热泵系统节能新技术

第10章 热泵系统节能新技术影响热泵性能及其广泛应用的主要技术瓶颈：热泵技术高效节能，涉及领域广，内容多，就目前应用或发展现状分析，影响热泵性能及其广泛应用的主要技术瓶颈是:1、部分负荷调节技术 2、冷凝侧或蒸发侧热量利用技术 3、高湿地区空气源热泵的除霜问题 4、开发新的热源或排热源。101 热泵变频节能技术 变频空调器消除了传统定频空调器启停机的能量损失，提高了系统的全年运行效率。1012 变频空调器的工作原理及技术特点 变频空调器采用由变频压缩机、电子膨胀阀、室内外换热器和风机系统等构成的可变容量制冷系统，根据室内空调器负荷大小和室外环境温度状态自动调节变频压缩机的运转速度和电子膨胀阀的开度，以改变空调器制冷系统中制冷剂的循环流量，从而输出满足要求的制冷量或制热量。变频空调器采用低频启动方式，启动电流小，对电网无冲击作用，启动后以最大能力进行制冷制热运行，使室内温度尽快达到设定温度，达到设定温度后自动降低运行能力，没有普通空调器的自动频繁开停现象。1013 变频空调器节能原理分析 在制取一定冷量时，影响变频空调器能量消耗的因素主要有4个方面：空调器的实际运行工况；压缩机电机效率；压缩机启停次数；变频器的能耗。10131 空调器运行工况的影响空调器运行工况由4个参数确定，分别是制冷剂的冷凝温度和蒸发温度、冷凝器出口过冷度、蒸发器出口过热度，其中起主要作用的是冷凝温度和蒸发温度。理想条件下(即无换热温差时)运行于两个不同温度热源之间的可逆制冷机的制冷系数如下式所示：变频空调器在部分负荷下运行时，其换热温差要比相应的普通空调器低，即冷凝温度和蒸发温度分别更接近于室外和室内环境空气温度。普通空调器的换热温差约为15，5060部分负荷下运行的变频空调器的换热温差约为810。冷凝温度每下降1或蒸发温度每上升1，空调器的能效比大约能增加115，因此在换热温差减小这一点上变频空调器要比普通空调器理论上变频空调器要比普通空调器理论上节能节能1015。10132压缩机电机效率的影响 压缩机电机额定功率占到空调器总输入功率的90左右,其余10左右为风扇电机功率及其他损耗。真正的变频空调器基本上要求使用三相交流变频电机，由于电机效率的影响，变频空调器要比普通空调器节能10左右。10133压缩机启停次数的影响 变频空调器除了室内温度波动小之外，另外一个明显的好处是压缩机启停次数少。压缩机在启动阶段电流通常是正常工作电流的2倍以上，容易造成压缩机绕组损坏，因此采用变频空调器对延长压缩机的使用寿命有一定好处。变频空调器由于启停次数少比普通空调器节能平均在1左右，最多不会超过2。10134 变频器能耗的影响 变频器本身有功率消耗，每lkVA的变频器容量发热所损耗的功率约为4050w，约占空调器总功率的35。这部分电耗对普通空调来说完全是多出来的。102 同时供冷供热的热泵系统 很多建筑物需要同时向不同的区域供冷和供热，如:1在过渡季节和冬季大型建筑物的内区需要供冷，而其周边区需要供热；2配有大面积玻璃的高大建筑物在向阳侧承受过热需要供冷，而在背阳侧需要供暖。这就对热泵系统的应用提出了较高的要求。相当部分的商业用热泵装置利用其内部热源，即在某些大型建筑物中,年供暖能量的大部分能够通过使由照明、设备散热、室内人员、太阳辐射获得的热量重新分配而提供。某些人口稠密的公共建筑需要非常大的通风量，可以考虑用热泵由通风排气中间回收热量。从本质上来讲，同时供冷供热的热泵系统是利用热泵来实现热量的再分配。当然，在建筑物内同时供冷和供热可以由单独的供冷设备和单独的供热设备借助于四管制空调水系统来满足，然而利用热泵系统将会更经济地实现这一要求。供冷供热的热泵系统 它们大致分为以下几种：1用双管束冷凝器的热回收热泵系统;2分散式热泵系统(即水环热泵空调系统);3可再生能源水环热泵系统与混合系统;4空气热源一热回收系统;5四管热泵系统等。