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空气源热回收型热泵机组冬季运行特性研究

时间:2011-01-04 19:18来源:未知 作者:冲锋 点击:
同济大学暖通空调及燃气研究所 刘东 中建国际设计顾问有限公司 丁燕 摘 要:本文是对空气源热回收型热泵机组研究工作的总结,介绍了这种空气源热回收型热泵机组的工作原理,分

同济大学暖通空调及燃气研究所 刘东
中建国际设计顾问有限公司 丁燕

摘 要:本文是对空气源热回收型热泵机组研究工作的总结,介绍了这种空气源热回收型热泵机组的工作原理,分析了该类型机组的冬季运行特性,针对在制热工况下需要考虑的主要问题,提出了解决方案,并根据此类热泵系统的特点结合实验研究结果提出了合理的机组运行模式。
关键词:热泵,热回收,系统特性,冬季运行模式

1. 前言
常规空调系统需要消耗电能而同时又将大量的冷凝热量排放到大气中,造成了大气的热污染,加剧了城市热岛效应;对于需要生活热水的场所,热水的制备需要消耗一次能源。如何将这两者很好地结合,既可减少冷凝热的排放,又能减小生活用热水生产过程的能源消耗;人们开始着力于研究利用热回收技术,将原本排放的冷凝热进行回收以制备卫生热水,并应用于工程实践,取得了良好的社会效益和经济效益[1]-[3]。
国外对于大型空调制冷机冷凝热回收的研究己经比较完善,发达国家目前已有相关产品的应用。新加坡南洋理工大学对于小型家用空调冷凝热的回收技术进行了实验研究[4]。中国科技大学提出空调-热水器一体机,可实现单独制热水模式、制冷兼热水模式、供暖模式等三种运行模式[5]。哈尔滨工业大学对带热水供应的节能型空调器开展了实验研究[6]。
目前国内的研究主要集中于家用小型空调机组的改造,对于大型机组的冷凝热回收往往多涉及冷水机组的改造,对大型空气源热泵机组冷凝热回收技术的研究,尤其是实验研究很少[5]-[7]。本文借鉴国内对于小型家用多功能热泵空调热水器理论和实验研究的成果,对大型热回收型空气源热泵机组系统原理、运行模式进行研究,并对开发的样机进行了性能特性的实验研究。

2. 系统原理及运行模式
本文在综合热泵技术和冷凝热回收技术的基础上[8]-[10],对常规空调用空气源热泵机组加以改进,采用风冷+水冷的复合冷凝技术,取代传统空气源热泵单一风冷的冷凝方式,使其同时具有空调热泵和热泵热水器的功能,并通过合理的匹配,使空调和热水器功能协调运行,得到集空调和热水器于一体的多功能热泵系统。原理见图1。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图1 热回收型热泵机组原理图
此类热回收型热泵机组循环过程可以在压焓图上表示,见图2。

 

 

 

 

 


图2 热回收型热泵系统理论循环热力图
对于理论循环,离开蒸发器的制冷剂蒸气是处于蒸发压力下的饱和蒸气;离开冷凝盘管的液体是处于冷凝压力下的饱和液体;压缩机的压缩过程是等熵压缩;制冷剂通过膨胀阀,其前后焓值相等;制冷剂在蒸发和冷凝过程中压力不变,在各设备连接管道中,制冷剂不发生状态变化;制冷剂的冷凝温度等于环境温度,蒸发温度等于作为载冷剂的空调水的温度。
此类热泵机组具有多功能和全年运行的特点,通过控制元件的切换可以实现三种运行模式:夏季空调制冷兼制生活热水运行模式;冬季空调供热兼制备生活热水运行模式;过渡季节空调制冷(或供热)兼制备生活热水运行模式。本文主要研究热回收热泵在冬季空调供热兼制备生活热水运行模式。

3. 热回收型热泵在冬季空调供热兼制备生活热水运行模式
冬季,该热泵系统既要满足空调制热,同时通过板式热交换器制备生活热水。机组中的四通换向阀为制热状态,空调制热兼制生活热水模式运行时,系统运行原理见图3,制冷剂流向如图3中箭头所示。
系统运行时,低压工质蒸气经过压缩机增压后,成为高压高温气体,首先进入板式热交换器,其中冷凝散热,同时加热生活热水。随后进入壳管式冷凝器(夏季运行时为蒸发器),进一步吸收冷凝热,加热空调热水。随后经过膨胀阀,进入室外蒸发器(夏季运行时为冷凝器),从环境大气中吸收热量,蒸发为低压气体,然后再进入压缩机,完成循环。

图3 热回收型热泵机组冬季运行原理图
由于加热空调热水的冷凝器串联于板式热交换器之后,所以板式热交换器消耗部分冷凝热用于加热热水,实际上是以牺牲室内供暖热量为代价来换取生活热水的加热需求。在冬季室外环境温度较低时,室内的热负荷较大,将会造成系统空调供暖量不足,从而影响室内的供暖效果。为确保采暖效果,首先应保证冷凝温度高于空调采暖用热水的设计温度(45℃)。因此必须控制生活热水制备过程中对于冷凝热的吸收量,以及生活热水的进水温度。由理论热力循环图4可知,冷凝热量由两部分热量组成:过热区热量和两相区热量。 (责任编辑:冲锋)

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