中高溫水源熱泵設(shè)計淺談

王紅燕

摘 要:本文闡述了一種中高溫水源熱泵機(jī)組。介紹了中高溫水源熱泵的工質(zhì)和系統(tǒng),通過在不同冷卻水溫及冷凍水溫運行的變化規(guī)律,結(jié)果表明可以制取70℃以上的熱水并可穩(wěn)定運行,為節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞:中高溫水源熱泵工質(zhì)系統(tǒng)節(jié)能

中圖分類號:TU83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0018-02

1 引言

水源熱泵機(jī)組是一種利用地下水、土壤或地表水等地下淺層地能資源的冷熱兼用型的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。機(jī)組利用地下水和土壤溫度相對穩(wěn)定的特點,通過地下水或深埋土壤的管路系統(tǒng)進(jìn)行熱量交換,實現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)移。冬季時將從水源中吸取的低品位熱量轉(zhuǎn)移至室內(nèi),實現(xiàn)對房間供暖。夏季時則從室內(nèi)取出熱量,釋放到水源,實現(xiàn)對房間的供冷。普通水源熱泵機(jī)組制熱時冷凍水進(jìn)水溫度15℃,熱水出水溫度一般不超過55℃,這對于原來使用燃油、燃煤、燃?xì)獾儒仩t設(shè)備高溫用水的工程改造以及一些特殊的行業(yè)(特別是工業(yè)上的如食品和木材的干燥、化工等行業(yè))需要高溫?zé)崴鳛樯a(chǎn)資源的工程項目。55℃的供水溫度已經(jīng)不能或不完全能滿足系統(tǒng)的使用要求,從而限制了普通水源熱泵這一經(jīng)濟(jì)節(jié)能的技術(shù)的推廣應(yīng)用。而中高溫水源熱泵技術(shù)正是在這一背景下應(yīng)運而生,它利用各類工業(yè)和生活廢水中的余熱來制取60～80℃高溫?zé)崴?大大的拓展了水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用范圍。中高溫水源熱泵應(yīng)用于工業(yè)的前景是非常樂觀的。

2 中高溫水源熱泵技術(shù)

高溫水源熱泵的工作原理與普通水源熱泵相似,所不同的是能穩(wěn)定輸出更高溫度的熱水。當(dāng)?shù)推肺换厮疁囟?5～60℃時,機(jī)組可提供60～85℃的熱水,系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、控制系統(tǒng)以及環(huán)保高溫工質(zhì)構(gòu)成。這樣,熱泵機(jī)組可以源源不斷地吸收低品位水源的能量,以高溫?zé)崴蛲廨敵觥?/p>

2.1 中高溫水源熱泵工質(zhì)

傳統(tǒng)的制冷劑如R22和R134a等不能滿足高溫的需求。為保證中高溫?zé)岜迷O(shè)備在穩(wěn)定的可允許的工作壓力下運用,因熱水出水溫度高相應(yīng)的冷凝壓力較高,選用合理的制冷劑對于系統(tǒng)是非常重要。相對于普通水源熱泵,中高溫水源熱泵很難找到一種很適用的工質(zhì)。對于中高溫工質(zhì)的選擇有兩種趨勢,一種是使用自然工質(zhì)(CO2、NH3等),另一種是使用HCFCs、HFC及各成份組成的混合物。自然工質(zhì)一般工作壓力較高,或循環(huán)超過臨界區(qū),部分還具有可燃性及爆炸性危險,系統(tǒng)一般都有相應(yīng)的特殊措施去克服,所以我們傾向選用混合工質(zhì)。根據(jù)預(yù)期的環(huán)保型中高溫水源熱泵的特點,確定了篩選原則,即綜合環(huán)保性能好、以HFCs為主、合適的沸點、較好的熱工性能、與R22機(jī)組的材料和冷凍油相容、盡量選用滑移溫度小的混合物,以有利于減小成分遷移引起的可燃性和系統(tǒng)性能的變化,已在國內(nèi)商業(yè)化生產(chǎn)。從而主要考慮了以下因素:環(huán)保方面:臭氧破壞潛能(ODP)、全球變暖潛能(GWP);安全方面:毒性、可燃性;材料方面:與冷凍油的互溶性、與金屬和塑膠材料的兼容性、單位容積制熱量;熱工參數(shù):蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、排氣溫度、滑移溫度;循環(huán)性能:能效比、壓比、單位質(zhì)量制熱量。最終選擇天津大學(xué)開發(fā)的由三個組元組成混合工質(zhì)ZHR01。

