多功能热泵冷热水机组（共6篇）
多功能热泵冷热水机组 篇1
摘要：以一台额定制冷 (热) 量为45 k W的部分热回收风冷热泵机组为平台, 研究和分析了样机在名义制冷、名义制热工况, 在保持使用侧和热回收侧水流量不变条件下, 开启热回收功能后得到出水温度为45℃和50℃热水时样机的运行参数和性能变化规律。结果表明, 在名义制冷工况45℃和50℃热水出水温度时, 样机制冷性能系数 (COP) 比无热回收分别变化-10.55%1.09%和3.64%12.73%, 热回收综合制冷COP分别达到3.383.69和2.983.15, 出水温度由45℃升高到50℃且分别采用单双风机冷凝时, 样机制冷COP下降2.44%4.68%;在名义制热工况热水45℃和50℃出水温度时, 样机制热COP比无热回收降低10.96%21.58%, 50℃出水时制热COP比45℃出水时升高4.42%, 热回收综合制热COP分别达到了3.28和3.09。
关键词：部分热回收,风冷热泵,名义工况,运行参数,性能系数
节约能源、环境保护和可持续发展等课题的创新研究已成为当今社会和能源界的重要难题。目前各国能源利用水平不同, 有43%~70%的能源主要以废热的形式丢失, 而空调机组冷凝热在废热中占有很大比例[1]。夏季空调系统冷凝热一般直接排放到大气中未加利用, 通常可达到制冷量的1.15~1.3倍, 不仅造成较大的能源浪费, 而且这些热量的排放又会使周围的环境温度升高, 加剧环境大气的温室效应。另一方面, 随着人们生活水平的提高, 人们对室内空气环境和品质的要求也越来越高, 人们除了要求室内有空调和采暖外, 全年每日都要有热水供应。我国是能源大国, 建筑能耗约占整个社会能耗的1/3, 其中生活热水一项就占整个建筑能耗的10%~30%, 折算下来热水的能耗约占社会总能耗的3%~10%, 生活热水能耗将成为继空调能耗之后的第二大能耗大户。
空调和热水系统已普遍应用于公共建筑和住宅, 热回收风冷热泵冷热水机组是基于上述背景而兴起的一种高效节能机组。机组夏季将制冷时排放到大气中的冷凝热回收用于加热生活热水, 不仅能节省原本用于烧热水所需的能源, 而且也避免了冷凝热排放到空气中的热污染以及锅炉燃烧产生CO2造成的温室效应。与水冷式机组相比, 省去了冷却水系统、冷却塔、冷冻机房等投入, 无水冷式机组自来水常见的蒸发损失、漂水损失、排污损失、启用时系统冲洗损失、化学清洗稀释损失等[2], 因此特别适用于缺水地区。在冬季, 在满足室内采暖的前提下, 利用部分压缩机高温排气来制取热水, 可完全取代燃气或燃油热水锅炉, 无锅炉房及设备投资, 无相应的燃料供应系统, 无烟气和冷却水, 消除了锅炉房存在的爆炸、火灾、粉尘以及氮硫氧化物排放等不利因素。
新加坡南洋理工大学的Ying W M[3]针对家用空调器回收利用冷凝热量来生产热水进行了实验研究, 国外对于大型空调制冷机冷凝热回收的研究已经比较完善, 目前已有相关产品的应用。中国科技大学[4]研制了可实现单独制热水、制冷兼热水、供暖三种运行模式的空调-热水器一体机。哈尔滨工业大学江辉民等人[5]提出家用空调器采用双冷凝器热回收系统。目前, 国内的研究工作比较集中于小型家用空调机组改造, 而对风冷热泵等空调机组冷凝热回收的研究工作报道不多[6];对空调废热回收的研究也主要集中于“单冷+供生活热水”运行模式, 对“供暖+供生活热水”模式的研究工作报道很少, 尤其是实验研究也很少。本文以部分热回收风冷热泵冷热水样机为平台, 给出样机在名义制冷、名义制热两种工况下机组运行参数和性能变化, 为热回收机组的开发和优化提供实验数据, 为带热回收功能的风冷热泵技术的发展提供参考性建议。
1 系统热回收节能原理
部分热回收风冷热泵机组具有制冷、供暖和制取生活热水三种功能, 夏季机组在制冷的同时利用压缩机高温排气生产生活热水, 能同时制冷和提供生活热水;冬季机组切换为热泵运行模式, 从大气中吸收热能并通过热泵循环供暖和提供生活热水, 从而实现制冷、采暖、生活热水一机三用的需求。机组夏季制冷时热力学原理如图1所示[7]。
0'-2'-3'-4'曲线为制冷剂的理论循环流程, 0-1a-1b-1-2-2a-3-4-4a-5-0曲线为制冷的实际制冷循环流程, 该曲线所围成区域的面积与输入功率Pin成正比, 8-2a-3-4-4a-5-8曲线所围成区域的面积与冷凝热Qk成正比。5-0过程表示蒸发器从低温热源中吸收热量Q0, 2a-3-4-4a曲线代表冷凝器中制冷工质向高温热源放出冷凝热Qk的过程, 机组制冷时Qk是需要释放的冷凝热, 而在机组供暖时冷凝热Qk为机组的供热量。
传统风冷热泵机组正常运行时, 由热力学第一定律公式Qk=Q0+Pin推导可得, 机组的冷凝热量Qk= (1+1/COP) Q0。其中Qk为制冷剂通过机组冷凝器时放出的热量;Q0为制冷剂在机组蒸发器中吸收的热量;Pin为压缩机吸收并压缩制冷剂的耗功。常见冷水机组的COP为4.5~6.0, 冷凝排热量为制冷量的116%~125%, 因此热回收技术在空调节能方面的效果是相当可观的, 而且机组夏季运行时产生的热水是完全免费的。在加入热回收装置后, 热力学第一定律公式转化为Qk'+QR=Q0'+Pin', 其中Qk'、Q0'、Pin'分别为机组增加热回收装置后主冷凝器释放的冷凝热量、蒸发器吸收的热量及压缩机耗功, QR为冷凝热回收量。如图1中所示, 传统模式中冷凝器的冷凝负荷为Qk=h2a-h4a, 增加热回收装置后热回收器承担的冷凝负荷为QR=h2a-hx, 主冷凝器承担的冷凝负荷为Qk'=hx-h4a, 可以说制冷剂的冷凝焓降得到了重新分配。
