“制冷、制熱”型空氣源熱泵系統(tǒng)及分析

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    摘要：本文結(jié)合實際提出一種小型中央空調(diào)用“制冷、制熱、衛(wèi)生熱水”型空氣源熱泵系統(tǒng)，能夠利用空調(diào)部分冷凝熱提供生活用衛(wèi)生熱水。該系統(tǒng)可與家用中央熱水系統(tǒng)連接。本文也論述了系統(tǒng)各部件的設(shè)計修正，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了全年運(yùn)行分析。

    關(guān)鍵詞：小型中央空調(diào) 熱泵熱水 熱回收

    前言

    在全世界共同面臨越來越升溫的能源危機(jī)面前，我國作為耗能大國，能量利用率仍然不高，但是隨著國家各種政策激勵、法規(guī)限制、獎勵機(jī)制的促進(jìn)，人們對節(jié)能越來越關(guān)注。在能源收支平衡中，熱損失占很大一部分，空調(diào)系統(tǒng)中的冷凝熱屬于低溫余熱，利用方便而且從焓平衡角度來看，熱損失也不大。在我國，中央空調(diào)在運(yùn)行時產(chǎn)生大量的冷凝熱，白白排放至大氣環(huán)境中，造成可用能量的損失。同時采用中央空調(diào)的酒店、賓館全年需要提供熱水，一般采用蒸汽供熱水，由于冬高夏低的熱水需求量，按照冬季熱水需求設(shè)計的鍋爐在夏季常常處于低負(fù)荷運(yùn)行。如能夠回收冷凝熱產(chǎn)生衛(wèi)生熱水，滿足夏季熱水需求，在冬季分擔(dān)鍋爐供熱量，降低能耗，將是一條變廢為寶的節(jié)能途徑。

    1 系統(tǒng)

    1.1不帶熱回收的風(fēng)冷冷熱水機(jī)組制冷循環(huán)
     

壓縮機(jī)地風(fēng)冷熱泵機(jī)組lgp-h圖 src="http://img.hc360.com/hp/info/images/200901/200901160937262881.jpg" border=0>

圖1 用全封閉往復(fù)式壓縮機(jī)地風(fēng)冷熱泵機(jī)組lgp-h圖

    由圖1，2～5點的過程為整個冷凝過程，其中2～3點是制冷劑的過熱段放顯熱，3～4點制冷劑放潛熱，4～5點是過冷段放顯熱過程。

    在制冷工況下運(yùn)行，4℃蒸發(fā)，49℃冷凝，5℃吸氣過熱，5℃節(jié)流過冷，冷凝熱可達(dá)制冷量的1.15~1.3倍。等熵時，壓縮機(jī)排氣口t2s為70℃左右，實際中，壓縮機(jī)排氣過熱,t2可達(dá)到83℃左右，有可能提供55～65℃的生活熱水。

    以R22為例，單位制冷劑可回收的低溫余熱為2-3段的熱量，占冷凝熱的17%左右，剩余的液相可冷凝的熱量仍大于6-1可蒸發(fā)的熱量，故即使有部分熱量被回收后，在冬季仍可以滿足設(shè)計的熱負(fù)荷。

    1.2帶熱回收的風(fēng)冷冷熱水機(jī)組

    1.2.1本熱回收機(jī)組的裝置:

    1．壓縮機(jī) 9．熱力膨脹閥 17．除垢裝置 2．電磁三通閥 10．單向閥 18．水壓傳感器 3．熱回收換熱器 11．單向閥 19．空調(diào)出水溫度傳感器 4．電磁四通閥 12．單向閥 20．出水管 5．空氣側(cè)換熱器 13．熱力膨脹閥的感溫包 21．進(jìn)水管 6．風(fēng)機(jī) 14．氣液分離器 22．生活熱水出水管 7．單向閥 15．空調(diào)水泵 23．自來水進(jìn)水管 8．高壓貯液器 16．水側(cè)換熱器圖2 熱回收機(jī)組裝置示意圖

    制冷劑循環(huán)回路：壓縮機(jī)1的排氣口依次連接四通閥4，空氣側(cè)換熱器5，單向閥7，高壓貯液器8，熱力膨脹閥9，單向閥11，水側(cè)換熱器16，四通閥4，氣液分離器14，再返回壓縮機(jī)1的吸氣口，在單向閥11出口與單向閥7的出口之間設(shè)置單向閥12，熱膨脹閥9的感溫包13安裝在四通閥4與氣液分離器14之間的連接管路上；

