机已成为中国冷食业的主要产品之一。它既可夏季制冷,又可冬天采暖;省去锅炉系统,大大减少了工程投资。它以电力作为动力,采用热泵原理吸收室外空气中的热量,产生数倍于输入电能的热量,与传统的锅炉供热系统相比,不仅节省能源,还能提高能源利用率,而且不会污染环境,是一种高效节能型产品。但是,应注意的是,冬季气象的变化引起室外温度的波动比较大,对于热泵机组,特别是风冷热泵机组,性能受到很大的影响。尤其是零度以下的天气,蒸发器翅片面结霜结冰,严重影响换热性能。对于热泵工质,有可能由于吸收热量不足未完全蒸发而产生湿蒸汽流入压缩机,造成损害。另外,随着环境温度的下降,热泵的制热量及供热系数明显地下降了。相反,环境温度的下降将引起采暖负荷的明显增加,如果在热泵系统中采用蓄热装置,可以解决这一矛盾,同时通过蓄热来改善热泵的运行性能。2系统原理和特点2.1政府积极引导,加大政府扶持力度所谓蓄热就是在电力负荷的低谷期,通过设备(热泵或电热器)产热,利用蓄热介质的显热或潜热特性,用一定方式将热量储存起来,而在电力负荷的高峰期将热量释放出来,以满足建筑物空调或生产工艺的需要。在空调工程中应用蓄热技术的主要前提是,该地区是否存在电力低谷、高峰期电价差。目前随着我国用电结构矛盾的不断加大(一方面存在严重的高峰电力不足,另一方面存在着峰谷差过大等问题,进而形成自然资源大量浪费的恶性循环),各地政府纷纷出台优惠政策,拉大峰、谷电力差价,以经济的手段推动电力“削峰填谷”。表1为上海市当前各时段电价。同时为了提高业主积极性,当地政府还下达相应政策,鼓励和支持应用蓄能项目的用户,从而缓解峰、谷电负荷严重不平衡的矛盾。空调工程中常用的蓄热手段主要有两种,即以水为介质的水蓄热和以相变为介质的高温相变蓄热。前者造价低占地大,后者造价高占地小。因此需要结合实际工程,综合各方面因素来考虑选择蓄热手段。2.2蓄热式热泵供热图1为蓄热热泵原理图。该系统由压缩机1,四通换向阀2,冷凝器3,蒸发器5及蓄热器7组成。夜间,由于驱动热泵电费比较低,打开蓄热循环泵8进行蓄热,同时由于建筑物不再需要供热,关闭循环泵9和阀6。白天随着电费开始上升,关闭蓄热循环泵8,同时循环泵9开始投入运行,并将蓄热器7的热水供给建筑物使用。一旦出现供热量不足时,开动热泵进行供热,以达到设定的温度。该系统运行方式有两种:全部蓄热即蓄热器提供建筑物所需的全部热量和部分蓄热即热泵和蓄热器一起承担热负荷。图2是另外一种蓄热式热泵的原理图。在冬季较高温取暖时,冷凝器向供热用户排热。出冷凝器的热泵工质不是直接膨胀至蒸发压力,而是先经过蓄热装置中的热交换器。在这里,热泵工质保证供热用水吸热之后剩余的冷凝热进一步排出,为蓄热装置“充热”,其排热程度要看室外温度的高低。当气候条件恶化,室外温度降到较低的温度时,蒸发器的换热效果明显下降,仅仅通过蒸发器吸收室外热量已无法达到制取预期的热量时,此时就可以利用蓄热器来弥补了。此时有两种运行方式,即分别采用串联法和并联法的运行方式。串联运行方式时,冷凝器出来的热泵工质全部流过三通阀1,节流后在蓄热器中吸热蒸发。并联运行方式是指冷凝器出来的工质一部分流进蓄热器过冷后节流,再在蒸发器中吸热蒸发,而另一部分工质经过三通阀1再节流后直接吸收蓄热器的热量蒸发,最后两部分汽体在三通阀2中混合后进入压缩机。很明显,上述两种蓄热方式的蓄热温度不同,前者是积蓄冷凝热,所以可以直接向建筑物供热。而后者积蓄的是过冷液体的热量,因而两者适用的情况不同,前者适用热源温度不是很低的热泵机组(如水源热泵,地源热泵),后者适用于外界温度很低的热泵机组(如风冷热泵)。