空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區應用的分析

  0 引言

 

  由于空氣源熱泵冷熱水機組具有諸多優(yōu)點(diǎn), 作為中央空調的冷熱源, 近年來(lái)在我國發(fā)展很快。生產(chǎn)廠(chǎng)家已由1995 年的十幾家發(fā)展到現在的40 多家。產(chǎn)品品牌繁多, 機組的冷熱量規格齊全。目前, 在我國的長(cháng)江流域、黃河流域等地區的應用十分廣泛。甚至天津、西安等地也有應用實(shí)例[ 4] 。這表明其應用范圍有北擴的趨勢。而我國東北、華北、西北、內蒙古等地區冬季室外空氣中含水量很少, 其結霜問(wèn)題并不像長(cháng)沙等地區那么嚴重。這是否意味著(zhù), 在這些寒冷地區也可以采用空氣源熱泵冷熱水機組, 在冬季為中央空調提供50℃的熱水? 為尋找答案, 筆者對空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區的應用進(jìn)行了初步的分析, 以期為寒冷地區推廣應用熱泵空調系統創(chuàng )一條新路。

 

  1 空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區運行中存在的問(wèn)題以某臺空氣源熱泵冷熱水機組(R22)為例。假設其在北方寒冷地區的主要城市中運行, 在室外供暖計算溫度條件下為中央空調系統提供50 ℃熱水,計算出的機組的壓縮比值列入表1 中。由表1 明確看出:機組在絕大部分的城市(除西安、濟南、石家莊外)運行時(shí)的壓縮比大于10 , 哈爾濱甚至已超過(guò)20 。

 

  機組運行的壓縮比過(guò)大, 會(huì )出現下列問(wèn)題:

 

  ① 壓縮機的容積效率降低, 同時(shí), 由于蒸發(fā)壓力過(guò)低, 使吸氣比體積變大, 制冷系統的質(zhì)量流量變小。這樣, 機組的供熱量會(huì )急劇減少。

 

  ② 活塞式壓縮機單級系統的壓縮比一般不超過(guò)8 。

 

  鑒于此, 可以說(shuō)空氣源熱泵冷熱水機組在北方最寒冷的時(shí)候是無(wú)法正常運行的。

 

  2 空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區應用的技術(shù)措施及應用方案降低機組的壓縮比是空氣源熱泵冷熱水機組

 

  在寒冷地區正常運行的惟一途徑, 因此, 應采用技術(shù)措施降低該值。利用機組向用戶(hù)提供10 ～ 20 ℃的水, 而不提供50 ℃水, 可以降低機組運行的壓縮比;這低溫水再作為水源熱泵的低位熱源, 由水源熱泵向室內供暖。按此思想, 筆者提出3 種工程上可行的方案。

 

  方案1  利用空氣源冷熱水機組提供的10 ～20 ℃水作為水環(huán)熱泵的輔助熱源, 與水—空氣熱泵組成雙級熱泵系統, 如圖1 所示。冬季, 機組從室外空氣中吸取熱量, 再通過(guò)水—空氣熱泵加熱室內空氣,以達供暖目的;夏季, 室內的余熱通過(guò)空氣源熱泵冷熱水機組或冷卻塔向室外釋放。該方案可解決由于目前我國各類(lèi)建筑物內的余熱量小(內部負荷不大, 建筑物的內區面積又小)無(wú)法使用傳統的水環(huán)熱泵空調系統的問(wèn)題。

 

  方案2  利用空氣源熱泵冷熱水機組提供的10～ 20 ℃水, 作為戶(hù)式水—水熱泵的低位熱源。與方案1 不同的地方是, 室內使用的小型熱泵機組不是水—空氣熱泵,而是水—水熱泵, 冬季向室內提供40～ 50 ℃ 熱水, 再通過(guò)風(fēng)機盤(pán)管加熱室內空氣, 此方案可以解決目前常用井水作為戶(hù)式水—水熱泵的低位熱源時(shí), 出現的水井老化、井水回灌困難、寒冷地區地下水水溫低等問(wèn)題, 同時(shí)也不受地下水資源的限制。

 

  方案3  類(lèi)似于方案2 , 只是將分散的戶(hù)式水—水熱泵改為集中式的水—水熱泵, 集中制備50 ℃熱水, 再通過(guò)水系統將熱水送至各室內的末端裝置(如風(fēng)機盤(pán)管、輻射供暖系統等), 通過(guò)末端裝置加熱室內空氣, 以達供暖目的。

 

  3 應用方案的可行性

 