2 系统组成及实验方案
该基于回收冷凝热量来生产热水原理搭建的风冷热泵部分热回收样机由两个单独的循环系统组成, 每个循环系统均由风冷热泵部分与热回收部分组成。整套机组包括水侧壳管式换热器、压缩机、气液分离器、风冷翅片式换热器、壳管式热回收器、双向热力膨胀阀等。壳管式换热器及热回收换热器内均有两条单独的制冷剂回路, 分别与各自循环对应的压缩机、气液分离器等匹配运行。样机采用双冷凝器形式, 压缩机与冷凝器之间串联一个热回收器, 剩余冷凝热量通过其他冷凝换热设备吸收或释放, 以达到制冷剂完全冷凝的目的。单系统热回收风冷热泵样机工作流程详见图2。
1为水侧壳管式换热器;2为四通换向阀;3为气液分离器;4为低压开关;5为压缩机;6为高压开关;7为电磁阀2;8为电磁阀1;9为壳管式热回收器;10为风冷翅片式换热器;11为螺旋风扇;12为过滤器1;13为过滤器2;14为双向热力膨胀阀;15为空调水泵;16为热水泵;17为恒温水箱
样机同时具备制冷、制热、制冷兼制热水、制热兼制热水四种模式, 模式的切换由电磁阀和四通阀控制, 制冷剂流向如图2中箭头所示。当电磁阀1关闭, 电磁阀2开启时, 其中1-2-3-5-7-2-10-14-1流向表示样机在单制冷模式运行, 10-2-3-5-7-2-1-14-10流向表示样机转换为单制热模式;当电磁阀1开启, 电磁阀2关闭时, 1-2-3-5-8-9-2-10-14-1流向表示样机在串联制冷热回收模式运行, 10-2-3-5-8-9-2-1-14-10流向则表示样机处于串联制热热回收模式。样机在热回收模式运行时, 定量的水经水泵增压后送入热回收器, 并于热回收器内与高温制冷剂蒸汽换热, 利用压缩机高温排气得到初步加热;加热后的热水返回恒温水箱, 未达温度的水继续送入热回收器内循环加热, 最终达到所需的出水温度。
为确保系统安全可靠运行, 样机在压缩机前后安装有高低压保护开关和排气温度保护装置以及相应测控装置。热回收器采用逆流式, 增压后的水在热回收器内与制冷剂热交换后进入恒温水箱。样机主要配置见表1。整机实物图详见图3。
实验室参照国标GB/T 17758—1999规定建造的焓差法实验室, 空气侧采用焓差法, 水侧采用水量热计法测量。实验方案参考国标GB/T18430.1—2007蒸气压缩循环冷水 (热泵) 机组工商用和类似用途的冷水 (热泵) 机组, 样机具体实验工况列于表2、表3。
3 实验测试装置
实验装置主要由风冷热泵循环系统、水路循环系统、环境模拟室、数据采集系统四部分组成。样机在环境模拟实验室内实验, 其模拟环境温度范围为-10~55℃, 测试能力见表4。
根据实验测试需求, 管路中安置了相应的数据测点。铜-康铜热电偶用于测量制冷剂温度;铂电偶测量使用侧及回收侧的水流温度;热电偶温度数据及其他温度测量均可由多路温度记录仪自动采集。电磁流量计和温度测量取样器分别测量水流量和空气干湿球温度, 采用压力传感器测量管路测点压力, 并将压力信号转换成电流信号引入到数据采集系统, 实现计算机自动数据采集。系统主要测量数据包括:节流前后温度、吸排气压力温度、室外进出水温度、热回收进出水温度、室外进风干湿球温度、使用侧及热回收侧水流量等。
4 性能测试及结果分析
带部分热回收功能的热泵冷热水机组的功能与常规热泵系统有所不同, 常规衡量空调系统性能的参数为COP, 即制冷 (热) 量与压缩机功率的比值。
增加热回收装置之后, 机组能量利用增加了加热热水部分, 并增加了风机功率。因此本文对样机的性能系数做如下定义。
⑴样机性能系数COPA。
⑵热水性能系数COPR。
⑶综合性能系数COPW。
在无热回收功能时, COP和COPA相等, PO为风机运行功率。
4.1 名义制冷工况下样机性能分析
据实验方案所述, 样机在名义制冷工况实验, 使用侧流量为风冷热泵机组标准工况水流量, 即0.172 m3/ (k W·h) 。样机保证热回收侧水量不变, 开启单双风机冷凝使得热回收出水温度分别稳定在45℃、50℃要求范围内, 机组测得数据详见表5。
注:差异百分比= (开启热回收功能样机运行参数-关闭热回收功能样机运行参数) ÷关闭热回收功能样机运行参数×100%。
如图4所示, 在45℃和50℃出水时, 节流后温度稳定在6.8~6.9℃范围, 节流前温度分别上升2.80℃, 上升6.09%~6.47%, 平均值为6.28%。吸气温度和压力随冷凝风机的减少而增加, 在45℃出水时排气压力上升156.00 k Pa, 排气温度上升10.30℃, 50℃出水时排气压力上升159.00 k Pa, 排气温度上升8.4℃, 排气压力和温度分别上升8.70%~9.50%和10.36%~15.06%, 平均值分别为9.10%和12.71%;与45℃出水相比, 机组在50℃出水采用双风机冷凝时, 吸气温度由7.00℃上升到9.20℃, 而采用单风机冷凝时吸气温度则由11.00℃上升到14.50℃, 吸气温度变化较为明显, 上升31.43%~31.82%, 平均值为31.63%, 排气温度则有小幅的升高, 上升3.05%~5.85%, 平均值为4.45%。节流前后的温度基本无变化, 而吸排气压力则稍有升高。
