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“制冷、制热”型空气源热泵系统及分析

 

    摘要:本文结合实际提出一种小型中央空调用“制冷、制热、卫生热水”型空气源热泵系统,能够利用空调部分冷凝热提供生活用卫生热水。该系统可与家用中央热水系统连接。本文也论述了系统各部件的设计修正,并对该系统进行了全年运行分析。

    关键词:小型中央空调 热泵热水 热回收

    前言

    在全世界共同面临越来越升温的能源危机面前,我国作为耗能大国,能量利用率仍然不高,但是随着国家各种政策激励、法规限制、奖励机制的促进,人们对节能越来越关注。在能源收支平衡中,热损失占很大一部分,空调系统中的冷凝热属于低温余热,利用方便而且从焓平衡角度来看,热损失也不大。在我国,中央空调在运行时产生大量的冷凝热,白白排放至大气环境中,造成可用能量的损失。同时采用中央空调的酒店、宾馆全年需要提供热水,一般采用蒸汽供热水,由于冬高夏低的热水需求量,按照冬季热水需求设计的锅炉在夏季常常处于低负荷运行。如能够回收冷凝热产生卫生热水,满足夏季热水需求,在冬季分担锅炉供热量,降低能耗,将是一条变废为宝的节能途径。

    1 系统

    1.1不带热回收的风冷冷热水机组制冷循环    

图1 用全封闭往复式压缩机地风冷热泵机组lgp-h图

    由图1,2~5点的过程为整个冷凝过程,其中2~3点是制冷剂的过热段放显热,3~4点制冷剂放潜热,4~5点是过冷段放显热过程。

    在制冷工况下运行,4℃蒸发,49℃冷凝,5℃吸气过热,5℃节流过冷,冷凝热可达制冷量的1.15~1.3倍。等熵时,压缩机排气口t2s为70℃左右,实际中,压缩机排气过热,t2可达到83℃左右,有可能提供55~65℃的生活热水。

    以R22为例,单位制冷剂可回收的低温余热为2-3段的热量,占冷凝热的17%左右,剩余的液相可冷凝的热量仍大于6-1可蒸发的热量,故即使有部分热量被回收后,在冬季仍可以满足设计的热负荷。

    1.2带热回收的风冷冷热水机组

    1.2.1本热回收机组的装置:

   

1.压缩机 9.热力膨胀阀 17.除垢装置
2.电磁三通阀 10.单向阀 18.水压传感器
3.热回收换热器 11.单向阀 19.空调出水温度传感器
4.电磁四通阀 12.单向阀 20.出水管
5.空气侧换热器 13.热力膨胀阀的感温包 21.进水管
6.风机 14.气液分离器 22.生活热水出水管
7.单向阀 15.空调水泵 23.自来水进水管
8.高压贮液器 16.水侧换热器
图2 热回收机组装置示意图

    制冷剂循环回路:压缩机1的排气口依次连接四通阀4,空气侧换热器5,单向阀7,高压贮液器8,热力膨胀阀9,单向阀11,水侧换热器16,四通阀4,气液分离器14,再返回压缩机1的吸气口,在单向阀11出口与单向阀7的出口之间设置单向阀12,热膨胀阀9的感温包13安装在四通阀4与气液分离器14之间的连接管路上;

    1.2.2本热回收机组的特征

    (1)在该空调装置的压缩机的排气口与四通阀入口之间设置一个热回收换热器,该压缩机的排气管与热回收换热器内部的制冷剂通道的入口相连,该热回收换热器的出口与四通阀的入口相连,生活热水通道的进出口分别与生活热水进水管和热回收换热器水通道的入口相连。

    (2)在该空调装置的压缩机的排气口和热回收换热器之间设置电磁三通阀,电磁三通阀的入口和压缩机的排气口相连,另两个出口分别与四通阀的入口和热回收换热器制冷剂通道的入口相连,热回收换热器制冷剂通道的出口与四通阀的入口相连。

    (3)为解决传统方案中生活热水管路容易结垢的问题,除了在热水管路增设除垢装置外,还在压缩机排气管和热回收换热器之间设置电磁三通阀,利用电磁三通阀转换高温制冷剂的流向,在热水装置不进行供热水运行时,使高温气态制冷剂不经过热回收制冷剂而直接旁通进入电磁四通阀,避免了高温气态制冷剂将热回收换热器内的水继续加热而导致热水管路结垢。     

    2 部件组成

    2.1压缩机

    该热回收机组的压缩机选型与普通风冷冷热水机组一致,即根据各种型号压缩机的制冷量和蒸发温度、冷凝温度的关系曲线(性能曲线)一般由制造厂提供。若无性能曲线作为参考,可按压缩机产品样本所提供的输气量选型。

    本文前面举例指出,可回收的热量理论上能够达到17%,但在实际运行中,由于换热一侧是气相,热阻较大,即使采用高换热效率的板式换热器,可能也达不到这么多。以设计一台20kW的热回收机组为例,根据一般工程实例,宾馆所需的热水供热量约为其制冷量的20-30%[5],可适当选取稍大容量的压缩机,即蒸发温度和冷凝温度不变,制冷量提高为设计负荷的1.2-1.3倍,满足热水的供热量。在本文中,设计本身还是以保证制冷效果为前提的,尽可能回收余热。在冬季热水需求较大的情况下,还需要使用辅助热源。    

    2.2空气侧换热器

    设计空冷冷凝器时,热负荷为图1(lgp-h图)上制冷剂5点与3点的焓差值,小于无热回收的机组的设计热负荷,因为部分冷凝热用于热回收,被热回收换热器承担,所以本机组的空冷冷凝器的换热面积必然较无热回收的机组的空冷冷凝器的换热面积小。

