一種新型熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化

許黎明 吳小華 越云凱, 張振濤

?

一種新型熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化

許黎明1,2吳小華1越云凱1,3張振濤3

（1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 北京 102617；2.北京國電智深控制技術(shù)有限公司 北京 102200；3.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京100190）

為滿足家庭制冷和熱水供應(yīng)需求，一般需要熱泵空調(diào)和熱水器兩套系統(tǒng)，夏季空調(diào)在制冷時(shí)會(huì)釋放出冷凝熱，如不加以利用會(huì)造成熱量浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的熱污染。為充分利用家用空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱，開發(fā)了一種新型熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、熱水器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化；通過采用兩套獨(dú)立系統(tǒng)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新型熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)提高了設(shè)備利用率和安全性；與空調(diào)加電熱水器、空調(diào)加燃?xì)鉄崴骱涂照{(diào)加空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)初投資分別可節(jié)約3.0%、14.8%和38.1%，夏季運(yùn)行費(fèi)用分別可節(jié)約42.6%、35.0%和28.9%。

熱泵；熱水器；空調(diào)；節(jié)能

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，2015年我國房屋建筑施工面積近124億m2，預(yù)計(jì)到2020年，每年還將新增建筑面積20億m2。用于建筑物采暖、空調(diào)、通風(fēng)、熱水供應(yīng)等方面的能源消耗也將隨之不斷增加，高峰時(shí)能源消耗將會(huì)達(dá)到每小時(shí)7200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤[1,2]。

同時(shí)為了保證舒適度，居民建筑一般包括室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)。目前使用的分體式制冷空調(diào)器在過度季節(jié)閑置，造成空調(diào)設(shè)備利用率低；系統(tǒng)工作時(shí)冷凝器直接向大氣散熱，既會(huì)造成能源的浪費(fèi)又會(huì)帶來熱污染。電熱水器和燃?xì)鉄崴骼秒娔芎吞烊粴獾雀咂肺荒茉磥碇迫〉推肺簧顭崴环峡沙掷m(xù)發(fā)展的需求，同時(shí)還有觸電、一氧化碳中毒等安全隱患[3-5]。

本文提出了一種將空調(diào)系統(tǒng)與熱泵熱水系統(tǒng)合二為一的新型熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，通過控制閥門的切換，可實(shí)現(xiàn)夏季制冷、制冷-熱水器聯(lián)合運(yùn)行、空氣源熱泵熱水器三種運(yùn)行模式，既能減少系統(tǒng)投資、提高設(shè)備利用效率，還能降低運(yùn)行費(fèi)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種新型熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1-壓縮機(jī)；2-室外風(fēng)機(jī)；3-室外側(cè)換熱器；4-儲(chǔ)水箱；5-干燥過濾器； 6-毛細(xì)管；7-室內(nèi)風(fēng)機(jī)；8-室內(nèi)側(cè)換熱器；9-氣液分離器

系統(tǒng)工作過程如下：

（1）單獨(dú)制冷工作過程如圖2所示，從壓縮機(jī)1出來的冷媒蒸汽，經(jīng)管道流至室外側(cè)換熱器3中冷凝，由空氣帶走冷凝熱，經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入室內(nèi)側(cè)換熱器8蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)制冷。

1-壓縮機(jī)；2-室外風(fēng)機(jī)；3-室外側(cè)換熱器；4-儲(chǔ)水箱；5-干燥過濾器；6-毛細(xì)管；7-室內(nèi)風(fēng)機(jī)；8-室內(nèi)側(cè)換熱器；9-氣液分離器

（2）熱泵-熱水器聯(lián)合運(yùn)行過程如圖3所示，與單獨(dú)制冷工作模式不同的是：通過控制閥門的切換，從壓縮機(jī)出來的冷媒蒸汽直接進(jìn)入儲(chǔ)水箱中冷凝放熱，水箱中的水溫度升高，供洗浴等用，實(shí)現(xiàn)制冷同時(shí)制取熱水。

1-壓縮機(jī)；2-室外風(fēng)機(jī)；3-室外側(cè)換熱器；4-儲(chǔ)水箱；5-干燥過濾器； 6-毛細(xì)管；7-室內(nèi)風(fēng)機(jī)；8-室內(nèi)側(cè)換熱器；9-氣液分離器

（3）單獨(dú)制取熱水工作過程如圖4所示，從壓縮機(jī)1出來的冷媒蒸汽經(jīng)過管道流至儲(chǔ)水箱4中冷凝放熱，水箱內(nèi)的水溫度升高，經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入室外側(cè)換熱器3中蒸發(fā)。

1-壓縮機(jī)；2-室外風(fēng)機(jī)；3-室外側(cè)換熱器；4-儲(chǔ)水箱；5-干燥過濾器； 6-毛細(xì)管；7-室內(nèi)風(fēng)機(jī)；8-室內(nèi)側(cè)換熱器；9-氣液分離器