如图5所示, 制冷量随冷凝风机台数的减少而下降, 在45℃出水时, 机组制冷量相应减少2.55k W, 降低了11.47%, B、C两种工况的制冷量比无热回收时减少了4.10%~15.09%, 平均值为9.60%。在50℃出水时, 机组制冷量减少2.27k W, 降低了10.51%, D、E工况比无热回收时减少了6.86%~16.65%, 平均值为11.76%, 机组制冷性能变化较为明显;制冷量随出口水温升高稍有降低, 当机组出水温度由45℃升高至50℃时, 采用单双风机冷凝时的制冷量分别降低0.30 k W和0.64k W, 下降约1.52%~2.88%, 平均值为2.20%, 这主要是当流经换热器的水流量一定时, 压缩机出口制冷剂温度有所提高, 同时压缩机排气压力升高导致排气量下降, 样机制冷量下降。
热回收量随冷凝风机台数的减少有明显增长, 如图5所示, 热回收量相应增加5.03 k W和3.34k W, 升高了51.17%~55.30%, 平均值为53.24%;机组总功率有小幅度降低, 基本稳定在8 k W左右, 这是由于机组通过减少冷凝风机台数来增加热回收量, 风机功耗有所减少。另一方面, 随着风机台数减少, 压缩机出口制冷剂温度和排气压力有所提高, 压缩机输入功率增加;随着出水温度的升高, 主冷凝器环境温度不变, 对数温差增大, 主冷凝器侧换热量增大, 系统冷凝排放热量有微弱的减少, 热回收侧回收热量减少, 当机组出水温度由45℃升高至50℃时, 热回收量分别降低3.79 k W和2.10 k W, 下降约38.56%~43.75%, 平均值为41.16%;冷凝温度随着出水温度的升高而升高, 压缩机排气温度升高, 系统压缩机功耗稍有增加。
如图6所示, 机组制冷COPA随冷凝风机台数的减少而大幅降低, 在45℃出水时, 机组COPA由2.78变化到2.46, 降低了11.51%, 与无热回收时COPA为2.75相比, 变化-10.55%~1.09%, 平均值为-4.73%。在50℃出水时, 机组的制冷COPA由2.65变化到2.40, 降低了9.43%, 比无热回收时COPA降低了3.64%~12.73%, 平均值为8.19%;当机组出水温度由45℃升高至50℃且分别采用单双风机冷凝时, COPA下降0.06和0.13, 降低了2.44%~4.68%, 平均值为3.56%。热回收出水温度越高, 排气饱和温度也越高, 导致制冷量大幅度降低, 机组制冷COPA也相应减少。
机组COPW随冷凝风机台数的减少而增加, 如图6所示, 在45℃出水时机组综合COPW由3.38变化到3.69, 升高约9.17%, 而在50℃出水时COPW由2.98变化到3.15, 升高约5.70%, 这是因为排气压力上升而增加的压缩机输入功率与冷凝风机运转减少的功率相抵消, 机组制冷量只稍有下降, 同时因回收冷凝热量的引入, 综合性能系数明显上升;机组综合COPW随出水温度的升高而显著降低, 当机组出水温度由45℃升高至50℃时, 采用单双风机冷凝时机组综合COPW分别下降0.54和0.40, 降低约11.83%~14.63%, 平均值为13.13%, 出水温度的变化对COPW的影响较为明显。
4.2 名义制热工况下样机性能分析
样机在出水温度分别稳定在45℃、50℃要求范围的名义制热工况实验, 机组测得数据详见表6。
如图7所示, 出水温度由45℃升高到50℃, 节流后温度稳定在8.6~8.7℃温度范围, 与无热回收时相比相应上升14.67%~16.00%, 平均值为15.33%;节流前温度有小幅度上升, 比无热回收时上升6.11%~6.85%, 平均值为6.48%;出水温度由45℃升高到50℃时, 吸排气压力和温度均有所升高, 吸气压力与无热回收时相比则降低了10.05%~11.08%, 而吸气温度相对升高57.14%~242.86%, 吸气温度变化十分明显。
注:差异百分比= (开启热回收功能样机运行参数-关闭热回收功能样机运行参数) ÷关闭热回收功能样机运行参数×100%。
由图8可知, 出水温度由45℃升高至50℃, 热回收器回收冷凝热量逐渐减少, 而壳管式换热器得热量逐渐增加, 因此机组的制热性能系数COPA随出水温度的升高而逐渐增大, 50℃出水与45℃出水时COPA提高4.42%, 但两者与无热回收时相比, COPA均有所下降;生活热水制热效率COPR在冬季比较低, 当热水出水温度为50℃时, 热水性能系数只有0.49, 比45℃时的0.79降低了0.3, 即下降10%~15%, 而且COPR会随着出水温度的升高继续降低, 出水温度的变化对机组COPR的影响较为明显, 制备热水的温度要超过55℃将有一定的困难;机组综合性能系数COPW随热水出水温度的增加而有所减少, 但由于回收热量的引入, 热回收综合COPW将远高于制热COPA。热回收综合COPW分别达到了3.28和3.09。
5 结论
通过对部分热回收风冷热泵机组进行的制冷/制热性能实验, 得出以下结论:
