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气水双热源热泵

投稿时间:2018-05-16 13:44 投稿人:罗良宜 【字号: 访问量:

目前供暖、空调、热水已经是现在城市人们生活和工作中必不可少的刚性需求,已经占到建筑物能源消耗量的2/3左右,已经占到总能源消耗量的22%左右;中国目前主流技术采用燃煤供暖+空调供冷,供冷、供暖两套独立系统,双倍投资成本,而且燃煤供暖是雾霾形成的重要罪魁祸首,空调负荷则是夏季电网尖峰负荷形成的罪魁祸首。由于我国以煤为主的资源禀赋特点,长期以来,北方地区冬季取暖以燃煤为主。截至2016年底,我国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿平方米,其中燃煤取暖面积约83%,取暖用煤年消耗约4亿吨标煤,当前国家从环保优先的角度来决策,规划2021年清洁供暖替代率到达70%约140亿平方米,正在国家层面加大补贴力度采用清洁供暖替代燃煤供暖,其中空气源热泵被寄予厚望,2016年以来,热泵采暖市场实现了10倍以上的增长,产品供不应求。空气源热泵的热源是空气,优点:1.空气热源取之不尽,用之不竭,处处都有,2. -5℃以上环境温度,制热高效。缺点:1.低温制热低能低效(-20℃环境COP低于2.0);2.制冷低效高能耗(制冷EER3.0左右,耗电量几乎是冷水机组的2倍),3.融霜效率低(通常降低热泵机组制热效率约20%),4.低温环境下不能利用自然环境中较为丰富的热源--水冰相变的潜热高效制热,5.不能制冰蓄冷供冷。适用于:-5℃以上环境制热。不适用于1.供冷,2.低温环境(-20℃以下)制热,3.高湿低温环境下制热。所以如何充分保持空气源热泵-5℃以上环境制热高效的优势同时解决空气源热泵在-5温度以下尤其是超低温环境下制热低能低效的问题是实现热泵全天候全地域洁净供暖的重要课题。

通常热泵能大规模利用的自然热源有空气和水,空气和水主要吸收太阳辐射热量和地热,可以重复利用。空气一直保持流动状态,可以方便提取温差热,空气源热泵让人充满期待;但热泵制热的制热能力和制热效率主要由热泵制热过程中的蒸发温度决定,热泵制热过程中的蒸发温度主要由低品位热源的温度决定,空气的温度随气候变化而变化,利用-20℃空气热源比利用0℃的空气热源的热泵制热能力会大幅降低40%同时制热效率也会大幅降低40%,如此空气源热泵的稳定性变差。水有温差热量和水冰相变潜热热量,水接近于0℃就会有结冰破坏水源热泵机组换热器的风险,失去温差热提取价值,北方冬天10℃以上的温水资源很少,因而以水的温差热为热源的水源热泵使用极度受限,而10℃以下具有大量水冰相变潜热的大量城市污水中水没有得到有效利用;如果水源热泵能够利用0℃水冰相变潜热热源,北方供暖的市场格局将产生翻天覆地的变革。我国绝大部分地区大部分时间的环境温度保持在-5℃以上,结合高效融霜技术,在此工况下,采用空气源热泵制热高效节能环保,不需消耗水源。在-5℃以下环境,才使用水冰相变潜热制热,能少耗水,能大幅减少热泵机组供暖季的需水总量,而城市污水中水水量相对丰富,结合河水等,水冰相变潜热热源完全可以满足热泵机组的大规模应用;水冰相变制热效率与环境温度无关,即使在-50℃环境温度下,热泵机组的制热能效依然高效。高效空气源热泵工况结合高效水冰相变制热工况,可以突破常规空气源热泵低温低效的关键缺陷,突破水源热泵温水资源限制的关键缺陷,充分利用常温下空气源温差的高品位热源优势,也充分利用了水冰相变潜热高品位热源不随环境温度变化,在低温、超低温环境下,热泵机组依然高效节能环保的优势,而且水源总体需求量少,利用城市污水中水水源即可,水源有充分保障。

