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空气源热泵热水系统在夏热冬冷地区的应用

点击:1510 日期:[ 2014-04-26 21:08:01 ]
                   空气源热泵热水系统在夏热冬冷地区的应用                                  杨胤保                       (苏州大学,江苏苏州 215131)     摘 要:以空气源热泵热水系统为研究对象,从经济效益、能耗方面对该系统与传统电加热热水系统进行应用对比分析。介绍了目前国内外研究机构对空气源热泵热水系统研究进展情况。说明了空气源热泵热水系统在夏热冬冷地区的应用特点,并指出冬季室外机换热器结霜问题及室内侧换热器结垢问题对热泵热水机组的运行有很大的影响,这是值得深入研究、需要解决的关键问题。     关键词:空气源热泵;热水系统;节能;夏热冬冷地区     doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2012.09.001     0 引言     在全世界共同面临越来越严重的能源危机面前,我国作为能耗大国,能量利用率仍然不高,但是随着国家各种政策激励、法规限制、奖励机制的促进,人们对节能越来越关注。尤其是这些年在热泵这种节能高效系统的研究与应用上取得了很好的效果。空气源热泵热水系统作为热泵的一种,为了保证能在低温、潮湿环境中高效、稳定、可靠的运行,国内外众多科研单位和生产企业进行了大量的研发和改进。并且在全国许多地区大量推广使用,尤其是夏热冬冷地区。     根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2010》的定义,夏热冬冷地区是指长江中下游及其周围地区(其确切范围由现行国家标准《民用建筑热工设计规范》GB 50176确定)。该地区的范围大致为陇海线以南,南岭以北,四川盆地以东,包括上海、重庆二直辖市,湖北、湖南、江西、安徽、浙江五省全部,四川、贵州二省东半部,江苏、河南二省南半部,福建省北半部,陕西、甘肃二省南端,广东、广西两省区北端,涉及16个省、市、自治区。该地区面积约180万平方公里,人口5.5亿左右,国内生产总值约占全国的48% ,是一个人口密集、经济发达的地区。由于该地区气候特点是夏季炎热,冬季寒冷。并且经济发达,人口密集,企事业单位众多,在日常生活中经常需要使用热水系统。这为空气源热泵热水系统的使用提供了广阔的应用市场。     1 空气源热泵热水系统工作原理与特点     空气源热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。热泵机组主要分3个能量变化阶段进行工作:第一阶段,提取低位热能阶段。机组中的液态制冷剂在蒸发器中与低位热源(空气)进行热交换,吸收热量蒸发成气体;第二阶段,低位热能向高位热能转换阶段。经过压缩机压缩,蒸发的气体被转变成高温、高压的气体,进入冷凝器;第三阶段,高位热能输出阶段。机组的高温、高压的制冷剂进入冷凝器冷凝,放出热量,并与需要加热的水进行热交换,从而达到升温的目的。反映其效率的指标为:     制热能效比COP=制热量/制热消耗功率=1+ε,其效率>1。一般年平均COP可达到3.0左右,甚至更高。     空气能是一种广泛存在、平等给予和可自由利用的低价位能源,利用热泵循环提高其能源品位,因而是一项极具开发和应用潜力的节能、环保新技术,具有实用价值。     进入新世纪,能源问题再次成为社会大众关注的热点。专家指出,努力发展新兴替代能源,建立能源的多元化格局,是保证我国经济安全的一项重要措施。而空气源热泵热水系统采用的技术是全世界备受关注的新节能技术,也是目前世界上继燃煤、燃油锅炉、电热水器、燃气热水器、太阳能热水器之后节能、安全、环保的热水方式之一。在国外发达国家已经普及应用,在我国目前发展势头看好。其特点是:     1)省钱。由于其耗电量只有等量电热水器的1/3左右,即相当于使用同样多的热水,使用空气源热泵热水系统,电费只需电加热的1/3,每年可以节约大量的电费。     2)绿色环保。燃气热水器通过燃烧可燃气体加热热水,同时会排放大量的二氧化碳等有害废气;空气源热泵热水系统只是将周围空气中的热量转移到水中,完全做到零排放,对环境几乎不产生影响,是真正的环保热水器。     3)具有很好安全性。结构上水电完全分离,相对燃气热水器来讲,没有燃气泄露,或一氧化碳中毒之类的安全隐患,因而具有更卓越的安全性能。     