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文獻(xiàn)綜述
題 目 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷
地區(qū)的應(yīng)用分析
學(xué)生姓名
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院（系）
指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）
完成時(shí)間
空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)應(yīng)用的分析
摘 要
針對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)冬季使用時(shí)結(jié)霜、熱效率低等問(wèn)題，提出一種雙級(jí)熱泵系統(tǒng)，即由空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供10~20℃溫水，作為水源熱泵的低位熱源，組成水源熱泵供熱系統(tǒng)。分析了這種系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為該系統(tǒng)是可行的，具有節(jié)能和環(huán)保意義。
關(guān)鍵詞 空氣源熱泵 水源熱泵 冷熱水機(jī)組 供暖
0 引言
由于空氣源熱泵冷熱水機(jī)組具有諸多優(yōu)點(diǎn)，作為中央空調(diào)的冷熱源，近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展很快。生產(chǎn)廠家已由1995 年的十幾家發(fā)展到現(xiàn)在的40 多家。產(chǎn)品品牌繁多，機(jī)組的冷熱量規(guī)格齊全。目前，在我國(guó)的長(zhǎng)江流域、黃河流域等地區(qū)的應(yīng)用十分廣泛［1~3］。甚至天津、西安等地也有應(yīng)用實(shí)例［4］。這表明其應(yīng)用范圍有北擴(kuò)的趨勢(shì)。而我國(guó)東北、華北、西北、內(nèi)蒙古等地區(qū)冬季室外空氣中含水量很少，其結(jié)霜問(wèn)題并不像長(zhǎng)沙等地區(qū)那么嚴(yán)重。這是否意味著，在這些寒冷地區(qū)也可以采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，在冬季為中央空調(diào)提供50℃的熱水？為尋找答案，筆者對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了初步的分析，以期為寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)創(chuàng)一條新路[5][6]。
1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)運(yùn)行中存在的問(wèn)題
以某臺(tái)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組（R22）為例。假設(shè)其在北方寒冷地區(qū)的主要城市中運(yùn)行，在室外供暖計(jì)算溫度條件下為中央空調(diào)系統(tǒng)提供 50℃熱水，計(jì)算出的機(jī)組的壓縮比值列入表 1 中。由表 1 明確看出：機(jī)組在絕大部分的城市（除西安、濟(jì)南、石家莊外）運(yùn)行時(shí)的壓縮比大于 10，哈爾濱甚至已超過(guò) 20[7]。機(jī)組運(yùn)行的壓縮比過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)下列問(wèn)題：
1）壓縮機(jī)的容積效率降低，同時(shí)，由于蒸發(fā)壓力過(guò)低，使吸氣比體積變大，制冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量變小。這樣，機(jī)組的供熱量會(huì)急劇減少。
2）活塞式壓縮機(jī)單級(jí)系統(tǒng)的壓縮比一般不超過(guò)8。
鑒于此，可以說(shuō)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在北方最寒冷的時(shí)候是無(wú)法正常運(yùn)行的。
表1-1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組設(shè)計(jì)工況時(shí)的壓縮比
室外供暖計(jì)算溫度/℃
供水溫度/℃
蒸發(fā)壓力p才/kPa
冷凝壓力pe/kPa
壓縮比pc/pe
哈爾濱
-26
50
109.92
2272.8
20.68
