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严寒地区蓄能互联热泵系统技术性能分析
 

1、前言

博乐彩票app下载     在我国严寒地区及寒冷地区“铁腕治霾”的背景下,“推进清洁采暖,减少雾霾天气”的任务重大,现有的各种采暖技术都存在各自的适用范围和条件,蓄能互联热泵系统,通过综合技术创新有效地突破了单一技术运用的客观限制,使北方寒冷地区因水资源匮乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆积严重”而无法使用水地源热泵、地埋管热泵系统的项目有了新的技术选择。

    蓄能互联热泵系统利用空气能和相变蓄能技术耦合水水热泵系统,打造“不打井、不埋管”的清洁采暖系统,能够实现暖气片供暖,蓄能平台使压缩机的压缩比降低近一半,有效解决了极端寒冷天气压缩机容易故障损毁的难题,蓄能互联热泵系统运行更加稳定可靠、大大节省维护费用、运行节能,还可利用峰谷电价差节约电费。蓄能互联热泵系统是政府禁止打井、地埋管成本高、空气源热泵不稳定的不利条件下,开创了“清洁采暖、节能降霾”的新思路。

2、蓄能互联热泵系统的热力循环原理

    蓄能互联热泵系统由一次侧空气源动力模块、二次侧变工况水水热泵和相变蓄能模块组成,通过一次侧空气源动力模块和相变蓄能的技术耦合,实现空气中所蕴含的低品位热能的采集和储存,为二次侧水水热泵系统提供有效热源。相变蓄能模块充分发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能,采用高密度相变储能溶液(PCM)灌装的蓄能球,相变温度为5℃,单位体积储能密度高达69.1KWh/立方米。一次侧空气源热泵模块采集能量和二次侧水水热泵模块提升能量,其热力循环示意如图1。

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博乐彩票app下载     蒸汽压缩式热泵循环:1-2为制冷剂在压缩机等熵压缩过程,压力由蒸发压力P0升高到冷凝压力PK;2-3为制冷剂在冷凝器中冷却冷凝过程,制冷剂压力不变,且等于冷凝温度Tk下的饱和压力PK,冷凝过程中制冷剂在等温等压下凝结为饱和液体;3-4为等焓节流过程,与外界无功量传递且忽略热量交换,节流前后比焓相等,但节流后的压力和温度都降低,且进入两相区;过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中气化的过程,这一过程是在等温等压下进行的,液体制冷剂吸收被冷却介质的热量而不断气化,两相区内制冷剂的状态沿蒸发压力P0的等压线向干度增大的方向变化,指导全部变为饱和蒸汽。按照此循环,制冷剂的状态又重新回到吸入压缩机前的状态点,从而完成一个完整的循环。对于一个制冷循环系统,工况条件主要包括冷凝温度、蒸发温度、节流前制冷剂液体的温度和压缩机的吸气温度,四个工况参数中,冷凝温度和蒸发温度对制冷系统的性能影响最大。

严寒地区蓄能互联热泵系统技术性能分析

 

    在蓄能互联热泵系统中,一次侧空气源热泵在制热工况下,出水温度由常规的供暖45℃变为15℃,冷凝温度大大降低,当蒸发温度保持不变(环境温度不变的条件下),冷凝温度由tk’降低到tk,循环由原来的1-2’-3’-4-1,变为1-2-3-4-1,对性能参数的影响包括:①制冷剂冷凝压力由PK’降低到PK;②单位质量制冷量(蒸发量)由q0’增大到q0,单位理论功耗由w0’降低到w0,使得能效比大幅提高;③压缩机的吸气比体积未变,但单位质量制冷量(蒸发量)增大,导致单位容积制冷量随着冷凝温度的降低而增大。所以,蓄能互联热泵系统中一次侧空气源热泵仅在一定的蒸发温度下运行,超过一定的蒸发温度热泵主机进入保护状态,由于出水温度15℃,使得冷凝温度降低,都能够使得设备发挥良好的技术性能,使得低环温情况下设备可靠运行能力提升。

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    在蓄能互联热泵系统中,二次侧水水热泵在稳定制热工况(不含极端天气状况)下,相比常规地源热泵工况,源侧水温从10℃提升至15℃~25℃,蒸发温度大大提高,当冷凝温度保持不变是,蒸发温度由t0’升至t0,对性能参数的影响包括:①制冷剂的蒸发压力由p0’升至p0;②单位质量制冷量由q0’提升至q0,单位理论功耗由w0’降低至w0,循环制热系数增大;③由于压缩机吸气比体积减小,单位质量制冷量由q0’增大到q0,使得单位容积制冷量随着蒸发温度的升高而迅速增加。

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3、一次侧空气源热泵技术性能分析

    一次侧空气源热泵模块,在环境温度较好时,采集空气中所蕴含的低品位热能,为二次侧水水热泵系统提供温度在15℃~25℃的有效热源,并将相对高环温低热负荷时的高效运行区间产生的富余热能储存在相变蓄能模块。在环境温度过低时,即使在一次侧空气源动力模块处于全面自我保护、无法运行的状态下,蓄能模块依然可为水水热泵系统提供温度在0℃至25℃之间潜热相变加显热热能,使得二次侧水水热泵保持稳定供热。在这个控制过程中,一次侧空气源热泵的技术性能优化体现在以下几个方面:

