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嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析


1、前言

在我國嚴寒地區及寒冷地區“鐵腕治霾”的背景下,“推進清潔采暖,減少霧霾天氣”的任務重大,現有的各種采暖技術都存在各自的適用范圍和條件,蓄能互聯熱泵系統,通過綜合技術創新有效地突破了單一技術運用的客觀限制,使北方寒冷地區因水資源匱乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆積嚴重”而無法使用水地源熱泵、地埋管熱泵系統的項目有了新的技術選擇。

蓄能互聯熱泵系統利用空氣能和相變蓄能技術耦合水水熱泵系統,打造“不打井、不埋管”的清潔采暖系統,能夠實現暖氣片供暖,蓄能平臺使壓縮機的壓縮比降低近一半,有效解決了極端寒冷天氣壓縮機容易故障損毀的難題,蓄能互聯熱泵系統運行更加穩定可靠、大大節省維護費用、運行節能,還可利用峰谷電價差節約電費。蓄能互聯熱泵系統是政府禁止打井、地埋管成本高、空氣源熱泵不穩定的不利條件下,開創了“清潔采暖、節能降霾”的新思路。

2、蓄能互聯熱泵系統的熱力循環原理

蓄能互聯熱泵系統由一次側空氣源動力模塊、二次側變工況水水熱泵和相變蓄能模塊組成,通過一次側空氣源動力模塊和相變蓄能的技術耦合,實現空氣中所蘊含的低品位熱能的采集和儲存,為二次側水水熱泵系統提供有效熱源。相變蓄能模塊充分發揮了相變蓄能、冷熱均流和調節蓄放的功能,采用高密度相變儲能溶液(PCM)灌裝的蓄能球,相變溫度為5℃,單位體積儲能密度高達69.1KWh/立方米。一次側空氣源熱泵模塊采集能量和二次側水水熱泵模塊提升能量,其熱力循環示意如圖1。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

蒸汽壓縮式熱泵循環:1-2為制冷劑在壓縮機等熵壓縮過程,壓力由蒸發壓力P0升高到冷凝壓力PK;2-3為制冷劑在冷凝器中冷卻冷凝過程,制冷劑壓力不變,且等于冷凝溫度Tk下的飽和壓力PK,冷凝過程中制冷劑在等溫等壓下凝結為飽和液體;3-4為等焓節流過程,與外界無功量傳遞且忽略熱量交換,節流前后比焓相等,但節流后的壓力和溫度都降低,且進入兩相區;過程線4-1表示制冷劑在蒸發器中氣化的過程,這一過程是在等溫等壓下進行的,液體制冷劑吸收被冷卻介質的熱量而不斷氣化,兩相區內制冷劑的狀態沿蒸發壓力P0的等壓線向干度增大的方向變化,指導全部變為飽和蒸汽。按照此循環,制冷劑的狀態又重新回到吸入壓縮機前的狀態點,從而完成一個完整的循環。對于一個制冷循環系統,工況條件主要包括冷凝溫度、蒸發溫度、節流前制冷劑液體的溫度和壓縮機的吸氣溫度,四個工況參數中,冷凝溫度和蒸發溫度對制冷系統的性能影響最大。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

在蓄能互聯熱泵系統中,一次側空氣源熱泵在制熱工況下,出水溫度由常規的供暖45℃變為15℃,冷凝溫度大大降低,當蒸發溫度保持不變(環境溫度不變的條件下),冷凝溫度由tk’降低到tk,循環由原來的1-2’-3’-4-1,變為1-2-3-4-1,對性能參數的影響包括:①制冷劑冷凝壓力由PK’降低到PK;②單位質量制冷量(蒸發量)由q0’增大到q0,單位理論功耗由w0’降低到w0,使得能效比大幅提高;③壓縮機的吸氣比體積未變,但單位質量制冷量(蒸發量)增大,導致單位容積制冷量隨著冷凝溫度的降低而增大。所以,蓄能互聯熱泵系統中一次側空氣源熱泵僅在一定的蒸發溫度下運行,超過一定的蒸發溫度熱泵主機進入保護狀態,由于出水溫度15℃,使得冷凝溫度降低,都能夠使得設備發揮良好的技術性能,使得低環溫情況下設備可靠運行能力提升。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

