新型熱泵空調系統的工程應用研究

【摘 要】傳統的制冷、熱水與供暖一體的三聯供空調系統只有在制取生活熱水這段很短的時間內是高效運行的。設計一種新型的風水冷熱水空調系統，在夏季，增加冷卻塔的運行，將不需要熱回收的那部分熱量通過冷卻水帶走，保證系統每時每刻都能在高能效比的狀態下運行。經過實驗驗證，系統的性能系數可以提高29.47%，達到了節能的目的。

【關鍵詞】三聯供空調系統；新型熱泵系統；熱回收；性能分析；節能

0.引言

在提倡節能環保的今天，急需能源利用新理念、新技術的提出和研發。常規空調系統需要消耗電能而同時又將大量冷凝熱量排放到大氣中，這種運行方式造成了大氣的熱污染，加劇了城市熱島效應；同時生活熱水的制備又需要消耗大量一次能源。利用冷凝熱回收技術，將排放的冷凝熱進行回收以制備衛生熱水，既可減少冷凝熱的排放，又能減小生活用熱水生產過程的能耗[1]。

分析了各種制冷、熱水與供暖一體的空調熱回收系統，都利用了冷凝廢熱，提高了能源利用率，但是不能保證時刻在高能效比的狀態下運行，只有在進行熱回收的短暫的時間內能效比才比較高，當熱水滿足用戶使用要求而不需要熱回收時，系統能效比不理想，為此，我們研究一種新的帶熱回收的熱泵空調系統—風水冷熱水空調系統，在熱回收設備處連接冷卻塔，將不需要回收的那部分熱量通過冷卻水帶走，保證系統時刻在高能效比條件下運行。經理論分析，該系統投資回收期比較短，具有良好的經濟效益、節能效益和環保效益。

1.冷凝熱回收基本方案

1.1傳統熱回收系統方案

傳統的制冷、熱水與供暖一體的空調系統，從蒸發器出來的低溫低壓制冷劑氣體，通過壓縮機對其壓縮做功，使其變為高溫高壓制冷氣體，然后排放到熱回收器中；利用水泵將常溫水送到熱回收器中，在熱回收器里常溫水與高溫制冷劑進行熱交換。在將制冷劑冷凝的過程中同時將水溫升高，然后溫升后的水進入貯水箱，再由水泵從貯水箱中將溫升后的水再送到熱回收器中進行下一次熱交換，使水溫進一步提高。最終，貯水箱中的水經過多次進行熱交換，最終達到客戶要求的水溫（50～60℃）。這樣使得制冷劑溫度大大降低，冷凝溫服也相應降低，從而提高了機組的運行系數。但當水箱溫度滿足設定要求時，送水到熱回收器的水泵停止工作。這樣系統只有在制取生活熱水這段很短的時間內是高效運行的。

1.2傳統熱回收方案的改造

改進后的系統——風水冷熱水空調系統，引進冷卻塔，系統原理圖見圖1，因為在冬季，冷卻塔系統是不開的，此系統的運行跟傳統制冷、熱水與供暖一體的空調系統運行完全一樣。在夏季，由于增加了冷卻塔的運行，將不需要熱回收的那部分熱量通過冷卻水帶走，進而在降低系統的冷凝溫度的同時，還增大了過冷度，這樣就能保證系統每時每刻都能在高能效比的狀態下運行，使得該系統的能效比增加，以達到節能環保的目的。

2.實驗數據分析

2.1實驗平臺的搭建

廣州某辦公樓的熱回收系統，總建筑面積為8229m2，總空調面積為5266.56 m2，空調面積占總建筑面積的64%。該建筑空調設計總冷負荷為600kW，選用兩臺特靈CXAH120型號的空氣源熱泵機組，單臺制冷量305kW，制冷輸入功率104.2kW，采用4臺高效渦旋式壓縮機，制冷劑為R407c。采用南大傲拓軟件監控調節整個系統，并實時采集系統運行數據。

冷凝器的放熱量與空調負荷的變化同步，而與生活熱水負荷變化是不同步的，機組的正常運行要求冷凝熱、冷卻水量、熱水用量平衡，常與現實不一致，所以在機組運行過程中增加熱水輔助熱源—加熱水箱，以滿足用戶的需求。

2.2夏季制冷工況分析

實驗條件：廣州地區，室外控制干球溫度35℃，室內控制干球溫度26～28℃，相對濕度45%～65%，實驗過程中熱水供應的水流量保持不變，熱水供應的進水溫度變化，導致熱水出水溫度變化，系統性能系數變化。取10個測點，分別表示不同的進水溫度。傳統熱回收系統作為系統1，改進后的系統作為系統2。實驗結果見圖2和圖3。

系統制冷性能系數COPc=制冷量/設備總輸入功率

系統總性能系數COPz=（制冷量+熱回收量）/設備總輸入功率

由圖2和圖3可見，系統的進水溫度影響著熱水的溫升量，影響著系統的各項性能系數。熱水的溫度升高量隨進水溫度的升高而降低，系統的COP隨進水溫度的升高而下降。系統2最高制冷系能系數為5.60，系統1最高性能系數4.56，改造后的系統比傳統的熱泵回收系統制冷性能系數平均提高29.47%，系統總系能系數提高22.93%。

3.總結

3.1改造后的系統——風水冷熱水空調系統比傳統的三聯供系統制冷性能系數及系統總的性能系數均有較大提高。風水冷熱水空調系統可以以五種工作模式運行，制冷，制熱，熱水，制冷+熱水，制冷+熱水，一臺機組可以解決各種工況下的需求，功能較為強大。

3.2初投資低，節能環保。風水冷熱水空調系統在夏季制冷時，隨著熱回收的提高以及冷卻塔的換熱，使冷凝熱減少，從而可以降低系統的壓縮機的能耗，提高機組性能，減少運行費用。

3.3系統的智能控制：采用觸屏按鍵和中文點陣液晶控制器，運行模式全自動切換，使用更省心、方便。

參考文獻：

[1]龔光彩，何君，曾巍等.冷凝熱回收與熱泵對建筑冷熱源的影響[J].煤氣與熱力，2006，26（2）：65.68.

[2]丁燕，劉東，宋子彥，蔣丹丹，彭艷梅.熱回收型空氣源熱泵機組性能的實驗研究[J].建筑熱能通風空調，2008年12月第27卷第6期.

[3]蔡龍俊，沈莉麗.空氣源熱泵制冷熱回收機組的技術可行性[J].能源技術，2006年12月第27卷第6期.

[4]孫麗穎，馬最良.熱回收式水一空氣熱泵機組熱源系統的性能研究[J].流體機械，2008年第36卷第10期.