(1) 在名义制冷工况下, 随着冷凝风机台数的减少, 样机的吸排气温度和压力有所增加, 样机制冷量和能效比COPA有所下降, 但热回收量随冷凝风机台数的减少有明显增长, 综合能效比COPW大大提高随着热回收出水温度的升高, 节流前后的温度基本无变化, 吸气温度变化明显, 排气温度有小幅升高, 压缩机吸排气压力稍有升高, 制冷量稍有降低, 而回收侧回收热量明显减少, 样机综合COPW显著降低。
(2) 名义制冷工况45℃和50℃热水出水时, 样机制冷COPA比无热回收变化-10.55%~1.09%和3.64%~12.73%, 热回收综合COPW分别达到3.38~3.69和2.98~3.15;出水温度由45℃升高到50℃且分别采用单双风机冷凝时, 样机COPA下降2.44%~4.68%;样机在名义制冷工况的COPA均达到GB19577—2004《冷水机组能效限定值及能效等级》中当额定制冷量≤50 k W时, COP≥2.4的5级能效标准。
(3) 名义制热工况, 出水温度由45℃升高到50℃时, 节流后温度较为稳定, 节流前温度有小幅上升, 与无热回收时相比均有提升, 吸排气压力和温度有所升高, 吸气温度和压力变化较为显著;45℃和50℃出水时, 样机制热COPA比无热回收降10.96%~21.58%, 50℃出水时COPA比45℃时提升4.42%, 但制热水的效率COPR下降明显, 样机COPW有所下降, 热回收综合COPW分别达到3.28和3.09。但由于回收热量的引入, 热回收综合COPW远高于制热COPA。
参考文献
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多功能热泵冷热水机组 篇2
1、压缩机电机改无刷直流电机，已有格力、美的家用小型分体空调机等品牌产品在应用。目前中央空调用压缩机电机均为交流电机，该项技术可以使压缩机节能20～30%。
2、热泵机组系统结构改进，预计该项技术可以使系统节能在5%以内。
3、电子膨胀阀的应用：通过降低压缩机回气过热度来提高效率，已在市场上较大范围推广应用，该项技术可以使机组节能3～5%。
4、碳氢制冷剂的应用，说明见附件：R433b制冷剂考察报告。已在市场小范围推广应用，该项技术可以使压缩机节能20～30%。
5、空调系统管道保温新技术，预计该项技术可以使系统节能在10～15%以内，市场上已有双层管聚氨酯整体发泡技术和产品已经在推广应用。
6、系统控制的改进，预计该项技术可以使系统节能在5%以内。
7、膨胀机的应用：将现节流膨胀损失的动能转化为电能输出，该项技术可以使机组节能30～50%以上，国外已经有大型机组在实验，预测10年内能推广应用。
8、磁浮电机压缩机的研发，目前美的已有试验样机测试，该项技术可以使压缩机节能20～30%。
综上所述，5～10年内应有平均能效比在6以上的空气源热泵机组出现，即消耗1份能量，可以得到相当于6份能量的热量或冷量。
目前空气源热泵机组整机国标一级能效比系数为2.8，地源热泵的能效比在某4～5的范围。
多功能热泵冷热水机组 篇3
关键词：空气源,热泵,节能环保
空气源热泵热水机组自20世纪40年代发明至今, 其技术已日趋完善, 空气源热泵热水机组是当今世界上最节能的供热水设备之一, 它是利用吸取空气中的热量, 制取55℃~60℃ (最高可达65℃) 的高品质生活热水。
1 工作原理
空气源热泵热水器 (机组) 是运用逆卡诺循环原理, 通过热泵做功使热媒 (冷媒) 产生物理相变 (液态-气态-液态) 利用往复循环相变过程中不间断吸热与放热的特性, 由吸热装置 (蒸发器) 吸取低温热源空气中的热量, 通过专用热水交换器 (冷凝器) 向冷水中不断放热, 使水逐渐升温, 达到制热水的目的。制热过程中的电热能量转换效率最高可达450%以上。热泵只需要消耗一小部分的电能满足空气压缩机和风机等设备做功, 就可将处于低温环境空气中的热量转移到高温环境下的热水。空气源热泵热水器一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、单向阀、电磁阀、冷凝压力调节水阀、储水箱等几部分组成。
2 高效节能
空气源热泵热水机组能把空气中的低温热能吸收进来, 经过压缩机压缩后转化为高温热能, 加热水温。这种热水器具有高效节能的特点, 其耗电量是同等容量电热水器的1/4, 是燃气热水器的1/3, 常规太阳能的1/1.5。空气能是一种广泛存在, 可自由利用的低价位能源, 利用热泵循环提高其能源品质, 因此是一项极具开发和应用潜力的节能、环保新技术, 具有很高的实用价值。其高效节能由工作原理可知, 热泵机组能从周围空气获取大量的免费热量, 一般情况下, 每消耗1度电大约能产生3度~4度电以上的热量。机组的能效比 (COP) 平均可达3~4以上, 相当于热效率超过300%~400%。
3 经济耐用
由于效率高运行费用低, 是电锅炉的1/3~1/4还少, 而且可以大大降低供电负荷, 节约电力增容费。跟燃气燃油锅炉比较, 无需相应的燃料供应系统, 因此无需燃料输送费用和管理费用。设备紧凑, 操作、维护简单, 无需人工管理费用。机组安装在室外, 比如裙楼或顶层屋面、敞开的阳台等处, 无需设立专门的设备房, 不占用有效的建筑面积, 节省土建投资。运行可靠, 使用寿命长。外壳采用镜面不锈钢, 高雅美观, 经久耐用, 不易生锈。空气源热泵热水机组加热时间短, 水电完全分离, 无触电危险;无废烟、废气排出, 因而无中毒危险;同时也克服了太阳能热水器阴雨天不能工作的缺点。空气源热泵热水机组的初期投资是煤气、天然气、电热水器的3倍~5倍, 但由于它特殊的节能效果, 一般会在一年半以内通过节能方式将成本收回, 锅炉等其它供热方式一般使用寿命只有五年, 而热泵机组的使用寿命可长达15年。