在蓄能互聯熱泵系統中,二次側水水熱泵在穩定制熱工況(不含極端天氣狀況)下,相比常規地源熱泵工況,源側水溫從10℃提升至15℃~25℃,蒸發溫度大大提高,當冷凝溫度保持不變是,蒸發溫度由t0’升至t0,對性能參數的影響包括:①制冷劑的蒸發壓力由p0’升至p0;②單位質量制冷量由q0’提升至q0,單位理論功耗由w0’降低至w0,循環制熱系數增大;③由于壓縮機吸氣比體積減小,單位質量制冷量由q0’增大到q0,使得單位容積制冷量隨著蒸發溫度的升高而迅速增加。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

3、一次側空氣源熱泵技術性能分析

一次側空氣源熱泵模塊,在環境溫度較好時,采集空氣中所蘊含的低品位熱能,為二次側水水熱泵系統提供溫度在15℃~25℃的有效熱源,并將相對高環溫低熱負荷時的高效運行區間產生的富余熱能儲存在相變蓄能模塊。在環境溫度過低時,即使在一次側空氣源動力模塊處于全面自我保護、無法運行的狀態下,蓄能模塊依然可為水水熱泵系統提供溫度在0℃至25℃之間潛熱相變加顯熱熱能,使得二次側水水熱泵保持穩定供熱。在這個控制過程中,一次側空氣源熱泵的技術性能優化體現在以下幾個方面:

(1)空氣源熱泵模塊在不同出水溫度和環境溫度條件下,壓縮機的制熱量/制冷量不同,任意選取一款谷輪渦旋式壓縮機為例,由下圖2可知,在低溫環境條件下,制取高溫熱能的能力迅速衰減,制熱量小,能耗高;高溫環境下,制冷能力下降。在蓄能互聯熱泵系統中,由于水水熱泵蒸發溫度決定一次側空氣源熱泵15℃的出水溫度,使得壓縮機的制熱能力充分發揮出來。在在蓄能互聯熱泵系統中,-20℃低溫環境運行時,空氣源熱泵出水溫度15℃時能效比為3.64,與常規空氣源熱泵壓縮機出水溫度45℃時能效比僅為1.78。考慮中間水泵和二次水水熱泵耗能,在此條件下的整體能效比為2.33,提升31%。

    (2)空氣源熱泵模塊在不同環境溫度、出水溫度條件下,壓縮機吸排氣壓力不同、壓縮比不同。在蓄能互聯熱泵系統中,任意選取一款R22谷輪渦旋式壓縮機為例,由下圖3可知,空氣源熱泵壓縮機吸排氣壓力在不同的環境溫度、出水溫度條件下,其對應的壓縮比變化較大。在蓄能互聯熱泵系統中,-20℃低溫環境運行時,空氣源熱泵壓縮比僅為12.625,與常規空氣源熱泵壓縮機壓縮比28.391相比,降低55.5%,使得設備可靠性大幅提升,故障率降低,后期維修費用降低。

    (3)空氣源熱泵模塊在不同工況條件下,壓縮機運行邊界不同、故障率不同。增汽補焓渦旋式壓縮機運行包絡線如圖4所示,工況點①②,能夠穩定可靠運行;工況點③④⑤⑥,出水溫度45℃時,壓縮機均處在零界點運行(出水溫度55℃時,工況點⑦,壓縮機已經超出運行邊界),故障率增高,控制不當容易燒毀壓縮機,增加維修支出。普通渦旋壓縮機運行包絡線如圖5所示,蓄能互聯熱泵系統的工況點①⑥⑥⑦⑧⑨,都能夠穩定運行;當環境溫度過低時,工況點③都處在零界點運行;當出水溫度高于45℃,工況點②已經超出運行邊界。在蓄能互聯熱泵系統中,普通空氣源熱泵在15℃的出水工況下,即便是普通渦旋壓縮機也始終處在安全、高效、穩定的運行區間。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