2 空气源热泵热水系统的应用分析     2.1 工程概述     本工程位于苏州市,项目名称为苏州国际教育园某职业技术学院一幢宿舍楼空气源热泵热水系统工程,宿舍350人,每人用水60 L,热泵、水箱等设备均放在楼顶层,用热水温度:55℃。     2.2 设计范围与原则     设计范围:宿舍热水供应,热水水温55℃,本方案设计范围为屋面热泵主机、水箱、水泵等热水系统部分。室内冷、热水管网及淋浴龙头不在本次设计范围内。设备选用原则:考虑经济、节能、环保等要求,宜采用空气源热泵机组供应热水,保证用水温度及用水量,最大程度节能。     2.3 设计依据     《GB50015-2003建筑给水排水设计规范》;     《GB50189-2005公共建筑节能设计标准》;     《实用供热空调设计手册》(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008;     《全国民用建筑工程设计技术措施》(暖通空调人动力分册);     《GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范》。     2.4 设计资料     室外条件:     夏季:34℃,64%RH;冬季:-4℃,75%RH。     设计温度标准:     进水温度:按平均温度10℃设计;     出水温度:按平均温度55℃计算。     热水用量计算:     根据《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2003第五章第一节<热水用水定额、水温和水质>中的热水用水定额国家标准为依据,平均按60 L/人.次计算,每天用水量为60 L/人×350人=21 t热水。     2.5 耗能经济性分析     条件:将21 t水从平均温度10℃加热至平均55℃为例,环境温度为常温状态。     需要提供的热量:Q=CM△T= 1 kcal/(kg·℃)×21 t×(55-10)℃=945 000 kcal。     在苏州地区,空气源热泵机组制热水的年平均能效比约为3.0,冬季约有60天需电辅加热器(热效率95%)进行加热,则正常情况下空气源热泵机组热值为(860 kcal/度)×热效率(300%)=2 580 kcal/度。系统每天制21 t热水,则每年耗电费:     日耗电量为:945 000 kcal÷2 580 kcal/度=366度/d;     日耗电费为:366度×0.8元/度=293元;     年耗电费为:293×30 d×9个月=7.9万元;     冬季电辅电费:21×(55-30)×1 000÷(860×0.95)×60×0.8=3.1万元/年;     则年耗电量合计:7.9万元/年+3.1万元/年=11.0万元/年。     若采用电加热器热水系统:     电加热器热值为(860 kcal/度)×热效率(95%) =817 kcal/度。系统每天制21 t热水,则每年耗电费:     日耗电量为:945 000 kcal÷817 kcal/度=1 157度/d;     日耗电费为:1 157度×0.8元/度=926元;     年耗电费为:926×30 d×9个月=25.0万元。     由上面计算可知:空气源热泵机组加电辅加热器热水系统年运行费用为电加热器热水系统的年运行费用的44% ,节能效果明显,是一种高效节能环保的热水系统。     3 空气源热泵热水系统研究进展     国内外学者对空气源热泵热水系统进行了大量的研究,旨在进一步提高系统的运行性能。研究方向有高效压缩机的设计与选型、太阳能辅助加热空气源热泵机组、工质替代、结除霜机理与控制技术、结垢的处理等方面。归纳起来主要有三个方面:     一是采用变频系统,低温工况下让压缩机高速工作增加工质循环量,同时向压缩机工作腔喷液以防止其过热,从而使热泵机组能够正常运行;二是依靠外界辅助热源来提高热泵低温制热性能,比如通过电加热提高热泵制热出水温度、采用燃烧器辅助加热室外换热器、在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加低温条件下制热运行出力等等。