4 特点
1) 设计先进
通过计算机仿真测试实验室, 模拟各种恶劣环境的运行, 调试评估出机组系统的最优化配置方案及机组最合理的COP值。运用现代计算机仿真技术结合设计风道系统, 有效减少高频噪音。
2) 智能控制
强大的微电脑控制功能, 彻底解决系统运行的安全问题, 能够智能化的向终端用户提供连续、稳定的卫生热水。
3) 高效节能的制热系统
空气能热泵是以空气作为能源来源的, 受环境影响很小。采用全新高效制热系统, 优化的系统设计, 运行平稳, 系统稳定, 综合效能比达到3.6-6。
4) 高端配置
电子膨胀阀本身具有很大的调节能力, 从而更保证了更强的节流能力;管翅片热交换器采用内螺纹铜管, 翅片采用亲水铝箔, 具有高效的热交换性能, 从而增大其换热量;机组冷凝器采用进口高效优质的螺旋铜管制作, 换热能力充足, 能效比更高;拥有专利的融霜控制技术, 保证机组具有良好的制热性能, 除霜更快更彻底;确保机组能够稳定运行。
5) 低温运行
能在恶劣天气下使用, 机组具有智能化霜功能, 但是一般适用于最低温度在-20℃以上的地区
6) 全方位保护
机组有全方位的保护系统、各种参数查询、故障查询、系统参数查询等功能, 动行安全可靠、方便, 真正做到无需人员值守, 节省开支。
7) 绿色环保
因不使用燃气所以不会产生废气, 不会破坏臭氧层。同时COP至少为3以上, 比电热水器节省2/3甚至3/4电费, 比燃气热水器及太阳能热水器年辅助加热节省1/2甚至2/3费用。而每减少消耗一度电量, 可以减少发电时的1.5磅的二氧化碳产生, 也就可以减少对大气层破坏。同时空气源热泵抽取空气中的热量制热后, 排出的是冷风, 有利于改善环境温度, 降低温室效应。属于高效节能产品, 符合我国能源产业和环境保护政策。
5 优势
1) 从投资方面:如达到相同供水效果, 资金投入热泵热水机组比常规太阳能产品少, 并且可以使用经济电能, 在用电低谷时制热水储备;
2) 从使用方面:常规太阳能产品受天气影响明显, 阴雨天、下雪天、夜晚就不能工作, 而热泵热水机组不管阴天、雨天、下雪天、夜晚或阳光明媚都能照常工作, 全天候提供热水;
3) 从运行成本方面, 常规太阳能在太阳直射下, 几乎零成本运行, 可惜在阴雨雪天或夜晚只能依靠辅助系统工作, 统计数据显示, 正常使用时, 常规太阳能辅助系统全年耗电能比热泵机组全年总耗电能要高;
4) 其它功能方面:热泵机组使用不受地点限制, 可以摆放在任何地方, 而且占地空间很小, 而常规太阳能要达到同等供热效果则需占用很大空间, 还必须露天摆放;热泵机组在制热水的同时可产生冷气, 可用于除湿、降温及空气滤清等辅助功能。
6 结论
随着能源需求日益紧张, 节能减排、低碳环保显得尤为重要。空气源热泵热水器作为新型的节能设备, 不仅能改善国家电网的供电压力, 也能为用户节省大量的运行管理费用, 所以该系统值得我们不断地深入研究、完善和推广, 为国家的节能减排做出贡献。
参考文献
[1]陈耀庆.实用供热空调手册.
[2]建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范 (GB50243-2002) .
多功能热泵冷热水机组 篇4
港区供热主要包括采暖、生活热水两大部分。长江以北广大的寒冷地区, 基本上是以设置区域锅炉房为主, 以燃煤锅炉居多。长江流域附近, 条件好的港区集中供暖, 采用区域锅炉, 燃煤锅炉居多。因为全年供暖时间不长, 也有采用电锅炉、燃气、燃油锅炉的;条件稍差的, 不考虑集中供暖, 以辅助电加热热泵空调提供冬季取暖, 生活热水则由电加热器、太阳能热水器、锅炉等来提供。长江以南广大地区, 港区不需要采暖, 以浴室用热水为主, 港区大多采用电热水器或太阳能热水器。冬季极端低温条件时采用辅助电加热热泵空调取暖。
虽然上述供热方式可基本解决供热问题, 但也存在着不足。燃煤锅炉使用成本低, 港区供热采用燃煤锅炉较多, 但由于燃煤锅炉污染较大, 热效率低, 能源浪费现象严重, 故越来越多的地区已禁止使用燃煤锅炉, 要求使用轻质燃料锅炉。但轻质燃料的价格不断高涨, 运行费用难以承受, 且偏远地区港区没有管道输送的轻质燃料。电热水器没有污染, 但供热速度慢, 热效率低, 经济性欠佳。太阳能作为一种新兴节能产品, 值得推广, 但受气候条件影响大、供热速度慢, 难以满足人数较多、供热集中度较高的需要。
因此, 本文着重探讨一种新兴的、节能环保安全的港区供热方式——空气源热泵热水机组供热系统。
2 空气源热泵热水机组在港区的应用
空气源热泵热水机组的产品类型大体上分为两类:第一种是小型, 一般为家用, 提供热水量较少, 水箱有效容积大致为几百升。这种型式是把热泵的蒸发器和冷凝器分开设计, 冷凝器和热水储水箱置于室内, 蒸发器置于室外。第二种是大型, 一般为商用, 使用人数多, 提供热水量较大, 可从几百升每小时到几吨每小时。这种大型机组是把蒸发器和冷凝器整体设计在一个机体内, 再配备一个专用保温热水储水箱, 可置于室外或室内, 置于室外的较多见。