1021 用双管束冷凝器的热回收热泵系统1022分散式热泵系统(水环热泵空调系统)机组运行的性能系数与水温关系 随着水温的下降，制冷运行机组的制冷性能系数提高，而制热运行机组的制热性能系数下降。因此，当大部分机组进行制冷运行时，水温低一点好；反之，当大部分机组进行制热运行时，水温高一点好。传统的控制方法是允许水温随着进行制热运行机组的增多而降低，随着进行制冷运行机组的增多而升高，这样导致系统总能量消耗增加。水温的最优控制：美国JR斯纳德(JRSnyder)提出利用微机对水温进行最优控制，控制方案如下：计算机根据输入的水温数据、每小时室外空气温度数据、预计的制冷运行和制热运行机组的比例确定最佳水温，系统的冷却塔、加热设备、蓄热水箱按最佳水温的要求进行工作。当冷却塔运行而蓄热水箱内的水温高于最佳水温时，或当加热器运行而蓄热水箱内的水温低于最佳水温时，蓄热水箱应当旁通。反之，蓄热水箱的水与系统水进行混合，保持最佳水温，以减少冷却塔或加热设备的工作时间。与集中空调系统或空气源热泵空调系统相比，水环热泵空调系统也存在着一定的缺点：制冷量较大(10kw以上)的水环热泵空调机组由于机组内压缩机的功率较大，机组噪声较大，在设计和安装时要考虑一些降低噪声的措施。利用新风比较麻烦，新风管道必须敷设到安装水环热泵空调机的房间，对于要求较高的房间，如对空气净化、加湿等有要求的房间，附加措施就更为复杂。水环热泵空调机多数为暗装，必须同建筑和室内装潢紧密配合，如空调机质量不好，会给维修带来麻烦。水环热泵空调系统是分散性的集中空调，由于机组分散，每一空调区内的热泵机组均要有稍许余量，所以当水环热泵空调机数量较多时总用电容量可能偏高，而实际上由于安装的热泵空调机不可能同时达到最大用电量，所以实际用电量并不高。小型水空气热泵机组的性能系数不如大型的冷水机组。水环热泵空调系统的一些特殊问题水环热泵空调系统的主要特点是回收建筑物的余热，而室内小型水空气热泵机组都是分区分散布置的，因此计算建筑物冷、热负荷时先要明确建筑物的分区。计算分区热负荷和冷负荷，以便确定各分区水空气热泵机组的规格和大小。张燕宾提出热负荷系数k的概念，k定义为建筑物中热负荷与同时存在的热负荷与冷负荷之和的比例。k只是对水环热泵空调系统运行工况的数学描述，不同的k值代表不同的运行工况。水环热泵空调系统相对于常规空调系统(如风机盘管加新风系统)来说，只有大部分时间是在节能区(此区是按k值范围定义的)内运行时才是节能的。因此，进行水环热泵空调系统设计时，要计算出各空调区域(或每个空调房间)全年逐时冷、热负荷，以便确定k值的变化范围，预测水环热泵空调系统是否节能。对周边区的空调房间来说，水环热泵机组应同时满足冬、夏季设计工况下的要求。对内区房间来说，水环热泵机组按夏季设计工况选取。1023可再生能源水环热泵系统与混合系统只有当建筑物内有大量余热时，通过水环热泵空调系统才能收到良好的节能效果。但是，目前我国各类建筑物内区面积小，内部负荷不大。当水环路中水温低于13时，需要投入使用辅助加热设备如电锅炉、燃油(气)锅炉等，采用高位能(电、燃气、油等)通过锅炉转化为循环水的低位能，再由室内水空气热泵机组提升后向室内供热，显然这种用能方式十分不合理，不符合按质用能的原则。可以通过从建筑外部引进可再生能源弥补冬季建筑物内余热的不足。可资利用的外部能源有太阳能、水(地表水、井水、河水等)、土壤能、空气等。混合系统另外，由于室内小型水空气热泵机组的性能系数远小于大型冷水机组的性能系数，因而选用混合系统将会更节能。混合系统是指水空气热泵系统与其他空调设备(如冷水机组、单元柜式空调机组等)共同组成的新的系统。10231 太阳能水环热泵空调系统闭式太阳能水环热泵空调系统特点如下：太阳能热水系统与水环热泵空调系统彼此独立，组成闭式系统。设置辅助加热器以解决太阳能热水系统供热不足或阴雨天无太阳能问题。