太阳能辅助加热空气源热泵机组也是基于这种方式而产生的,在机组的蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时,高于环境温度的太阳能热水流经该辅助换热器,与将进入蒸发器的室外空气进行热量交换提高其温度,从而使制冷剂在相对较高的环境里蒸发吸热,提高了蒸发温度,改善了压缩机的工作状况;三是通过改善制冷剂循环系统来提高热泵的低温制热性能,比如采用双级压缩的空气源热泵,设中间补气回路的空气源热泵等。     4 空气源热泵热水系统急需要解决的问题     据研究资料表明,夏热冬冷地区冬季平均温度在-3~3℃之间,这些地区很适合使用空气源热泵热水系统。但这适宜空气源热泵热水系统应用的地区,普遍相对湿度比较大,一般都在75%以上,低温、高湿的环境使热泵热水机组极易结霜,而结霜对热泵热水机组的运行有很大的影响。当空气源热泵热水机组室外侧蒸发器表面温度低于露点温度,同时低于0℃时,蒸发器表面就会结霜。结霜会使蒸发器导热热阻增大,严重影响空气与制冷剂之间的换热,使蒸发器的换热量大大减少。另外,霜层还会堵塞蒸发器,使通过蒸发器的空气流量越来越小,最终完全堵塞蒸发器,严重影响空气源热泵热水机组的制热量,甚至由于制冷剂不能在蒸发器中蒸发而引起事故。目前解决的方法有空气除霜、电热除霜、热气除霜、水力除霜、四通阀换向逆向除霜等。普遍采用的除霜方式是四通阀换向逆向除霜方式,国内外的各种研究,大多也是围绕逆向除霜方式进行的。为了较大程度缩短除霜时间,避免四通阀换向除霜给制冷系统带来的冲击,消除“奔油”现象,有学者提出了显热除霜技术。显热除霜是指利用制冷系统压缩机排气管至电子膨胀阀前的旁通回路,将压缩机的高温高压排气直接引到电子膨胀阀前,再经过电子膨胀阀的等焓节流将压缩机排气引入空气换热器中,通过压缩机排气热量将空气换热器翅片外侧的霜层除掉,同时保证制冷剂在空气换热器中只进行显热交换而不进行冷凝,在除霜的过程中四通阀不需换向。除霜的热量来源为压缩机所做出的功和压缩机壳体的蓄热量两部分。为了验证显热除霜的效果,并与四通阀换向除霜进行比较,进行了两种除霜方式的对比试验。在同样外部环境、同样结霜程度下,图1、图2分别表示:采取四通阀换向除霜和显热除霜时壳管式换热器的进出水的温度变化曲线的对比。                    两种除霜方式的对比试验结果表明:在同样条件下(结霜程度相同)显热除霜方式与逆向除霜方式相比,除霜时间缩短了26·2%,小时供热率提高2%,冷媒水温度波动在5℃以内。     除了结霜问题,空气源热泵热水器换热器的结垢问题也比较突出,热泵热水器的出水温度通常可达到50℃~60℃,在这个温度范围内水是最易结垢的。如果不能定期清洗换热器,对于板式换热器而言,就会胀破;对于套管式换热器而言,其内管会破裂,从而导致整个热泵热水机组失去功能。问题的解决方案是采用直热式板式换热器,该换热器具有自净能力,一旦产生水垢,伴随着水介质的冷热交替,水垢会自动脱落,保证系统稳定运行。但是在热泵热水器行业,很多厂家还不了解这一解决方案,或是未掌握直热式板式换热器空气源热泵热水器的生产技术。     5 结语     空气源热泵机组加电辅加热器热水系统年运行费用比传统的电加热器热水系统优势明显,节能效果显著,是一种高效节能环保的热水系统,适合在夏热冬冷地区使用。     随着能源需求的日益紧张,“节能环保”显得尤为重要。只要我们不断地深入研究、妥善解决冬季室外机换热器结霜问题及室内侧换热器的结垢问题,空气源热泵热水系统作为制取热水的重要技术手段,值得大力推广,这将对国家的节能减排做出巨大的贡献。 参考文献: [1]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008. [2]中华人民共和国建设部.《建筑给水排水设计规范》第1版[S].北京:中国计划出版社,2003. [3]韩星,张旭.高湿地区空气源热泵除霜技术[C].制冷年会论文资料集. [4]蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1997. [5]张哲,田津津.空气源热泵机组蒸发器结构对其结霜特性影响的实验研究[J].暖通空调,2009,39(2). [6]张勇,刘群生,李云仓.热泵技术的发展与应用[J].能源工程,2001(4):32-35. 作者简介:杨胤保(1971-),男,苏州大学阳澄湖校区讲师、制冷工技师,中南大学硕士研究生。“中国制冷学会”会员。1993年毕业于长沙铁道学院机电工程系制冷及低温技术专业。现任教研室主任、专业主任、专业带头人。长期从事空调制冷专业的教学与研究。
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