港区生活辅助建筑的特点是体量小、分散。港区供热, 特别是散货港区, 主要是为生产作业人员提供浴室热水, 为方便工人冲洗, 浴室一般分三班开放。它的供热特点是一次供热量较大, 一次供热时间较短。
例如, 一个定员200人、最大班100人的散货港区, 一次淋浴最大热水量 (40℃) 为:100×80%×60=4.8m3, 日最大用水量 (40℃) 为:200×80%×60=9.6m3。如设置太阳能热水器和10m3的热水箱, 根据实际经验和估算, 太阳能热水器最小占地约650m2, 把10 m3的水从10℃加热至55℃, 在有阳光的一般气候条件下, 大约需要5h。如设置25HP空气源热泵热水机组, 空气源热泵供热系统占地约70m2, 加热时间大约为3h。
因此, 对于北方寒冷地区的供暖, 冬季采用区域燃煤、燃气或电锅炉提供采暖热水和浴室热水;夏季采用空气源热泵热水机组提供浴室热水。尽可能不使用效率低的锅炉, 尽可能多使用效率高的热泵产品, 更有利于节能减排。
对于长江沿线和以南的广大地区, 全年室外温度范围在-10～40℃, 完全可以一年四季全天候使用热泵, 不受阴、雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚的影响。空气源热泵热水机组比地源热泵、水源热泵一次投资小, 安装更便捷, 使用更经济, 管理更方便。
3 工程实例
以下介绍南京某港散货作业区职工浴室的供热设计方案。
南京地区冬季极端最低温度平均值为-8.6℃, 日平均温度≤5℃期间内的平均温度为3.2℃, 天数为83d。热泵运行的最低温度可以达到-10℃。因此, 在南京冬季使用空气源热泵提供热水是可行的。为保证气温下降产热量衰减或极端低温时的热水供应, 考虑辅助电加热。
3.1 水量计算
港区总定员244人, 生产作业人员200人, 最大班110人, 3班作业。为便于工人下班淋浴, 浴室开放与3班作业同步, 一天开放3次, 每次开放约1h。水量的计算可以按定员计算和按卫生器具计算, 取其大者。根据《建筑给水排水设计规范》表5.1.1-1热水用水定额和表5.1.1-2卫生器具的热水用水定额, 分别计算浴室用水量, 取其大者为60℃的热水需要6.6m3/次。
空气源热泵的出水温度为55℃, 将60℃的水量换算成55℃的水量, 假设进水温度为10℃, 根据传热学基本定理计算, 则55℃的水量为:7.3m3/次, 22m3/d。
3.2 系统设计
浴室位于4层宿舍楼的一层, 考虑供热距离短、热损失少、占地少等因素, 决定将空气源热泵热水系统布置于宿舍的屋面。屋面面积为46×13=598m2, 除去楼梯占用面积, 可以满足空气源热泵热水系统的布置要求。
根据用水量, 使用时间间隔等因素, 采用20HP的空气源热泵热水机组2台和10m3热水箱1个。单台热泵机组的额定制热量71.6kW, 额定产水量1700L/h, 额定功率18.8kW, 最大功率25kW, 辅助电加热最大功率为75kW。浴室开放前提前1～2h运行热泵, 使水预热, 保证浴室用水。2台机组运行具有以下优点:
(1) 从一次投资上讲, 降低了初投入;
(2) 有利于降低单台机组的启动电流和功率;
(3) 如果1台机组出现问题, 另一台机组可继续运行, 不至于完全瘫痪。
热水箱选用内胆材料304钢, 外胆材料202钢, 中间50mm厚保温材料的不锈钢立式水箱, 美观大方, 占地少, 且一天降温只有5℃。为使热水箱中的水循环加热, 设置循环水泵3台, 2用1备。考虑热水结垢影响热交换效果, 设置反冲排污电子水处理仪, 既可方便地反向冲洗水过滤器, 又可有效地除垢防垢、杀菌灭藻, 提供合格的生活用热水。供热系统如图1所示。
3.3 控制方式
开机:2台热泵机组同时运行, 不考虑备用。如1台机组出现问题时, 另一台可单独运行。3台循环水泵2用1备, 任意1台水泵出现问题, 备用水泵投入运行。
开机顺序:循环水泵运行→热泵机组运行。停机相反。
开机运行可设置远距离人工手动按扭开机运行方式和温度或时间控制自动运行两种运行方式, 并且两种方式可随意选择, 方便使用和管理。
水温:水箱设置温度传感器, 水温低于50℃ (可调) 时, 循环水泵运行, 热泵机组运行;水温达到55℃ (可调) 时, 热泵机组停止, 循环水泵停止。
水位:水箱设置水位传感器, 低水位时, 电磁阀自动打开补水;高水位时, 电磁阀自动关闭停止进水。
4 结语
港区有着离水源近的特点, 随着热泵产品的不断推广, 相信港区供热不仅会越来越多地使用空气源热泵热水供热系统, 水源热泵热水系统也会越来越多地被广泛应用。
摘要：为了实现我国港区供热方式的优化, 提出使用空气源热泵热水机组提供洗浴用热水的设想。鉴于我国长江以北与以南地区的现有供热方式存在热效率低、能源浪费严重、运行费用高的问题, 指出该热泵系统投资小, 安装便捷, 使用经济, 管理方便。结合南京工程实例, 说明该热泵系统的热效率较高, 具有广泛使用的发展前景。
多功能热泵冷热水机组 篇5
一、项目简介
该项目拟采用水冷螺杆式冷水机组在夏季制取空调冷冻水,夏季运行时间按150天计算,每天运行24小时。生活热水全天24小时供应。
二、系统设计原理
1. 空调制冷机组热回收制取热水