太阳能热水系统、辅助加热器同水环路并联，通过调节阀使高温水与环路回水混合，以保证环路水温处在限定的温度范围内。开式太阳能水环热泵空调系统 开式太阳能水环热泵空调系统的运行特点：1当环路水温高于35时，水环热泵空调系统同消防水池隔开，冷却塔投入运行，太阳能作为热水供应的热源。2当环路水温保持在1535之间时，冷却塔停止运行，收集的太阳能加热生活热水。3当环路水温低于15时，环路直接与消防水池连通，太阳能水环热泵空调系统吸收太阳能。如果仍有多余的太阳能时，可继续加热生活热水。10232井水源水环热泵空调系统 深井水(恒温层的地下水)的水温常年保持不变，一般比当地年平均气温高115。我国东北北部地区的深井水温约为4，中部地区约为812，南部地区约为1214；华北地区深井水温约为1519；华东地区深井水温约为1920C；西北地区深井水温约为1820。除了东北部分地区外，在我国大部分地区完全可以利用深井水来调节传统的水环热泵系统中的环路水温。冬季用深井水作为外部热源替代传统水环热泵系统中加热设备的高位能源，以保证环路水温不低于10；夏季用深井水作为冷却介质，用板式换热器替代传统水环热泵空调系统的排热设备(开式或 闭 式 冷 却 塔)，以 保 证 环 路 中 水 温 不 高 于 32。这样，既解决了常遇到的建筑物内余热不足的问题，又省掉了传统水环热泵空调系统中的加热设备和排热设备。这可视为地源热泵的一种特例。10233土壤源水环热泵空调系统目前，国内井水源热泵的回灌堵塞问题没有得到根本解决，从而制约了井水源热泵系统的应用。同时，在缺乏地下水的场合或利用地下水源热泵不经济的场合，可以借助地下埋管换热器来利用地表浅层低温地热能源，即地下埋管换热器作为辅助热源的水环热泵系统。该系统称为土壤源水环热泵空调系统。10234双级耦合水环热泵空调系统与传统的水环热泵空调系统相比，其差异在于用空气水热泵机组代替了传统水环热泵空调系统中的加热装置。空气水热泵机组以室外大气为低温热源，从室外空气中吸取热量，制备1020循环温水，供热给室内水环路。10.2.3.5 水环热泵混合系统10.2.4空气热源热回收热泵系统10.2.5 四管热泵系统103 高湿地区空气源热泵除霜技术1033 空气源热泵除霜的基本方式(1)空气除霜除霜时中断压缩机的运转，使空气继续流过室外侧换热器，待换热器表面温度回升，使霜融化。这种除霜方式有一定的局限性，一般要求室外空气温度高于23时才用空气除霜方法。除霜的时间取决于结霜量、空气温度和风量。当室外空气温度接近0时，除霜时间将显著增长。(2)电热除霜 通常把电加热器放置在蒸发器上，其布置方式一般分为3种：一是把电加热器直接放置在换热器表面的端部；二是把电加热器与换热器做成一体；三是把电热管放在工质管中。近年来第一种布置方式用得最多。该方式的优点是初投资少，安装简单，控制方便，大小热泵系统均可采用。但就耗电这一点来看，所消耗的是纯拥，而不是由周围介质吸取的热量，因此这种除霜方法是昂贵的。(3)热气除霜此法又可分为两种方式：一是使压缩机的高温热气部分经过旁通管路直接送入蒸发器进行除霜；二是利用四通阀换向，将热泵由供热工况运行变为制冷工况运行。这是一种快速的除霜方式，效率高，对大小热泵均适用。但该法对热泵的可靠性有所影响，系统一般比较复杂。为了防止液体冲入压缩机，必须设有集液器。(4)水力除霜对于大型热泵系统，常采用水力除霜的措施，即用水冲淋蒸发器来溶化霜层。这种除霜方式设备简单，除霜时间短。但湿气太大，还要有水系统。1034 四通阀换向逆向除霜这种除霜方式使四通阀换向，制冷系统原来的高低压部分切换，当四通阀动作后，系统由正常制热循环方式切换到除霜循环，1035显热除霜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做功和压缩机壳体的蓄热量两部分。1036 空气源热泵常用的除霜控制方法