對于常溫水源熱泵R22工況,其冷凝溫度為55℃時對應(yīng)的冷凝壓力為2.175MPa,而高溫水源熱泵ZHR01的工況,其冷凝溫度為85℃時,其冷凝壓力僅為2.09MPa。說明從熱力學(xué)性質(zhì)來看,ZHR01如果采用原R22的壓縮機(jī),ZHR01排氣壓力比R22的還低,有利于系統(tǒng)的工作和延長壽命。

2.2 中高溫水源熱泵系統(tǒng)

中高溫水源熱泵系統(tǒng)的研究工作主要在系統(tǒng)循環(huán)的優(yōu)化,換熱器內(nèi)換熱的強化及系統(tǒng)控制方面。首先壓縮機(jī)的整個系統(tǒng)的心臟部件,壓縮機(jī)的可靠性直接影響機(jī)組的性能。壓縮機(jī)的選擇:目前熱泵設(shè)備常用壓縮機(jī)類型主要有螺桿壓縮機(jī)、全封閉渦旋壓縮機(jī)與半封閉活塞壓縮機(jī)等,經(jīng)過對不同類型壓縮機(jī)工作特性及適用場所進(jìn)行比較研究,目前中高溫水源熱泵一般選用螺桿壓縮機(jī)。因中高溫水源熱泵冷凍水從15～60℃的低品位熱水中回收熱量,制取60～85℃的熱水,壓縮機(jī)處于壓縮比變化工況下運行,需盡可能選取內(nèi)容積比與實際工況相匹配的回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),壓縮機(jī)配置電機(jī)功率考慮最惡劣工況時的耗電量。不僅有效降低機(jī)組輸入功率,且提高機(jī)組能效比及安全性。

蒸發(fā)器和冷凝器的換熱機(jī)理、與系統(tǒng)的匹配及控制采集點對機(jī)組都尤其重要。設(shè)計中考慮合適的換熱面積使蒸發(fā)溫度和冷凝溫度與冷凍水和冷卻水溫相匹配,中高溫水源熱泵系統(tǒng)使用ZHR01非共沸混合工質(zhì),非共沸混合工質(zhì)顯示出一種獨特的性質(zhì),即壓力一定時其飽和溫度是干度的函數(shù)。也就是說,相變過程并非等溫過程。非共沸工質(zhì)相變時的溫度變化稱為滑動溫度效應(yīng)。

這個溫度滑移的特性,利用其性能可對換熱能夠改善熱交換器在效率以及熱力循環(huán)效率。

中高溫水源熱泵的節(jié)流閥包括熱力膨脹閥、電子膨脹閥及毛細(xì)管。節(jié)流閥的主要作用有:①節(jié)流降壓②控制流量③控制過熱度?？紤]為非共沸混合工質(zhì),采用電子膨脹閥來進(jìn)行節(jié)流降壓,通過吸氣過熱度的控制來調(diào)節(jié)流媒流量保證系統(tǒng)匹配。

3 中高溫水源熱泵實驗分析

測試機(jī)組在不同冷凍水、冷卻水工況下的性能,并記錄和分析機(jī)組在不同工況下運行的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器進(jìn)口水溫和冷凝器出口水溫,進(jìn)行多種試驗,了解ZHR01的實際運行特性。機(jī)組樣機(jī)設(shè)計工況為冷凍水進(jìn)口溫度:33℃,水流量62m3/h;熱水側(cè)進(jìn)水溫度:68℃,水流量45m3/h。機(jī)組名義制熱量525kW; 功率164kW,COP為3.2。

因測試臺運行范圍的限制,實測工況與設(shè)計工況有一定的差別,其中工況4為未經(jīng)運行平穩(wěn)所測的數(shù)據(jù)。從（表1）可以看出,在冷凍水定流量,冷凍水接近28℃出水情況下,隨著冷卻水進(jìn)水溫度升高,機(jī)組的制熱量和能效比隨之下降。從測試情況同時表明ZHR1工質(zhì)試驗機(jī)組在各種工況下(包括冷卻水出口溫70℃時),均可以穩(wěn)定安全運行但機(jī)組詳細(xì)的參數(shù)有待于進(jìn)一步測試及研究,包括機(jī)組的可靠性運行的驗證。

4 結(jié)語

(1)在樣機(jī)的測試中,根據(jù)中高溫水源熱泵機(jī)組的工作原理,選擇合適的工質(zhì)進(jìn)行了試驗研究。通過對機(jī)組的測試和觀察,證明ZHR101工質(zhì)在機(jī)組中運行狀態(tài)穩(wěn)定,能夠產(chǎn)生70℃以上的熱水。

(2)中高溫水源熱泵的運行,可以滿足各種工業(yè)用熱水的需求。同是提高了一次能源利用效率。與傳統(tǒng)的燃油、燃煤、燃?xì)獾儒仩t設(shè)備系統(tǒng)相比,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

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