長(zhǎng)春
-23
50
125.94
2272.8
18.05
沈陽(yáng)
-19
50
150.11
2272.8
15.14
北京
-9
50
226.48
2272.8
10
天津
-9
50
226.48
2272.8
10
石家莊
-8
50
235.52
2272.8
9.65
太原
-12
50
200.98
2272.8
11.31
濟(jì)南
-7
50
244.83
2272.8
9.28
呼和浩特
-19
50
150.11
2272.8
15.14
銀川
-15
50
177.76
2272.8
12.79
西安
-5
50
264.29
2272.8
8.6
蘭州
-11
50
209.22
2272.8
10.86
西寧
-13
50
192.99
2272.8
11.78
烏魯木齊
-22
50
131.68
2272.8
17.26
2 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)應(yīng)用的技術(shù)措施及應(yīng)用方案
降低機(jī)組的壓縮比是空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)正常運(yùn)行的惟一途徑，因此，應(yīng)采用技術(shù)措施降低該值[8]。利用機(jī)組向用戶(hù)提供10~20℃的水，而不提供50℃水，可以降低機(jī)組運(yùn)行的壓縮比；這低溫水再作為水源熱泵的低位熱源，由水源熱泵向室內(nèi)供暖。按此思想，提出3種工程上可行的方案。
方案1 利用空氣源冷熱水機(jī)組提供的10~20℃水作為水環(huán)熱泵的輔助熱源，與水—空氣熱泵組成雙級(jí)熱泵系統(tǒng)，如圖1所示。冬季，機(jī)組從室外空氣中吸取熱量，再通過(guò)水—空 氣 熱 泵加熱室內(nèi)空氣，以達(dá)供暖目的；夏季，室內(nèi)的余熱通過(guò)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組或冷卻塔向室外釋放。該方案可解決由于目前我國(guó)各類(lèi)建筑物內(nèi)的余熱量?。▋?nèi)部負(fù)荷不大，建筑物的內(nèi)區(qū)面積又?。o(wú)法使用傳統(tǒng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的問(wèn)題。
圖2-1 作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低位熱源時(shí)的系統(tǒng)示意圖
1 水—空氣熱泵 2熱泵水環(huán)路中的循環(huán)水泵 3板式換熱器 4冷卻塔水環(huán)路中的循環(huán)泵 5空氣—水熱泵（空氣源熱泵冷熱水機(jī)組） 6開(kāi)式冷卻塔 7膨脹水箱
方案2 利用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供的10~20℃水，作為戶(hù)式水—水熱泵的低位熱源（見(jiàn)圖2）。與方案1不同的地方是，室內(nèi)使用的小型熱泵機(jī)組不是水—空氣熱泵，而 是 水—水熱泵，冬季向室內(nèi)提供40~50℃熱水，再通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加熱室內(nèi)空氣，此方案可以解決目前常用井水作為戶(hù)式 水—水 熱泵的低位熱源時(shí)，出現(xiàn)的水井老化、井水回灌困難、寒冷地區(qū)地下水水溫低等問(wèn)題，同時(shí)也不受地下水資源的限制。
圖2-2 作為戶(hù)式水—水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低位熱源時(shí)的系統(tǒng)示意圖
1風(fēng)機(jī)盤(pán)管 2戶(hù)內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管水系統(tǒng)循環(huán)泵 3戶(hù)式水—水熱泵 4室內(nèi)水系統(tǒng)膨脹水箱 5熱泵水環(huán)路中的循環(huán)水泵 6板式換熱器 7冷卻塔水環(huán)路中的循環(huán)泵 8空氣—水熱泵（空氣源熱泵冷熱水機(jī)組） 9開(kāi)式冷卻塔 10膨脹水箱
方案3 類(lèi)似于方案2，只是將分散的戶(hù)式水—水熱泵改為集中式的水—水熱泵（見(jiàn)圖3），集中制備50℃熱水，再通過(guò)水系統(tǒng)將熱水送至各室內(nèi)的末端裝置（如風(fēng)機(jī)盤(pán)管、輻射供暖系統(tǒng)等），通過(guò)末端裝置加熱室內(nèi)空氣，以達(dá)供暖目的。
3 應(yīng)用方案的可行性