    1.2.2本熱回收機(jī)組的特征

    （1）在該空調(diào)裝置的壓縮機(jī)的排氣口與四通閥入口之間設(shè)置一個熱回收換熱器，該壓縮機(jī)的排氣管與熱回收換熱器內(nèi)部的制冷劑通道的入口相連，該熱回收換熱器的出口與四通閥的入口相連，生活熱水通道的進(jìn)出口分別與生活熱水進(jìn)水管和熱回收換熱器水通道的入口相連。

    （2）在該空調(diào)裝置的壓縮機(jī)的排氣口和熱回收換熱器之間設(shè)置電磁三通閥，電磁三通閥的入口和壓縮機(jī)的排氣口相連，另兩個出口分別與四通閥的入口和熱回收換熱器制冷劑通道的入口相連，熱回收換熱器制冷劑通道的出口與四通閥的入口相連。

    （3）為解決傳統(tǒng)方案中生活熱水管路容易結(jié)垢的問題，除了在熱水管路增設(shè)除垢裝置外，還在壓縮機(jī)排氣管和熱回收換熱器之間設(shè)置電磁三通閥，利用電磁三通閥轉(zhuǎn)換高溫制冷劑的流向，在熱水裝置不進(jìn)行供熱水運(yùn)行時，使高溫氣態(tài)制冷劑不經(jīng)過熱回收制冷劑而直接旁通進(jìn)入電磁四通閥，避免了高溫氣態(tài)制冷劑將熱回收換熱器內(nèi)的水繼續(xù)加熱而導(dǎo)致熱水管路結(jié)垢。
     

    2 部件組成

    2.1壓縮機(jī)

    該熱回收機(jī)組的壓縮機(jī)選型與普通風(fēng)冷冷熱水機(jī)組一致,即根據(jù)各種型號壓縮機(jī)的制冷量和蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的關(guān)系曲線（性能曲線）一般由制造廠提供。若無性能曲線作為參考，可按壓縮機(jī)產(chǎn)品樣本所提供的輸氣量選型。

    本文前面舉例指出，可回收的熱量理論上能夠達(dá)到17%，但在實際運(yùn)行中，由于換熱一側(cè)是氣相，熱阻較大，即使采用高換熱效率的板式換熱器，可能也達(dá)不到這么多。以設(shè)計一臺20kW的熱回收機(jī)組為例，根據(jù)一般工程實例，賓館所需的熱水供熱量約為其制冷量的20-30%，可適當(dāng)選取稍大容量的壓縮機(jī)，即蒸發(fā)溫度和冷凝溫度不變，制冷量提高為設(shè)計負(fù)荷的1.2-1.3倍，滿足熱水的供熱量。在本文中，設(shè)計本身還是以保證制冷效果為前提的，盡可能回收余熱。在冬季熱水需求較大的情況下，還需要使用輔助熱源。
    

　　?“集中供熱”歷年數(shù)據(jù)分析

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    2.2空氣側(cè)換熱器

    設(shè)計空冷冷凝器時,熱負(fù)荷為圖1（lgp-h圖）上制冷劑5點與3點的焓差值,小于無熱回收的機(jī)組的設(shè)計熱負(fù)荷，因為部分冷凝熱用于熱回收，被熱回收換熱器承擔(dān),所以本機(jī)組的空冷冷凝器的換熱面積必然較無熱回收的機(jī)組的空冷冷凝器的換熱面積小。

    冬季進(jìn)行校核計算，由圖1（lgp-h圖）計算可得，冬季3-5段冷凝放熱量仍略大于設(shè)計負(fù)荷，而且由于選型時適當(dāng)?shù)姆糯罅藟嚎s機(jī)的容量，能夠滿足冬季的供熱量。

    2.3熱回收換熱器

    該機(jī)組的熱回收換熱器，熱回收過程為圖1（lgp-h圖）上從2點至3點的過程，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)排出，將其氣體顯熱與自來水在熱回收換熱器中交換，以加熱自來水，從而獲得55～65℃的生活熱水。

    換熱量為圖1（lgp-h圖）上制冷劑3點與2點的焓差值。

    夏季自來水進(jìn)水溫度28～30℃，生活熱水出口溫度65℃，結(jié)合制冷劑進(jìn)出口的溫度計算出平均溫差Δtm，只有5-40℃，所以只有小流量連續(xù)制備熱水，由式A=Q/(KΔtm),需要估算熱回收換熱器的傳熱系數(shù)。對于小型中央空調(diào)，熱回收負(fù)荷較小，氣相側(cè)熱阻大，一般選用板式換熱器或板翅式換熱器。