  為了初步評價(jià)應用方案的可行性, 對空氣源熱泵冷熱水機組作一些簡(jiǎn)單的計算, 計算結果列入表2, 表3中。表2給出供20 ℃或13 ℃水時(shí)機組的壓縮比和容積效率ηv 值, 表3 給出機組由室外空氣溫度-5 ℃, 提供50 ℃熱水的工況變化到室外供暖計算溫度, 提供20 ℃水或13 ℃水工況時(shí)供熱量的變化率。

 

  當室外氣溫為-5 ℃時(shí), 向用戶(hù)提供50 ℃熱水時(shí), 機組的壓縮比為8 .6 , 容積效率為0 .499 。與表2 相比較, 可以明顯看出:機組在室外供暖計算溫度下, 提供20 ℃水時(shí), 除哈爾濱、長(cháng)春外, 其余的城市中空氣源熱泵冷熱水機組的壓縮比均小于8 .6 , 而容積效率均大于0 .499 ;若提供13 ℃的水時(shí), 表中所有城市選用的空氣源熱泵冷熱水機組的壓縮比均小于8 .6 , 而容積效率均大于0 .499 。從機組的壓縮比和容積效率看, 空氣源熱泵冷熱水機組在室外供暖設計溫度下, 提供13 ～ 20 ℃水的工況是可以正常運行的。

 

  當機組在室外空氣溫度為-5 ℃, 供50 ℃熱水工況下運行時(shí), 其供熱量作為100 %, 則機組在室外供暖計算溫度下, 提供20 ℃水工況時(shí), 北京、天津、石家莊、太原、濟南、蘭州等城市中, 機組供熱量均大于100 %, 西安超過(guò)65 .37 %, 濟南超過(guò)50 .75 %, 最小的西寧亦達11 .04 %。在哈爾濱、長(cháng)春、沈陽(yáng)、呼和浩特、銀川、烏魯木齊等城市中, 機組供熱量小于100 %。這是因為室外供暖計算溫度太低, 蒸發(fā)溫度亦低, 使吸氣比體積太大, 制冷循環(huán)的質(zhì)量流量變小之故。在這些城市中, 若提供13℃水時(shí), 除銀川外, 其它城市中, 機組供熱量仍小于100 %, 不過(guò), 其減少量有所變小。例如, 哈爾濱地區機組的供熱量的減少值由55 .21 %減少到45 .23 %, 沈陽(yáng)由22 .66 %減少到11 .8 %。這充分表明:除哈爾濱、長(cháng)春外, 其它地區機組在供暖室外計算溫度下供13 ～ 20 ℃水時(shí), 其供熱量降低不多,而西北地區供熱量反而增加。

 

  綜上所述, 空氣源熱泵冷熱水機組提供13 ～20 ℃水是可行的, 機組可以正常運行。10 ～ 20 ℃的水是水源熱泵的優(yōu)良的低溫熱源。另外, 空氣源熱泵冷熱水機組供熱性能系數(COP)平均為3 , 水—空氣源熱泵供熱性能系數平均為4 。若不考慮其他損失時(shí), 方案1 的能流圖見(jiàn)圖4 。由圖4 可見(jiàn), 方案1 的總供熱性能系數可達2 .0 。不過(guò)應注意到, 在整個(gè)供暖期里, 出現供暖室外計算溫度的時(shí)間不長(cháng), 大部分時(shí)間的室外氣溫是高于供暖室外計算溫度的。隨著(zhù)室外氣溫的升高, 機組的COP 值亦會(huì )升高。因此, 這樣雙級熱泵供暖新系統的季節性能系數將會(huì )遠遠大于2 的。

 

  4 結論

 

  4.1 在我國北方地區, 由空氣源熱泵機組與水源熱泵(水—空氣熱泵或水—水熱泵)組成新型的雙級熱泵系統是供暖的理想系統之一。

 

  4.2 在寒冷地區, 采用空氣源熱泵冷熱水機組提供10 ～ 20 ℃的水作為水源熱泵的低位熱源時(shí), 可以解決井水作為熱泵的低位熱源時(shí), 存在水井老化, 回灌困難等問(wèn)題;也可以解決目前建筑物內余熱少或沒(méi)有余熱而無(wú)法采用傳統的水環(huán)熱泵空調系統的問(wèn)題。

 

  4.3 在寒冷地區, 采用空氣源熱泵冷熱水機組提供10 ～ 20 ℃的水是空氣源熱泵冷熱水機組在該地區可行的應用方式。

 

  筆者目前所做的工作是初步的。為了更好地在寒冷地區推廣和應用這種系統, 筆者準備在今后做如下工作:① 空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區供暖期里運行的模擬研究與分析;② 空氣源熱泵冷熱水機組加水源熱泵空調系統在我國北方地區應用的評價(jià);③ 在條件許可的時(shí)候, 建立實(shí)驗性系統, 進(jìn)行運行實(shí)驗研究。