中高溫水源熱泵設計淺談

王紅燕

摘 要:本文闡述了一種中高溫水源熱泵機組。介紹了中高溫水源熱泵的工質和系統,通過在不同冷卻水溫及冷凍水溫運行的變化規律,結果表明可以制取70℃以上的熱水并可穩定運行,為節能空調系統優化設計提供參考。

關鍵詞:中高溫水源熱泵工質系統節能

中圖分類號:TU83 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0018-02

1 引言

水源熱泵機組是一種利用地下水、土壤或地表水等地下淺層地能資源的冷熱兼用型的高效節能空調系統。機組利用地下水和土壤溫度相對穩定的特點,通過地下水或深埋土壤的管路系統進行熱量交換,實現低位熱能向高位熱能的轉移。冬季時將從水源中吸取的低品位熱量轉移至室內,實現對房間供暖。夏季時則從室內取出熱量,釋放到水源,實現對房間的供冷。普通水源熱泵機組制熱時冷凍水進水溫度15℃,熱水出水溫度一般不超過55℃,這對于原來使用燃油、燃煤、燃氣等鍋爐設備高溫用水的工程改造以及一些特殊的行業(特別是工業上的如食品和木材的干燥、化工等行業)需要高溫熱水作為生產資源的工程項目。55℃的供水溫度已經不能或不完全能滿足系統的使用要求,從而限制了普通水源熱泵這一經濟節能的技術的推廣應用。而中高溫水源熱泵技術正是在這一背景下應運而生,它利用各類工業和生活廢水中的余熱來制取60～80℃高溫熱水,大大的拓展了水源熱泵技術的應用范圍。中高溫水源熱泵應用于工業的前景是非常樂觀的。

2 中高溫水源熱泵技術

高溫水源熱泵的工作原理與普通水源熱泵相似,所不同的是能穩定輸出更高溫度的熱水。當低品位回水溫度15～60℃時,機組可提供60～85℃的熱水,系統主要由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器、控制系統以及環保高溫工質構成。這樣,熱泵機組可以源源不斷地吸收低品位水源的能量,以高溫熱水向外輸出。

2.1 中高溫水源熱泵工質

傳統的制冷劑如R22和R134a等不能滿足高溫的需求。為保證中高溫熱泵設備在穩定的可允許的工作壓力下運用,因熱水出水溫度高相應的冷凝壓力較高,選用合理的制冷劑對于系統是非常重要。相對于普通水源熱泵,中高溫水源熱泵很難找到一種很適用的工質。對于中高溫工質的選擇有兩種趨勢,一種是使用自然工質(CO2、NH3等),另一種是使用HCFCs、HFC及各成份組成的混合物。自然工質一般工作壓力較高,或循環超過臨界區,部分還具有可燃性及爆炸性危險,系統一般都有相應的特殊措施去克服,所以我們傾向選用混合工質。根據預期的環保型中高溫水源熱泵的特點,確定了篩選原則,即綜合環保性能好、以HFCs為主、合適的沸點、較好的熱工性能、與R22機組的材料和冷凍油相容、盡量選用滑移溫度小的混合物,以有利于減小成分遷移引起的可燃性和系統性能的變化,已在國內商業化生產。從而主要考慮了以下因素:環保方面:臭氧破壞潛能(ODP)、全球變暖潛能(GWP);安全方面:毒性、可燃性;材料方面:與冷凍油的互溶性、與金屬和塑膠材料的兼容性、單位容積制熱量;熱工參數:蒸發壓力、冷凝壓力、排氣溫度、滑移溫度;循環性能:能效比、壓比、單位質量制熱量。最終選擇天津大學開發的由三個組元組成混合工質ZHR01。

對于常溫水源熱泵R22工況,其冷凝溫度為55℃時對應的冷凝壓力為2.175MPa,而高溫水源熱泵ZHR01的工況,其冷凝溫度為85℃時,其冷凝壓力僅為2.09MPa。說明從熱力學性質來看,ZHR01如果采用原R22的壓縮機,ZHR01排氣壓力比R22的還低,有利于系統的工作和延長壽命。

2.2 中高溫水源熱泵系統

中高溫水源熱泵系統的研究工作主要在系統循環的優化,換熱器內換熱的強化及系統控制方面。首先壓縮機的整個系統的心臟部件,壓縮機的可靠性直接影響機組的性能。壓縮機的選擇:目前熱泵設備常用壓縮機類型主要有螺桿壓縮機、全封閉渦旋壓縮機與半封閉活塞壓縮機等,經過對不同類型壓縮機工作特性及適用場所進行比較研究,目前中高溫水源熱泵一般選用螺桿壓縮機。因中高溫水源熱泵冷凍水從15～60℃的低品位熱水中回收熱量,制取60～85℃的熱水,壓縮機處于壓縮比變化工況下運行,需盡可能選取內容積比與實際工況相匹配的回轉式壓縮機,壓縮機配置電機功率考慮最惡劣工況時的耗電量。不僅有效降低機組輸入功率,且提高機組能效比及安全性。

蒸發器和冷凝器的換熱機理、與系統的匹配及控制采集點對機組都尤其重要。設計中考慮合適的換熱面積使蒸發溫度和冷凝溫度與冷凍水和冷卻水溫相匹配,中高溫水源熱泵系統使用ZHR01非共沸混合工質,非共沸混合工質顯示出一種獨特的性質,即壓力一定時其飽和溫度是干度的函數。也就是說,相變過程并非等溫過程。非共沸工質相變時的溫度變化稱為滑動溫度效應。

這個溫度滑移的特性,利用其性能可對換熱能夠改善熱交換器在效率以及熱力循環效率。

中高溫水源熱泵的節流閥包括熱力膨脹閥、電子膨脹閥及毛細管。節流閥的主要作用有:①節流降壓②控制流量③控制過熱度。考慮為非共沸混合工質,采用電子膨脹閥來進行節流降壓,通過吸氣過熱度的控制來調節流媒流量保證系統匹配。

3 中高溫水源熱泵實驗分析

測試機組在不同冷凍水、冷卻水工況下的性能,并記錄和分析機組在不同工況下運行的相關數據。通過自動控制系統調節蒸發器進口水溫和冷凝器出口水溫,進行多種試驗,了解ZHR01的實際運行特性。機組樣機設計工況為冷凍水進口溫度:33℃,水流量62m3/h;熱水側進水溫度:68℃,水流量45m3/h。機組名義制熱量525kW; 功率164kW,COP為3.2。

因測試臺運行范圍的限制,實測工況與設計工況有一定的差別,其中工況4為未經運行平穩所測的數據。從（表1）可以看出,在冷凍水定流量,冷凍水接近28℃出水情況下,隨著冷卻水進水溫度升高,機組的制熱量和能效比隨之下降。從測試情況同時表明ZHR1工質試驗機組在各種工況下(包括冷卻水出口溫70℃時),均可以穩定安全運行但機組詳細的參數有待于進一步測試及研究,包括機組的可靠性運行的驗證。

4 結語

(1)在樣機的測試中,根據中高溫水源熱泵機組的工作原理,選擇合適的工質進行了試驗研究。通過對機組的測試和觀察,證明ZHR101工質在機組中運行狀態穩定,能夠產生70℃以上的熱水。

(2)中高溫水源熱泵的運行,可以滿足各種工業用熱水的需求。同是提高了一次能源利用效率。與傳統的燃油、燃煤、燃氣等鍋爐設備系統相比,具有良好的經濟性。

參考文獻

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