嚴(yán)寒地區(qū)CO2 空氣源熱泵機(jī)組供暖設(shè)計及能耗分析

劉洋

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司東北分院,黑龍江 哈爾濱150006）

普通的空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)使用時,容易出現(xiàn)能效比降低以及結(jié)霜現(xiàn)象,對其推廣應(yīng)用造成了阻礙。本文提出的一種使用CO2作為空氣源的熱泵供暖方案,配合使用輔助電加熱設(shè)備,可以在零下20℃的環(huán)境下正常運(yùn)行,且運(yùn)行監(jiān)測表明供熱正常、能耗較低,未出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)霜現(xiàn)象。試驗(yàn)表明,在北方嚴(yán)寒地區(qū),基于CO2空氣源熱泵機(jī)組的供暖系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用效果。

1 CO2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

某工業(yè)廠房所在城市屬于嚴(yán)寒地區(qū),冬季最低氣溫可達(dá)-21.5℃。傳統(tǒng)冷媒空氣源熱泵在實(shí)際應(yīng)用過程中,因?yàn)橥饨鐪囟容^低會造成效率明顯降低,因此該工業(yè)廠房決定使用CO2空氣源熱泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備進(jìn)行供暖。新供暖系統(tǒng)主要涵蓋了3 個模塊,分別是CO2空氣源熱泵機(jī)組,封閉式水循環(huán)模塊,以及柔性布袋送風(fēng)模塊。整個供暖系統(tǒng)均由一臺工業(yè)PLC 進(jìn)行全面控制。該系統(tǒng)共計6 條風(fēng)道,其中5 條為普通風(fēng)道,1 條為CO2風(fēng)道。在循環(huán)水箱內(nèi)安裝1 臺額定功率為180kW 的輔助電加熱裝置。配合測溫元件,當(dāng)寒冷天氣下溫度降低至0℃以下后,由系統(tǒng)控制電加熱裝置提供熱量,避免低溫結(jié)霜或是凍壞設(shè)備。

1.2 CO2 空氣源熱泵機(jī)組

該系統(tǒng)中選用的熱源設(shè)備是遼寧海安鑫機(jī)械設(shè)備公司生產(chǎn)的80CY 型號的CO2空氣源熱泵,整個系統(tǒng)中共計6 臺。該設(shè)備在10℃以上環(huán)境中,制熱量為60kW；在-10℃以下的環(huán)境中,制熱量為30kW。另外嚴(yán)寒環(huán)境下還必須考慮因?yàn)榈蜏貙?dǎo)致的效率損失,以5%的融霜系數(shù)計算,單臺空氣源熱泵的制熱量為28.5kW。在設(shè)備的具體組成上,核心元件有轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、軸流風(fēng)機(jī)、油分離器、過濾器等。空氣源熱泵采用采用螺絲固定的方式,兩臺為一組,固定在鋼質(zhì)底座上。兩臺設(shè)備共用一條排氣管,在排氣管的一側(cè)有一條排水管,負(fù)責(zé)將空氣源熱泵排出的熱水輸入到循環(huán)水箱中,實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動。為了避免在低溫情況下出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象,該系統(tǒng)中采用“壓縮機(jī)+蒸發(fā)器”組合的方式,自動調(diào)控?fù)Q熱管溫度,這樣就可以減少換熱管與外界環(huán)境之間的溫度差,達(dá)到融霜效果。融霜產(chǎn)生的水匯集到底部的集水槽,最后集中處理。

1.3 末端散熱設(shè)備

供暖系統(tǒng)中的末端散熱設(shè)備采用吊頂式空調(diào)機(jī)組,為了保證散熱效果,同時安裝2 臺空調(diào)機(jī),主機(jī)的風(fēng)量為10000m3/h,副機(jī)的風(fēng)量為6000m3/h。在末端設(shè)備的出口處,連接一條柔性布袋風(fēng)道,可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況,靈活調(diào)節(jié)送風(fēng)口的開閉程 度來改變送風(fēng)量。整個末端散熱設(shè)備共有6 條風(fēng)道,其中1-5#條為常規(guī)風(fēng)道,6#為CO2風(fēng)道,具體設(shè)計指標(biāo)如表1 所示。

表1 不同風(fēng)道的基本指標(biāo)

2 運(yùn)行監(jiān)測與分析

2.1 CO2 空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

在啟動運(yùn)行時,在變頻控制器的作用下,6 臺機(jī)組按照次序相繼投入運(yùn)行。試驗(yàn)時間為7 天,采用7×24h 監(jiān)測模式,觀察試驗(yàn)周期內(nèi)是否發(fā)生運(yùn)行問題。運(yùn)行期間改變環(huán)境溫度,調(diào)節(jié)范圍從-15℃-10℃。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,在最低溫度下排氣壓力為7.7MPa,出水溫度是52℃；在最高溫度下排氣壓力為9.6MPa,出水溫度是66℃。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器有輕微結(jié)霜現(xiàn)象,但是很快融化,融霜時間為8-12 分鐘。另外,監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)排氣管有不同程度的振動情況,與外界溫度有一定的關(guān)聯(lián)。分析認(rèn)為,當(dāng)溫度較低時,壓縮機(jī)運(yùn)行功率較高,產(chǎn)生共振導(dǎo)致排氣管的振動頻率增加。采取減震措施后,排氣管振動情況得到明顯改善。