    (1)模块在不同出水温度和环境温度条件下,压缩机的制热量/制冷量不同,任意选取一款谷轮涡旋式压缩机为例,由下图2可知,在低温环境条件下,制取高温热能的能力迅速衰减,制热量小,能耗高;高温环境下,制冷能力下降。在蓄能互联热泵系统中,由于水水热泵蒸发温度决定一次侧空气源热泵15℃的出水温度,使得压缩机的制热能力充分发挥出来。在在蓄能互联热泵系统中,-20℃低温环境运行时,空气源热泵出水温度15℃时能效比为3.64,与常规空气源热泵压缩机出水温度45℃时能效比仅为1.78。考虑中间水泵和二次水水热泵耗能,在此条件下的整体能效比为2.33,提升31%。

    (2)空气源热泵模块在不同环境温度、出水温度条件下,压缩机吸排气压力不同、压缩比不同。在蓄能互联热泵系统中,任意选取一款R22谷轮涡旋式压缩机为例,由下图3可知,空气源热泵压缩机吸排气压力在不同的环境温度、出水温度条件下,其对应的压缩比变化较大。在蓄能互联热泵系统中,-20℃低温环境运行时,空气源热泵压缩比仅为12。625,与常规空气源热泵压缩机压缩比28。391相比,降低55。5%,使得设备可靠性大幅提升,故障率降低,后期维修费用降低。

    (3)空气源热泵模块在不同工况条件下,压缩机运行边界不同、故障率不同。增汽补焓涡旋式压缩机运行包络线如图4所示,工况点①②,能够稳定可靠运行;工况点③④⑤⑥,出水温度45℃时,压缩机均处在零界点运行(出水温度55℃时,工况点⑦,压缩机已经超出运行边界),故障率增高,控制不当容易烧毁压缩机,增加维修支出。普通涡旋压缩机运行包络线如图5所示,蓄能互联热泵系统的工况点①⑥⑥⑦⑧⑨,都能够稳定运行;当环境温度过低时,工况点③都处在零界点运行;当出水温度高于45℃,工况点②已经超出运行边界。在蓄能互联热泵系统中,普通空气源热泵在15℃的出水工况下,即便是普通涡旋压缩机也始终处在安全、高效、稳定的运行区间。

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4、二次侧水水热泵技术性能分析

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    二次侧水水热泵主机的特殊设计使其具备变工况恒定水温输出的适应调节能力,源侧热源温度在0℃至25℃之间变化时设备保持稳定运行。水水热泵机组配置高压比半封闭双螺杆压缩机,根据用户负荷需求精确匹配冷热输出。机组吸排气管的弯道全部为大弯径设计,有效减少制冷剂的流动阻力。机组采用自排污蒸发器,独特的供回水管切面设计,避免杂质和污垢滞留在筒体内影响换热效率,无需多次清洗。针对暖气片采暖大温差的技术要求,机组采用单流程双冷凝器设计,通过管道连接和阀门切换实现热泵机组大温差提温,流量减半,减小了水泵功耗、提升了系统的综合能效比。在蓄能互联热泵系统中,二次侧水水热泵的技术性能优化体现在以下几个方面:

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    (1)源侧水温提升使得水水热泵主机高效运行,任意选取一款汉钟螺杆式压缩机,常规地源热泵工况下,压缩机性能计算结果如图6所示,压缩机能效比为3.95;蓄能互联热泵工况下,压缩机性能计算结果如图7所示,压缩机能效比为4.48,相比之下,水水热泵能效比提升13.4%。

    (2)水水热泵具备极端天气变工况高能效稳定运行能力,在环境温度过低时,一次侧空气源动力模块处于全面自我保护、无法运行的状态下,蓄能模块为水水热泵系统提供相变热能,二次侧水水热泵主机具备变工况恒定水温输出的适应调节能力,源侧热源温度在0℃至25℃之间变化时设备保持稳定运行。水水热泵在出水温度45℃条件下,不同水源温度的能效比变化如图8所示。

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5、技术经济指标对比

    经过实测和对比,蓄能互联热泵系统 相比常规的空气源热泵系统,技术性能方面,空气源热泵能效比提升51%、压缩比降低55。5%,水水热泵能效比提升13。4%;主设备投资方面,如图9所示,最高可减少32。32%、相应的配电功率减少29。57%、运行能耗节电23。56%。系统运行可靠性提升,压缩机寿命提高,维护费用大大降低。

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6、结论

    蓄能互联热泵系统是由水水热泵技术,空气源热泵技术通过相变蓄能技术的交叉互联、综合利用形成的应用技术,是成熟的蓄能技术和热泵技术的综合利用!通过蓄能模块的介入,拓展了水源热泵和空气源热泵的使用条件,克服各自的限制和性能弱点,该系统可有效利用自然界空气中蕴含的太阳热能(昼夜气温差现象)及各种其它低品质热能,系统增加了热能供应的稳定性。蓄能互联热泵系统,通过综合技术创新有效地突破了单一技术运用的客观限制,打造“不打井、不做地埋管”的清洁能源热泵系统。蓄能互联热泵系统作为技术创新,打破了水地源热泵的使用限制,解决了北方寒冷地区水资源匮乏且政府禁止打井取水、地埋管热泵系统成本高占地大,冷热不平衡的弊端!降低了空气源热泵压缩机的压缩比,缓解了空气源热泵低温环境能效比低、运行费用高、结霜严重、故障率高、空置率高的难题。



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