為了初步評(píng)價(jià)應(yīng)用方案的可行性，對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組作一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列入表2，表3中。表2給出供20℃或13℃水時(shí)機(jī)組的壓縮比和容積效率ηv值，表3給出機(jī)組由室外空氣溫度-5℃，提供50℃熱水的工況變化到室外供暖計(jì)算溫度，提供20℃水或13℃水工況時(shí)供熱量的變化率。
表3-1 機(jī)組的壓縮比和容積效率值
室外供暖計(jì)算溫度/℃
pe/kPa
吸氣比體積
供20℃水pc/kPa
pc/pe
ηv
供13℃水pc/kPa
pc/pe
ηv
哈爾濱
-26
109.92
0.197
1101.4
10.02
0.426
909.93
8.28
0.515
長(zhǎng)春
-23
125.94
0.1735
1101.4
8.75
0.491
909.93
7.23
0.571
沈陽(yáng)
-19
150.11
0.1472
1101.4
7.43
0.565
909.93
6.06
0.634
北京
-9
226.48
0.0999
1101.4
4.86
0.7
909.93
4.02
0.749
天津
-9
226.48
0.0999
1101.4
4.86
0.7
909.93
4.02
0.749
石家莊
-8
235.52
0.0963
1101.4
4.68
0.711
909.93
3.86
0．758
太原
-12
200.98
0.1119
1101.4
5.48
0.666
909.93
4.53
0.719
濟(jì)南
-7
244.83
0.0928
1101.4
4.5
0.721
909.93
3.72
0.766
呼和浩特
-19
150.11
0.1472
1101.4
7.34
0.565
909.93
6.06
0.634
銀川
-15
177.76
0.1255
1101.4
6.2
0.626
909.93
5.12
0.686
西安
-5
264.29
0.0864
1101.4
4.17
0.74
909.93
3.44
0.783
蘭州
-11
209.22
0.1077
1101.4
5.26
0.678
909.93
4.35
0.729
西寧
-13
192.99
0.1162
1101.4
5.71
0.653
909.93
4.71
0.71
烏魯木齊
-22
131.68
0.1664
1101.4
8.36
0.511
909.93
6.91
0.588
圖3-1作為集中式水—水熱泵的低位熱源時(shí)的系統(tǒng)流程圖
1輻射板供暖系統(tǒng) 2室內(nèi)水系統(tǒng)膨脹水箱 3風(fēng)機(jī)盤(pán)管 4末端裝置水系統(tǒng)循環(huán)泵 5集中式水—水熱泵 6熱泵水環(huán)路中的循環(huán)水泵 7板式換熱器 8冷卻塔水環(huán)路中的循環(huán)泵 9空氣—水熱泵（空氣源熱泵冷熱水機(jī)組） 10開(kāi)式冷卻塔 11膨脹水箱
表3-2 機(jī)組的供熱量和從空氣中吸取熱量的變化率
機(jī)組供熱量變化率Qc/Qc-5
機(jī)組從空氣中吸熱量變化率Qc/Qc-5
供20℃水時(shí)
供13℃水時(shí)
供20℃水時(shí)
供13℃水時(shí)
哈爾濱
0.4479
0.5477
0.4663
0.5965
長(zhǎng)春
0.5779
0.6827
0.6170
0.7574
沈陽(yáng)
0.7734
0.8820
0.8465
1.0021
北京
1.3629
1.4892
1.5868
1.7887
天津
1.3629
1.4892
1.5868
1.7887
石家莊
1.4370
1.5595
1.6767
1.8830
太原
1.1729
1.2882
1.3382
1.5226
濟(jì)南
1.5075
1.6303
1.7684
1.9787
呼和浩特
0.7734
0.8820
0.8465
1.0021
銀川
0.9914
1.1048
1.1115
1.2843
西安
1.6537
1.7819
1.9613
2.1852
蘭州
1.2364
1.3526
1.4796
1.6074
西寧
1.1104
1.2281
1.2596
1.4436
烏魯木齊
0.6250
0.7305
0.6714
0.8154
當(dāng)室外氣溫為-5℃時(shí)，向用戶(hù)提供50℃熱水，機(jī)組的壓縮比為(8.6，容積效率為0.499。與表2相比較，可以明顯看出：機(jī)組在室外供暖計(jì)算溫度下，提供20℃水時(shí)，除哈爾濱、長(zhǎng)春外，其余的城市中空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的壓縮比均小于8.6，而容積效率均大于0.499；若提供13℃的水時(shí)，表中所有城市選用的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的壓縮比均小于8.6，而容積效率均大于0.499。從機(jī)組的壓縮比和容積效率看，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在室外供暖設(shè)計(jì)溫度下，提供13~20℃水的工況是可以正常運(yùn)行的[9]~[13]。