    自來水循環(huán)量:得到傳熱系數(shù)后，自來水的循環(huán)量就可依式W=Q/(cpΔt)算得。

    2.4水側(cè)換熱器

    水側(cè)換熱器在夏季即為蒸發(fā)器。其選用或設(shè)計方法與普通風(fēng)冷冷熱水機(jī)組一致，當(dāng)壓縮機(jī)選稍大容量時，根據(jù)新的負(fù)荷確定蒸發(fā)器的傳熱面積、選擇合適的蒸發(fā)器及計算載冷劑（水）流量。
    

    3 系統(tǒng)分析

    3.1夏季單獨(dú)制冷時:

    空調(diào)裝置制冷運(yùn)行，但用戶不使用熱水時，壓縮機(jī)1運(yùn)行，四通閥4關(guān)閉制冷工況，空調(diào)水泵15運(yùn)行，此時，電磁三通閥2關(guān)閉，切斷高溫制冷劑流向再熱器3的流道，而旁通進(jìn)入四通閥4，制冷劑經(jīng)過四通閥4在空氣側(cè)換熱器5內(nèi)冷凝成高壓液態(tài)制冷劑，并沿單向閥7流入高壓貯液器8，經(jīng)熱力膨脹閥9節(jié)流降壓后，沿單向閥11進(jìn)入水側(cè)換熱器16內(nèi)，吸收經(jīng)空調(diào)水泵15返回的空調(diào)用水的熱量而蒸發(fā)，z*后經(jīng)四通閥4、氣液分離器14返回壓縮機(jī)1，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的制冷運(yùn)行。

    3.2夏季制冷及供熱水聯(lián)合運(yùn)行時:

    空調(diào)裝置制冷運(yùn)行，且用戶使用熱水時，壓縮機(jī)1運(yùn)行，四通閥4關(guān)閉，空調(diào)水泵15運(yùn)行，此時，水壓傳感器18指令電磁三通閥2開啟，切斷直接進(jìn)入四通閥4的高溫制冷劑流道，使高溫制冷劑旁通到熱回收換熱器3，高溫氣態(tài)制冷劑在熱回收換熱器3中釋放部分熱量后，進(jìn)入四通閥4，其后制冷劑的流動方向和單獨(dú)制冷時相同。在熱水裝置中，自來水經(jīng)生活熱水進(jìn)水管進(jìn)入除垢裝置17后流入熱回收換熱器3中，利用壓縮機(jī)排氣的部分熱量加熱后，經(jīng)水壓傳感器18、生活熱水出水管22流向用戶。

    3.3冬季單獨(dú)采暖時:

    空調(diào)裝置采暖運(yùn)行時，但用戶不使用熱水時，壓縮機(jī)1運(yùn)行，四通閥4開啟，空調(diào)水泵15運(yùn)行，此時，電磁三通閥2關(guān)閉，切斷高溫制冷劑流向熱回收換熱[來源:論文

    器3的流道，而旁通進(jìn)入的四通閥4，制冷劑經(jīng)過四通閥4，流入水側(cè)換熱器16，在水側(cè)換熱器16內(nèi)將熱量釋放至空調(diào)熱水中并冷凝成高壓液態(tài)制冷劑，并沿單向閥12流入高壓貯液器9，經(jīng)熱力膨脹閥9節(jié)流降壓后，單向閥10進(jìn)入空氣側(cè)換熱器5內(nèi)，吸收室外空氣的熱量而蒸發(fā)，z*后經(jīng)四通閥4、氣液分離器14返回壓縮機(jī)，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的采暖運(yùn)行。

    3.4冬季采暖及供熱水聯(lián)合運(yùn)行時:

    空調(diào)裝置采暖運(yùn)行，且用戶使用熱水時，壓縮機(jī)1運(yùn)行，四通閥4開啟，空調(diào)水泵15運(yùn)行，此時，水壓傳感器18指令電磁三通閥2開啟，切斷直接進(jìn)入四通閥4的高溫制冷劑流道，使高溫制冷劑旁通進(jìn)入熱回收換熱器3，高溫制冷劑在熱回收換熱器3中釋放部分熱量后，進(jìn)入四通閥4，其后制冷劑的流動方向和單獨(dú)采暖時相同。在熱水裝置中，自來水經(jīng)生活熱水進(jìn)水管進(jìn)入除垢裝置17后流入熱回收換熱器3中，利用壓縮機(jī)排氣的部分熱量加熱后，經(jīng)水壓傳感器18、生活熱水初水管22流向用戶。   

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