2.2 送風(fēng)溫度與風(fēng)速監(jiān)測

試驗(yàn)中選擇了DT8897 溫度風(fēng)速儀,T 型熱電偶,以及一臺大容量的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。在正式開展試驗(yàn)前,技術(shù)人員需要對各臺設(shè)備進(jìn)行校正,以消除測量誤差。選擇系統(tǒng)中的2#、4#和6#管道分別開展測量,結(jié)果表明：在出水溫度相同的情況下,隨著風(fēng)速的降低,送風(fēng)溫度也呈現(xiàn)出下降趨勢。以4#管為例,實(shí)際檢測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 4#送風(fēng)溫度與風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果

2.3 送風(fēng)溫度與風(fēng)速分析

結(jié)合表2 中4#管道的監(jiān)測數(shù)據(jù),在送風(fēng)管道的0m 處（即管道與送風(fēng)口相接部位）,風(fēng)管芯部的實(shí)際溫度要比出水溫度低3-4℃；隨著送風(fēng)管道長度的增加,在距離送風(fēng)口5m 處時,出水溫度為40℃的情況下,芯部溫度只有30.5℃；在距離送風(fēng)口20m 處,芯部溫度只有22.8℃。風(fēng)管長度越長的情況下,風(fēng)速也會相應(yīng)的減小,送風(fēng)溫度相應(yīng)的降低。并且送風(fēng)溫度與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系,還會受到出水溫度和監(jiān)測位置的影響。例如,在出水溫度相同的情況下,工位溫度隨著風(fēng)速的減小,送風(fēng)溫度更低；在監(jiān)測位置相同的情況下,出水溫度越高,則風(fēng)速衰減對送風(fēng)溫度變化的影響較小。

3 嚴(yán)寒地區(qū)CO2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)應(yīng)用的能耗分析

3.1 建筑模型參數(shù)設(shè)置

3.2 能耗分析

當(dāng)系統(tǒng)的外設(shè)溫度檢測儀檢測到環(huán)境溫度低于10℃時,后臺PLC 將根據(jù)溫度檢測儀反饋的信號自動發(fā)出啟動指令,空氣源熱泵運(yùn)行并開始進(jìn)行供暖。室外空氣溫度與建筑熱負(fù)荷、熱泵制熱量的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 不同室溫下熱負(fù)荷與制熱量的變化

從圖1 可以發(fā)現(xiàn),隨著室外溫度逐漸上升,建筑熱負(fù)荷相應(yīng)的減小,并且兩者呈明顯的線性關(guān)系；相反,熱泵制熱量則穩(wěn)步上升,兩條線在-4℃的時候出現(xiàn)了交點(diǎn),此時即為制熱量與熱負(fù)荷的平衡點(diǎn)。以該點(diǎn)為分界線,如果制熱量超過熱負(fù)荷,則說明熱泵供熱能力超出建筑使用需求,此時會出現(xiàn)能源浪費(fèi)的情況。如果制熱量達(dá)不到熱負(fù)荷,則需要同時啟動輔助加熱器,此時能耗就會增加。因此,在室外溫度處于-4℃時,該系統(tǒng)可以獲得最佳節(jié)能效益。

另外,在制熱量超過熱負(fù)荷時,可以嘗試降低熱泵機(jī)組運(yùn)行功率的方式,適當(dāng)降低能耗。同樣的,如果制熱量達(dá)不到熱負(fù)荷,則需要使用輔助熱源。在選擇輔助熱源時,也要優(yōu)先考慮那些能耗較低的類型。結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn),選擇太陽能集熱器進(jìn)行輔助加熱是一種節(jié)能效果較好的選擇。空氣源熱泵+太陽能輔助供熱的系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 空氣源熱泵+太陽能集熱器系統(tǒng)

試驗(yàn)結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的電加熱器輔助供暖,替換為太陽能集熱器之后能耗可降低20%-25%,節(jié)能效益明顯。

4 結(jié)論

CO2空氣源熱泵是一種適合嚴(yán)寒地區(qū)供暖系統(tǒng)的常用設(shè)備,在使用過程中必須考慮能耗問題。為了解決結(jié)霜問題,保證制熱量達(dá)到建筑熱負(fù)荷要求,需要使用輔助加熱措施。采用太陽能集熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電加熱輔助,節(jié)能效果明顯。