當(dāng)機(jī)組在室外空氣溫度為-5℃，供50℃熱水工況下運(yùn)行時(shí)，其供熱量作為100%，則機(jī)組在室外供暖計(jì)算溫度下，提供20℃水工況時(shí)，北京、天津、石家莊、太原、濟(jì)南、蘭州等城市中，機(jī)組供熱量均大于100%，西安超過(guò)65.37%，濟(jì)南超過(guò)50.75%，最小的西寧亦達(dá)11.04%。在哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)、呼和浩特、銀川、烏魯木齊等城市中，機(jī)組供熱量小于&//6。這是因?yàn)槭彝夤┡?jì)算溫度太低，蒸發(fā)溫度亦低，使吸氣比體積太大，制冷循環(huán)的質(zhì)量流量變小之故。在這些城市中，若提供13℃水時(shí)，除銀川外，其它城市中，機(jī)組供熱量仍小于100%，不過(guò)，其減少量有所變小[14]。例如，哈爾濱地區(qū)機(jī)組的供熱量的減少值由55.21%減少到45.23%，沈陽(yáng)由22.66%減少到11.8%。這充分表明：除哈爾濱、長(zhǎng)春外，其它地區(qū)機(jī)組在供暖室外計(jì)算溫度下供13~20℃水時(shí)，其供熱量降低不多，而西北地區(qū)供熱量反而增加。
綜上所述，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供13~20℃水是可行的，機(jī)組可以正常運(yùn)行。10~20℃的水是水源熱泵的優(yōu)良的低溫?zé)嵩碵15]。另外，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組供熱性能系數(shù)（COP）平均為3，水—空氣源熱泵供熱性能系數(shù)平均為4。若不考慮其他損失時(shí)，方案1的能流圖見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，方案1的總供熱性能系數(shù)可達(dá)2.0。不過(guò)應(yīng)注意到，在整個(gè)供暖期里，出現(xiàn)供暖室外計(jì)算溫度的時(shí)間不長(zhǎng)，大部分時(shí)間的室外氣溫是高于供暖室外計(jì)算溫度的。隨著室外氣溫的升高，機(jī)組的COP值亦會(huì)升高。因此，這樣雙級(jí)熱泵供暖新系統(tǒng)的季節(jié)性能系數(shù)將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2的 [16]。
圖3-2 方案1的能流圖
4結(jié)論
4.1 在我國(guó)北方地區(qū)，由空氣源熱泵機(jī)組與水源熱泵（水—空氣熱泵或水—水熱泵）組成新型的雙級(jí)熱泵系統(tǒng)是供暖的理想系統(tǒng)之一。
4.2 在寒冷地區(qū)，采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供10~20℃的水作為水源熱泵的低位熱源時(shí)，可以解決井水作為熱泵的低位熱源時(shí)，存在水井老化，回灌困難等問(wèn)題；也可以解決目前建筑物內(nèi)余熱少或沒(méi)有余熱而無(wú)法采用傳統(tǒng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的問(wèn)題。
4.3 在寒冷地區(qū)，采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供10~20℃的水是空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在該地區(qū)可行的應(yīng)用方式。
為了更好地在寒冷地區(qū)推廣和應(yīng)用這種系統(tǒng)，筆者準(zhǔn)備在今后做如下工作：1）空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)供暖期里運(yùn)行的模擬研究與分析；
2）空氣源熱泵冷熱水機(jī)組加水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)北方地區(qū)應(yīng)用的評(píng)價(jià)；
3）在條件許可的時(shí)候，建立實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。
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