本文主要讨论前者的设计方法。2.3蓄热式热泵空调的优点与传统热泵相比,该系统具有如下特点:(1)用夜间低谷负荷的廉价电力,可大幅度节省电费开支,且峰谷电差价愈大,其经济效益愈显著。(2)通常蓄热式热泵系统的热泵机组的容量可减小,其附属运转设备的电力设施的容量或功率均可相应减小,从而节省了设备投资费用。(3)蓄热式热泵的主机经常处于满负荷运转状态,有利于主机运行效率的提高。(4)蓄热式热泵空调的连续运转,避免了间歇运行中的启动、停机时造成的不必要的能源浪费。(5)由于蓄热式热泵系统的蓄热槽内储有热能,一旦发生意外停电,启动小功率应急发电机带动循环水泵的风机,可以保证局部重要区域的空调要求。(6)除冬季蓄热外,还可以用于夏季蓄冷。将热泵系统运行于制冷模式,制取7℃的冷水于槽中储存,即可作为建筑物的冷源,一套系统,多种运行模式。3储水池设计3.1空调热损失个数的确定N=Q×KCI×T+CO×RΝ=Q×ΚCΙ×Τ+CΟ×RkW(1)式中:Q—空调全天需热量,kWh;K—考虑热损失的安全系数,一般取1.1～1.15;CI—压缩机蓄热运行容量对额定容量的比值,一般为0.65～0.90;CO—压缩机空调运行容量对额定容量的比值,一般为0.90～1.00;T—压缩机蓄热运行时间,h;R—压缩机空调运行时间,h。3.2V=N×CI×T×KC×ρ×Δtm3(2)V=Ν×CΙ×Τ×ΚC×ρ×Δtm3(2)式中:N、CI、T、K同公式(1)C—水的比热,kJ/(kg·℃);ρ—水的密度,kg/m3;Δt—开始蓄热时温度与蓄热终了时温度之差。3.3其他(1)冬季蓄热过程保温确保性能蓄热水箱的保温绝热是为了减少水箱的热损失。对于地上型蓄热水箱,冬季周围空气温度较低,尤需加强保温绝热性能。为了减少水箱的热惰性,可以考虑用保温绝热材料敷设于钢筋混凝土池壁及池底的内侧。(2)防止地下/室外水渗透蓄热水箱的防水做法应能防止水箱水的渗出。对置于地下的水箱来说,还应能防止地下或室外水渗入水箱。水箱加工中应尽量减少热桥现象,以减少水箱不必要的热量损失。(3)排水能力虽然蓄热水箱的水一般不需要经常更换,但设计时应考虑在必要时设置一个排水设施,如泄水管和泄水阀等。(4)通风管道蓄热水箱的水面之上空间应与大气相通。4供热和回水温度德国卡尔斯鲁厄体育宫装有以地下水为热源的热泵,供采暖用。该体育宫的建筑面积为4165m2,总需热量为360kW,设有4台电功率各为22kW的水—水型热泵。热泵装置的工作原理如图3所示。每2台热泵并联,通过压缩机的起停,可调节其能量。若淋浴水容器9中的温度传感器,所感受的温度低于45℃,则三通阀11使泵8排出的全部热水都通过淋浴水容器的加热管。一旦到达规定温度,三通阀就将热水导往供热蓄热器10和采暖分配装置12。夜间,驱动热泵用电费比较便宜。分配装置12将热水循环泵关掉。这时泵8就将热水大部分送往蓄热器10,升高其温度。当蓄热器10中的水温升高时,回到热泵的水温也升高,传感器16测得的供水温度也升高。当温度升到48℃时,控制设备将4台压缩机中的2台停下。到达50℃,全部压缩机停止工作。早晨6:00时左右,电费率开始提高,此时泵8停止运转,分配装置12中的循环泵投入运7并将蓄热器10的热水供给建筑物使用。传感器14和15测量采暖用供水和回水温度。若测的温度不能满足当时天气条件的需要,即蓄热器10的热量不足时,则2台压缩机投入运行,同时泵8也起动。如果2台压缩机(例如压缩机1和3)的运转还不能供给所需的温度,则控制设备使4台压缩机全部投入运转。5夜间低热电以均衡电网目前,在热泵大量使用的情况下,