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

為使熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)能滿足上述三種工作模式的要求，按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2.1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，將一臺(tái)2匹的壓縮機(jī)用于普通家庭空調(diào)系統(tǒng)或熱水器系統(tǒng)即可滿足使用需求，結(jié)合本系統(tǒng)特點(diǎn)，最終選用廣東美芝制冷設(shè)備有限公司生產(chǎn)的熱泵熱水器專用壓縮機(jī)，型號(hào)為PJ340M2CS-4KU，制冷劑為R134a[6]，不同測試工況下額定電功率P如表1所示。

表1 不同工況下壓縮機(jī)額定功率

根據(jù)文獻(xiàn)[7]和[8]，取壓縮機(jī)指示效率η=0.8，機(jī)械效率η=0.9，電動(dòng)機(jī)效率η=0.95，可得電效率：

η=η×η×η

等熵功率：

P=P×η

ASH工況下等熵功率：

P=861.84W

HPWH工況下等熵功率：

P=916.56W

2.2 制冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2.1 制冷空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)的確定

依據(jù)國標(biāo)《房間空氣調(diào)節(jié)器用電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》（GB/T15765-2006），房間空氣調(diào)節(jié)器制冷工作時(shí)循環(huán)參數(shù)及取用循環(huán)參數(shù)如表2所示。根據(jù)文 獻(xiàn)[9]，取管道過熱度為5℃，所以可得蒸發(fā)器出口溫度為13.3℃。

表2 制冷工作時(shí)循環(huán)參數(shù)及取用參數(shù)

依據(jù)國標(biāo)《家用和類似用途電器的安全熱泵、空調(diào)器和除濕機(jī)的特殊要求》（GB4076.32-2012），制冷條件下室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)進(jìn)出口空氣溫度參數(shù)如表3所示。

表3 制冷條件下室內(nèi)外機(jī)進(jìn)出口空氣溫度參數(shù)

2.2.2熱力循環(huán)計(jì)算

熱力循環(huán)的壓焓圖如圖5所示，根據(jù)2.2.1確定的熱力循環(huán)參數(shù)，查R134a的壓焓圖，可得各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，如表4所示。

表4 熱力循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)

圖5 熱力循環(huán)壓焓圖

循環(huán)的熱力計(jì)算如下：

（1）等熵比功

w=2s-1=31kJ/kg

（2）點(diǎn)2狀態(tài)的確定

查R134a的壓焓圖可得：

2=75℃

（3）質(zhì)量流量

（4）單位質(zhì)量制冷量

（5）制冷量

0=q×0=3864.2W

（6）冷凝器熱負(fù)荷

Q=q×(2-4)=5108.25W

2.3 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.3.1 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)的確定

依據(jù)國標(biāo)《家用和類似用途熱泵熱水器用全封閉電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》（GB/T29780-2013），熱泵熱水循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)工況參數(shù)和取用參數(shù)如表5所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，取管道過熱度為5℃，所以可得蒸發(fā)器出口溫度15℃。

表5 熱泵熱水器循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)工況參數(shù)和取用參數(shù)

依據(jù)國標(biāo)《家用和類似用途熱泵熱水器》（GB/T23137-2008），空氣源熱泵熱水器試驗(yàn)名義工況如表6所示。

表6 空氣源熱泵熱水器的試驗(yàn)工況中的名義工況

2.3.2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)熱力循環(huán)計(jì)算

系統(tǒng)熱力循環(huán)的壓焓圖如圖5所示，根據(jù)2.3.1確定的熱力循環(huán)參數(shù)，查R134a的壓焓圖，可得各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，如表7所示。

表7 熱力循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)

循環(huán)的熱力計(jì)算過程同2.2.2，結(jié)果如下：

（1）總吸熱量

（2）室外機(jī)蒸發(fā)器吸熱量

（3）冷凝器水箱熱負(fù)荷

2.3.3 冷凝器水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 通用空氣源熱泵熱水器水箱示意圖

圖7 內(nèi)置導(dǎo)流套筒的水箱結(jié)構(gòu)示意圖

因成本考慮，目前市場上空氣源熱泵熱水器普遍采用等徑螺旋盤管，沉浸在水箱下部作為冷凝器，其換熱性能較差，影響空氣源熱泵熱水器的整體性能[10]，示意圖如圖6所示。

針對(duì)這些缺點(diǎn)，譚輝平[11]在其文章中提出采用帶導(dǎo)流套筒的非等徑螺旋盤管換熱器作為冷凝器，水箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，工作時(shí)，由于套筒內(nèi)外加熱順序的先后，形成一定的密度差，套筒內(nèi)外形成回流，提高了換熱系數(shù)，達(dá)到了快速加熱的目的，本文借鑒該新型結(jié)構(gòu)。

2.4 制冷同時(shí)制取熱水循環(huán)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工作循環(huán)參數(shù)同單獨(dú)制冷時(shí)相同，所以熱力循環(huán)計(jì)算與2.2.2相同。