一般的冷凝热回收装置可以回收全部显热和潜热或仅回收显热。一般显热回收时热回收效率低,仅为10% ~ 15%, 但是回收的热水温度较高,可达40℃ ~ 50℃ ; 而潜热回收时热回收效率高,为100% ,但其回收得到的热水温度较低, 一般在40℃以下。根据《给排水设计规范》,对于宾馆、酒店,其适宜的热水供水温度应控制在55℃ ~ 60℃。相关的研究表明,如回收的热水温度必须达到55℃以上的热水,则必须提高冷凝温度、显著降低水流量才可能达到,且热回收率很低。而提高冷凝温度将降低机组的能效比,增大制冷机组的耗电量。
2. 热泵机组工作制取热水
从制冷原理分析,对空调制冷机组进行合理的匹配设计并选择合适的部件设计的热泵机组,可以得到较高的出水温度,高能效比的机组在运行时必可显著降低机组的耗能以降低运行费用。
3. 制冷机组热回收与高温热泵联合 作用制取生活热水型式说明
可以采取如下的系统型式制取生活热水: 1空调制冷机组上安装显热回收冷凝器,回收全部显热,采取热水循环加热模式,免费制取45℃的热水。2将45℃的热水通过水泵送入热泵机组制取55℃热水。
联合作用制取热水的系统原理图见右图。
三、项目经济性分析
1. 项目主要设备选择
该项目的制冷机组选取2台制冷量为1225k W的带显热回收的水冷螺杆式冷水机组。其技术参数见表1。
同时选取2台制热量为45k W的热泵机组用于将45℃的热水升温至55℃ , 其技术参数见表2。
由于该项 目总制热 量要求为370k W,夏季城市自来水温度按照15℃计算,制冷机组热回收装置将自来水从15℃加热至45℃ ,热泵将45℃的热水加热至55℃。因此,热回收装置需要回收的热量为277. 5k W,热泵机组的制热量为90k W。
2. 运行经济性分析
由于空调制冷机组在夏季制冷季节必须开启,此时可以开启显热回收装置免费制取45℃的热水,然后开启热泵机组消耗少量的电制取55℃的热水,对比其他加热方式,其运行费用见表3。
制冷机组热回收与高温热泵联合作用制取生活热水系统原理图
备注: 运行工况: 冷冻水进出水温度为 12℃ /7℃ ,冷却水进出水温度为 32℃ /37℃ 。
备注: 1. 天然气热值按照 8000kcal / Nm3计算,热效率按照 95% 计算。 2. 制冷机组按照每天运行 24 小时,夏季按照运行 150 天计算。
从表3计算可知,采用带显热回收的冷水机组与热泵联合制取热水的方案与采用燃气锅炉的方案对比,每年可以节约运行费用45. 03万元。考虑到加装显热回收冷凝器、循环水泵、蓄热水箱、热泵等,需要增加初投资73. 5万元。其投资只需1. 63年即可收回。其效益是非常明显的。
四、总结
通过对比分析,虽然初投资会增加,但运行费用显著降低,且在第2年就可以收回投资。如按机组寿命周期25年计算,其节约的运行费用更加可观。
制冷机组上安装了热回收装置以后,可以减少冷凝热的排放,同时减少了能源的消耗,有利于环境的保护。
在制冷机组不运行的季节,可以利用2台热泵机组与其他加热源如燃气锅炉等加热设备联合制取生活热水; 但相比全部采用锅炉制热方案,锅炉的额定制热量可以减少,相对减少部分锅炉的初投资。
如项目需要更多的热量制取生活热水,可以在机组上安装全热回收装置回收全部冷凝热,其运行费用的节约将更为可观。
摘要：以某项目制取生活热水为例,对比分析采用燃气锅炉方案与空气源热泵与制冷机组热回收联合作用制取生活热水方案,从经济上与运行费用上比较,得出了采用空气源热泵与制冷机组联合制取生活热水的经济合理性。
多功能热泵冷热水机组 篇6
关键词：B/S结构,远程监控,空气源热泵
0 引言
空气源热泵热水器是一种利用冷媒从空气中吸收热量, 经过压缩机和冷凝器将热量转移到水中的热水器, 被称为继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器之后的“第四代热水器”。它具有节能、环保、健康和安全的特点, 可广泛应用于学校、医院、宾馆、小区和游泳池等场所。
目前, 空气源热泵热水器的机组主要采用由上位机和下位机组成的本地监控方式[1,2,3]。近年来, 随着计算机技术、网络技术和控制技术的发展, 通过网络对空气源热泵热水机组进行远程监控成为一种趋势。这样管理人员在任何时间和地点都可以了解、掌握远程空气源热泵热水机组的工作情况, 修改现场设备的运行参数, 实现对现场设备的远程监控。
1 远程监控系统的体系结构
传统的远程监控系统通常采用客户/服务器 (C/S) 结构。在C/S结构中, 客户机需要安装专用的客户端软件, 处理大部分的事物逻辑, 因此系统的升级和维护成本较高。随着Internet技术的发展, 软件的体系结构从客户/服务器结构向浏览器/服务器 (B/S) 结构演变。在B/S结构中, 客户端只需安装浏览器软件即可访问Web服务器, 服务器端实现大部分事物逻辑, 升级维护工作主要在服务器上进行, 因此系统具有良好的跨平台操作性和扩展性, 升级和维护成本也较低。
采用B/S结构设计空气源热泵热水机组的远程监控系统, 系统结构如图1所示。
整个系统由现场监控终端、监控中心和客户端组成。现场监控终端既可以对空气源热泵热水机组进行本地控制, 也可以执行远程操作控制命令, 同时将采集的现场工作参数通过TCP/IP协议传到监控中心监控中心由Web服务器和数据库服务器组成。Web服务器接到浏览器发送的请求后, 执行相应的应用程序并向数据库服务器提出数据操作请求, 数据库服务器执行数据处理后将结果返回给Web服务器, Web服务器再将结果通过HTTP协议返回到客户端浏览器。