4、二次側水水熱泵技術性能分析

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

二次側水水熱泵主機的特殊設計使其具備變工況恒定水溫輸出的適應調節能力,源側熱源溫度在0℃至25℃之間變化時設備保持穩定運行。水水熱泵機組配置高壓比半封閉雙螺桿壓縮機,根據用戶負荷需求精確匹配冷熱輸出。機組吸排氣管的彎道全部為大彎徑設計,有效減少制冷劑的流動阻力。機組采用自排污蒸發器,獨特的供回水管切面設計,避免雜質和污垢滯留在筒體內影響換熱效率,無需多次清洗。針對暖氣片采暖大溫差的技術要求,機組采用單流程雙冷凝器設計,通過管道連接和閥門切換實現熱泵機組大溫差提溫,流量減半,減小了水泵功耗、提升了系統的綜合能效比。在蓄能互聯熱泵系統中,二次側水水熱泵的技術性能優化體現在以下幾個方面:

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

(1)源側水溫提升使得水水熱泵主機高效運行,任意選取一款漢鐘螺桿式壓縮機,常規地源熱泵工況下,壓縮機性能計算結果如圖6所示,壓縮機能效比為3.95;蓄能互聯熱泵工況下,壓縮機性能計算結果如圖7所示,壓縮機能效比為4.48,相比之下,水水熱泵能效比提升13.4%。

(2)水水熱泵具備極端天氣變工況高能效穩定運行能力,在環境溫度過低時,一次側空氣源動力模塊處于全面自我保護、無法運行的狀態下,蓄能模塊為水水熱泵系統提供相變熱能,二次側水水熱泵主機具備變工況恒定水溫輸出的適應調節能力,源側熱源溫度在0℃至25℃之間變化時設備保持穩定運行。水水熱泵在出水溫度45℃條件下,不同水源溫度的能效比變化如圖8所示。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

5、技術經濟指標對比

經過實測和對比,蓄能互聯熱泵系統 相比常規的空氣源熱泵系統,技術性能方面,空氣源熱泵能效比提升51%、壓縮比降低55.5%,水水熱泵能效比提升13.4%;主設備投資方面,如圖9所示,最高可減少32.32%、相應的配電功率減少29.57%、運行能耗節電23.56%。系統運行可靠性提升,壓縮機壽命提高,維護費用大大降低。

嚴寒地區蓄能互聯熱泵系統技術性能分析

 

6、結論

蓄能互聯熱泵系統是由水水熱泵技術,空氣源熱泵技術通過相變蓄能技術的交叉互聯、綜合利用形成的應用技術,是成熟的蓄能技術和熱泵技術的綜合利用!通過蓄能模塊的介入,拓展了水源熱泵和空氣源熱泵的使用條件,克服各自的限制和性能弱點,該系統可有效利用自然界空氣中蘊含的太陽熱能(晝夜氣溫差現象)及各種其它低品質熱能,系統增加了熱能供應的穩定性。蓄能互聯熱泵系統,通過綜合技術創新有效地突破了單一技術運用的客觀限制,打造“不打井、不做地埋管”的清潔能源熱泵系統。蓄能互聯熱泵系統作為技術創新,打破了水地源熱泵的使用限制,解決了北方寒冷地區水資源匱乏且政府禁止打井取水、地埋管熱泵系統成本高占地大,冷熱不平衡的弊端!降低了空氣源熱泵壓縮機的壓縮比,緩解了空氣源熱泵低溫環境能效比低、運行費用高、結霜嚴重、故障率高、空置率高的難題。



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