冷凝溫度為54.5℃，取5℃的換熱溫差，所以制取熱水最高溫度為49.4℃，當(dāng)水溫達(dá)到49.4℃，切換至單獨(dú)制冷工作模式，水箱內(nèi)以電輔助加熱方式將水溫提升至55℃所需熱量為：

W

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 系統(tǒng)初投資對(duì)比

經(jīng)走訪國內(nèi)多家大型家電賣場，調(diào)研普通家用空調(diào)與熱水器的價(jià)格，與本文開發(fā)的一種熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的價(jià)格對(duì)比如表8所示。

表8 初投資費(fèi)用對(duì)比

3.2 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

以夏季工況為例，按三個(gè)月90天計(jì)算，普通空調(diào)每天運(yùn)行10個(gè)小時(shí)；根據(jù)國際《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2010），每人每天熱水額定量為40～80L，計(jì)算取40L按照一般用水習(xí)慣，假設(shè)熱水出水溫度為55℃，自來水水溫按15℃計(jì)算；參考目前北京市物價(jià)，居民用電電價(jià)0.4883元/kWh，天然氣第一階梯價(jià)格2.28元/m3，運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比如表9所示。

表9 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

綜上所述，一種熱泵-熱水器聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)不管是從初投資，還是運(yùn)行費(fèi)用上都比空調(diào)和熱水器單獨(dú)兩套系統(tǒng)節(jié)約，符合綠色環(huán)保要求。

4 結(jié)論

按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、熱水器的設(shè)計(jì)、計(jì)算與優(yōu)化，并與市場單獨(dú)兩套系統(tǒng)的對(duì)比，一種新型熱泵-熱水器聯(lián)合系統(tǒng)提高了設(shè)備利用率和安全性，滿足了人們多樣化的需求；回收了冷凝熱，克服了能源浪費(fèi)與環(huán)境污染的缺點(diǎn)；相比于空調(diào)加電熱水器、空調(diào)加燃?xì)鉄崴骱涂照{(diào)加空氣源熱泵熱水器，新系統(tǒng)初投資可分別節(jié)約3.0%、14.8%和38.1%，新系統(tǒng)夏季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用分別達(dá)42.6%、35.0%和28.9%。

[1] 肖鵬.空氣源熱泵系統(tǒng)在生活熱水中的節(jié)能應(yīng)用[J].供熱制冷,2014,13(1):64-66.

[2] 金旭.雙級(jí)壓縮空氣源熱泵采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.

[3] 王麗欣,常琳.高密度數(shù)據(jù)中心制冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制冷技術(shù),2015,35(1):48-53.

[4] 寇希望.小型三用冷暖熱水空調(diào)機(jī)的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[5] 王超,陶樂仁,申玲,等.空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能優(yōu)化研究[J].輕工機(jī)械,2016,34(5):85-89.

[6] 王超,陶樂仁,申玲,等.空氣源熱泵熱水器試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].流體機(jī)械,2016,44(8):65-82.

[7] 吳業(yè)正,李紅旗,張華,等.制冷壓縮機(jī)（第2版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[8] 鄭賢德.制冷原理與裝置（第二版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[9] 吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)（第二版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[10] 張小艷,趙珊媛,洪珊瑚.水在螺旋盤管內(nèi)的換熱及壓降特性研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(2):174-179.

[11] 譚輝平.提高空氣源熱泵熱水器性能的途徑[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,7(2):29-32.

Development and Optimization of a Novel Combined Heat Pump-Water Heater Combined Cycle System

Xu Liming1,2Wu Xiaohua1Yue Yunkai1,3Zhang Zhentao3

( 1.Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing, 102617;2.Beijing Guodian Zhishen Control Technology Co., Ltd, Beijing, 102200;3.The Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 )

To meet domestic demand for cooling and heating water, generally air conditioner and water heater are needed. Air conditioner will release heat of condensation in the summer, which will waste the energy and cause thermal pollution if it is not used. In order to make full use of the heat of condensation, a novel heat pump - water heater combined cycle system is proposed. According to the latest national standards, the indoor unit, outdoor unit, & water heater are designed and optimized. The novel system can improve the utilization and safety of the equipment compared to two independent systems. Compared with air conditioner & electric water heater, air conditioner & gas water heater, air conditioner & air-source heat pump water heater, the novel system initial investment can save 3.0%, 14.8% and 38.1% and the operation costs can save 42.6%, 35.0% and 28.9% respectively.

Heat pump; Water heater; Air conditioner; Energy conservation

1671-6612（2017）04-441-06

TB657/TK01

A

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD19B02）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（SQ2016YFSF070056）

許黎明（1992-），男，本科，E-mail：xuliming@bipt.edu.cn

吳小華（1978-），男，博士研究生，講師，E-mail：wuxiaohua@bipt.edu.cn

2017-04-01