    冬季进行校核计算,由图1(lgp-h图)计算可得,冬季3-5段冷凝放热量仍略大于设计负荷,而且由于选型时适当的放大了压缩机的容量,能够满足冬季的供热量。

    2.3热回收换热器

    该机组的热回收换热器,热回收过程为图1(lgp-h图)上从2点至3点的过程,高温高压的制冷剂气体从压缩机排出,将其气体显热与自来水在热回收换热器中交换,以加热自来水,从而获得55~65℃的生活热水。

    换热量为图1(lgp-h图)上制冷剂3点与2点的焓差值。

    夏季自来水进水温度28~30℃,生活热水出口温度65℃,结合制冷剂进出口的温度计算出平均温差Δtm,只有5-40℃,所以只有小流量连续制备热水,由式A=Q/(KΔtm),需要估算热回收换热器的传热系数。对于小型中央空调,热回收负荷较小,气相侧热阻大,一般选用板式换热器或板翅式换热器。

    自来水循环量:得到传热系数后,自来水的循环量就可依式W=Q/(cpΔt)算得。

    2.4水侧换热器

    水侧换热器在夏季即为蒸发器。其选用或设计方法与普通风冷冷热水机组一致,当压缩机选稍大容量时,根据新的负荷确定蒸发器的传热面积、选择合适的蒸发器及计算载冷剂(水)流量。    

    3 系统分析

    3.1夏季单独制冷时:

    空调装置制冷运行,但用户不使用热水时,压缩机1运行,四通阀4关闭制冷工况,空调水泵15运行,此时,电磁三通阀2关闭,切断高温制冷剂流向再热器3的流道,而旁通进入四通阀4,制冷剂经过四通阀4在空气侧换热器5内冷凝成高压液态制冷剂,并沿单向阀7流入高压贮液器8,经热力膨胀阀9节流降压后,沿单向阀11进入水侧换热器16内,吸收经空调水泵15返回的空调用水的热量而蒸发,最后经四通阀4、气液分离器14返回压缩机1,实现空调系统的制冷运行。

    3.2夏季制冷及供热水联合运行时:

    空调装置制冷运行,且用户使用热水时,压缩机1运行,四通阀4关闭,空调水泵15运行,此时,水压传感器18指令电磁三通阀2开启,切断直接进入四通阀4的高温制冷剂流道,使高温制冷剂旁通到热回收换热器3,高温气态制冷剂在热回收换热器3中释放部分热量后,进入四通阀4,其后制冷剂的流动方向和单独制冷时相同。在热水装置中,自来水经生活热水进水管进入除垢装置17后流入热回收换热器3中,利用压缩机排气的部分热量加热后,经水压传感器18、生活热水出水管22流向用户。

    3.3冬季单独采暖时:

    空调装置采暖运行时,但用户不使用热水时,压缩机1运行,四通阀4开启,空调水泵15运行,此时,电磁三通阀2关闭,切断高温制冷剂流向热回收换热[来源:论文

    器3的流道,而旁通进入的四通阀4,制冷剂经过四通阀4,流入水侧换热器16,在水侧换热器16内将热量释放至空调热水中并冷凝成高压液态制冷剂,并沿单向阀12流入高压贮液器9,经热力膨胀阀9节流降压后,单向阀10进入空气侧换热器5内,吸收室外空气的热量而蒸发,最后经四通阀4、气液分离器14返回压缩机,实现空调系统的采暖运行。

    3.4冬季采暖及供热水联合运行时:

    空调装置采暖运行,且用户使用热水时,压缩机1运行,四通阀4开启,空调水泵15运行,此时,水压传感器18指令电磁三通阀2开启,切断直接进入四通阀4的高温制冷剂流道,使高温制冷剂旁通进入热回收换热器3,高温制冷剂在热回收换热器3中释放部分热量后,进入四通阀4,其后制冷剂的流动方向和单独采暖时相同。在热水装置中,自来水经生活热水进水管进入除垢装置17后流入热回收换热器3中,利用压缩机排气的部分热量加热后,经水压传感器18、生活热水初水管22流向用户。 

   4 结论

    一般风冷冷水机组在运行时放出大量冷凝热,本机组在压缩机的排气口与四通阀入口之间设置一个热回收换热器,在保证制冷循环不受影响的前提下,在空调运行时,回收一部分冷凝热,即高温高压的制冷剂气体的气体显热,制造生活热水,适用于宾馆、酒店。夏季由于热水用量较冬季小,可以完全由本热回收换热器提供热水,无需辅助热源;冬季,由于热水用量较大,必须使用辅助热源。从经济性分析可知,该机组保证制冷循环的同时,仅增加了一台热回收换热器,系统选型时,负荷可按设计所需制冷量的1.2-1.3倍计算,以最大可能的回收余热,承担夏季供热水的需求,;冬季如果热水需求量较大,则采用辅助热源二次加热,而没有无限制的选大容量的部件来满足冬季供热水,造成空调制冷或制热量的浪费。

    参考文献

    1 郭庆堂吴进发,简明空调用制冷设计手册,北京:中国建筑工业出版社,1999.4

    2 蒋能照张华,家用中央空调实用技术,北京:机械工业出版社,2002.3

    3 杨学麟,板式换热器工程设计手册,北京:机械工业出版社,1995

    4 ASHRAE Transaction technical and symposium papers presented at the 2001 winter meeting in Atlanta, Georgia of the American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers, Inc, 2001, volume 107, part 1

    5 董明.星级酒店中央空调冷凝热的回收利用.[J]中国给水排水,2004,4 

来源: 深圳建设网
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