2 系统实现方案
2.1 现场监控终端
空气源热泵热水机组的工作过程:低温低压的制冷剂气体被压缩机吸入压缩后变成高温高压的气体, 流经冷凝器, 放出热量变成中温高压的液体, 此时循环水吸收放出的热量, 达到升温的目的。制冷剂液体再依次流经高压储液罐、干燥过滤器、节流膨胀阀, 经节流降压后变为低温低压的气液混合物。低温低压的气液混合物在蒸发器中吸收空气的热量蒸发变为初始的低温低压的气体, 低温低压的气体流经气液分离器后被压缩机吸入, 如此循环往复。
现场监控终端由下位机PLC控制系统和上位机组成, 对空气源热泵热水机组的运行状态进行数据采集和控制, 硬件结构如图2所示。
下位机采用西门子S7-200系列PLC, CPU选用6ES7 212-1AB23-0XB8模块, 模拟量输入选用6ES7231-0HC22-0XA8模块。空气源热泵热水机组的出水温度、翅片温度、排气温度、环境温度、水箱温度、水箱的液位、压缩机的排气压力保护开关量、水流保护开关量等现场数据送入PLC, 经过计算后控制压缩机和外风机的启停以及补水阀的开度, 实现水箱的温度和液位控制。
上位机采用研华IPC610H工控机。监控软件采用SIMATIC Win CC7.0组态软件编写, 具有显示实时数据、历史数据、各种趋势图、报表以及参数的设置修改等功能。在工控机空余的PCI扩展槽中安装CP5611通信卡, 使用西门子的标准转换接头和通信电缆将工控机和下位机PLC连接起来, 通过OPC协议实现工控机与PLC之间的通信。
2.2 监控中心
监控中心是整个系统的核心, 所有的设备和客户端都通过它完成数据处理和远程监控。监控中心包括Web服务器和数据库服务器。Web服务器采用Windows Server 2003操作系统, 通过IIS6.0发布网页。数据库服务器采用SQL Server 2005对实时数据进行管理。
当Web服务器接收到客户端浏览器的请求时, 可以产生一个静态的页面或者将动态响应委托给其他应用程序产生页面返回浏览器。在远程实时监控中, 网页中的内容通常包括实时数据的显示、参数的设置修改和报警信息的处理等, 这些内容都是动态的。为了实时显示网页中的内容, 客户端需要不断刷新整个网页, 使得客户端与服务器之间通信量大大增加。为了节省网络带宽, 增强网页的实时性, 获得良好的用户体验, 系统采用AJAX技术传送实时数据。AJAX是指采用Java Script、XHTML、XMLHttp Request、XML、级联样式表 (CSS) 、文档对象模型 (DOM) 和可扩展样式语言转换 (XSLT) 等几种现有技术创建交互式网页应用的网页开发技术。采用AJAX技术, Java Script可以在不重新加载页面的情况与Web服务器进行数据交换, 实现网页的局部刷新。
数据库服务器主要负责实时数据的查询、修改、更新和其他相关的数据服务。Web服务器以SQL方式向数据库服务器提出处理请求, JSP通过JDBC标准接口实现对后台数据库的操作, 数据库服务器将处理结果提交给Web服务器。
3 系统功能
根据空气源热泵热水机组远程监控的要求, 所设计的监控系统主要具有如下功能。
3.1 数据查询
空气源热泵热水机组的运行参数存储到实时数据库中, 用户可以在任何时间和地点利用浏览器访问远程监控系统的站点。在登录界面需要输入用户名、密码和验证码, 只有三者全部正确才能进入监控主界面, 否则退出重新登录。登录系统后选择一台机组进入监控界面, 可以实时查询机组的出水温度、翅片温度和排气温度等详细的运行参数。点击运行记录选择一个时间段, 可以查看该时间段里机组的运行参数。
3.2 远程控制
如果登录用户是管理员或者高级用户, 进入监控界面既可以查看系统的运行参数, 还可以对系统进行控制, 例如调节设定温度、液位、控制机组的启停等。为了增强系统的安全性, 需要先输入密码才能进行参数修改。本系统除了具有远程控制功能外, 也可以利用现场监控终端进行本地控制。
3.3 用户管理
系统具有超级管理员用户、管理员用户、高级用户和普通用户4种类型的用户。超级管理员用户具有最高权限, 对整个监控系统进行管理和维护。管理员用户通常是厂家的维护人员, 高级用户是经销商或者客户, 普通用户是现场监控终端的维护人员, 4种用户的权限依次减少。超级管理员用户可以添加管理员用户和高级用户, 管理员用户和高级用户有权限添加权限比自己小的用户。
3.4 故障报警诊断
监控系统对机组进行实时数据采集, 并在监控界面上显示。当运行参数不在设定的正常范围内时, 触发对应的Java事件, 用不同的颜色标注发生故障的参数, 调用邮件发送接口向管理员发送报警邮件。管理员点击故障记录页面可以查看故障发生的日期、时间、地点和类型等信息。
4 结语
从实际的运行效果来看, 该监控系统能够满足各项要求, 运行稳定, 易于维护, 可扩展性强, 提高了空气源热泵热水机组的自动化水平。
参考文献
[1]肖建忠, 许飞云.气源热泵热水机组控制器设计[J].现代电子技术, 2009, (19) :168-172
[2]陈众, 张慧.分层递阶控制智能体的空气源热泵热水系统[J].长沙理工大学学报 (自然科学版) , 2011, 8 (1) :41-45