气水双热源热泵基于采用高温度的热源可以提高蒸发温度来达到提高热泵制热能效的目的,机组蒸发器采用空气源蒸发器和制冰蒸发器并联,分别运行空气源制热模式和制冰制热模式,设计原理图如下图。在-5℃以上常温环境优先采用常温空气热源运行空气源制热模式,叠加采用稳流控压连续融霜技术提高热泵融霜效率减少热泵融霜热损失提高热泵制热能力;在-5℃以下低温环境优先采用城市污水中水的水冰相变潜热热源运行制冰制热模式,叠加采用控温融霜脱冰制冰技术,充分利用了自然高品位热源之空气温差热和水冰相变潜热,实现了全天候环境下提高热泵机组制热蒸发温度提高热泵制热能效的目的,气水双热源热泵不仅具有冬季热泵全天候制热高效节能环保的优点,同时还具有夏季制冰高效低成本的优点,在洁净供暖、蓄冰节能供冷、电网削峰填谷、冷暖热水三联供方面具有广阔的市场空间及应用价值,气水双热源热泵可能会成为制冷、供暖、热水行业的主流产品。

采用空气源制热模式稳流控压连续融霜技术,可以解决空气源热泵融霜低效的问题,采用翅片式蒸发器分组并联,一组翅片式蒸发器融霜,其他组翅片式蒸发器还在连续制热;从压缩机排气口引出高压旁通热气,通过压力控制旁通阀对除霜翅片式蒸发器及其旁通支路制冷剂压力的稳定控制,使除霜翅片式蒸发器所产生的液体制冷剂能保持稳定流量通过节流阀与制热主循环系统通过膨胀阀节流的液态制冷剂混合后一起流入机组制热主循环系统的其他处于制热工况的翅片式蒸发器,使翅片式蒸发器除霜过程对主机机组制热主循环系统运行过程中制冷剂流量、温度和压力稳定性的影响很小,整机运行连续稳定高效,配置成本低,提高空气源热泵机组制热能力和运行效率,融霜过程对空气源制热模式的制热效率的影响从20%左右控制到10%左右,可以提高融霜效率50%以上。

制冰制热模式采用控温融霜脱冰制冰技术,制冰蒸发器采用分组并联,采用吹胀式蒸发器分组并联,一组吹胀式蒸发器融霜脱冰,其他组翅片式蒸发器还在连续制冰制热;从压缩机排气口引出高压旁通热气,通过压力控制旁通阀和回液膨胀阀对融冰脱冰吹胀式蒸发器及其旁通支路制冷剂温度(1℃)、压力的稳定控制,使融冰脱冰所产生的液体制冷剂能保持稳定流量通过节流自动流入制热主循环系统的分液器,使蒸发器融冰脱冰过程对制热主循环系统运行过程中制冷剂流量、温度和压力稳定性的影响很小,还防止高温热气流过的制冰蒸发器局部表面温度过高、对制冰蒸发器热冲击大、局部融冰温差大、局部传热快、热量消耗大、融冰量过多,使制冰蒸发器可以使用传热高效、成本低的吹胀式蒸发器,大幅提高制冰制热蒸发温度;由于整机运行连续稳定,蒸发温度高,可以使用低成本高效空调压缩机,系统配置成本低,降低投资成本和运行费用,优化主机部件配置,可以使用吹胀式蒸发器,使用空调标准压缩机,还通过吹胀式蒸发器的加厚设计,流道低吹胀高度(吹胀高度仅1mm左右)设计,低脱冰频率(1500次/年)调整,限用含余氯的自来水,解决了吹胀式蒸发器应用的脱冰磨损、腐蚀隐患,对于有腐蚀性的水源如海水,可以采用吹胀不锈钢换热器,制热副产冰砂可以资源化处理也可以外排。制冰蒸发器制热模式的制热效率COP大于3.3。

创新点:

1. 采用空气源蒸发器和制冰蒸发器并联,既能利用高温度空气温差能有能利用水冰相变潜热之自然热源资源,分别高效运行空气源制热模式和制冰制热模式。

2. 采用稳流控压连续融霜技术,解决空气源热泵融霜低效问题,提高机组制热能效。

3. 采用控温融霜脱冰制冰技术,提高制冰制热蒸发温度,提高制热能效,降低机组配套成本。

4. 制冰制热工况在夏季用于冰蓄冷空调节能供冷,为用户大幅节省电费,为电网削峰填谷,经济效益和社会效益都很显著。

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