并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)研究

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

熱泵熱水技術(shù)是基于熱泵技術(shù)之上的一種熱水供應(yīng)方式，它最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。自能源危機(jī)之后，熱泵熱水系統(tǒng)得到了較大發(fā)展。相對于傳統(tǒng)熱水供應(yīng)技術(shù)，熱泵熱水技術(shù)具有節(jié)能高效、適用性強、安全可靠等優(yōu)點，受到越來越多用戶的青睞，眾多廠家也紛紛投入到這一產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)中；另一方面，隨著居民生活質(zhì)量不斷提高，熱水需求量也持續(xù)增加，因此，熱泵熱水裝置的市場前景非常廣闊[1-4]。然而，熱泵熱水裝置與常規(guī)空調(diào)熱泵不同，它具有運行工況范圍廣、常年制熱、冷凝器換熱量大等特點[5]。當(dāng)用戶末端要求機(jī)組在較高的水溫下運行時，不僅能源效率明顯下降，而且存在壓縮機(jī)超負(fù)荷等隱患，而從衛(wèi)生和健康的角度看，生活用水又必須加熱到一定溫度才能滿足居民用水需求和達(dá)到抑止細(xì)菌繁殖的目的[6]。在冬季等進(jìn)口水溫較低情況下，系統(tǒng)進(jìn)出口水溫差較大、冷凝器換熱量過高還會導(dǎo)致冷凝器換熱效率降低[7]。針對上述問題，本文作者提出并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，據(jù)我國南方亞熱帶季風(fēng)氣候全年水溫差較大等特點，以長沙地區(qū)為例，對并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)分別設(shè)計夏、冬運行模式。

1 并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)裝置由熱泵系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)組成。熱泵系統(tǒng)主要是由高壓壓縮機(jī)、中壓壓縮機(jī)、低壓壓縮機(jī)、高溫冷凝器、中溫冷凝器、低溫冷凝器及蒸發(fā)器等設(shè)備組成的密閉循環(huán)系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)主要由蓄水箱、水泵等設(shè)備及管道組成,具體裝置見圖1。當(dāng)系統(tǒng)處于夏季模式運行時，進(jìn)口水溫較高，旋閥17關(guān)閉，低壓壓縮機(jī)及低溫冷凝器停止運行，冷水流經(jīng)中溫冷凝器及高溫冷凝器并換熱后進(jìn)入熱水箱；當(dāng)系統(tǒng)處于冬季工況時，進(jìn)口冷水溫度較低，旋閥17打開，3臺壓縮機(jī)同時運行，冷水分別與三級冷凝器換熱后進(jìn)入熱水箱。冬夏運行模式變化時的制冷工質(zhì)流量變化由儲液罐9進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of parallel condensingASHP hot water system

設(shè)熱泵系統(tǒng)循環(huán)為理想循環(huán)，即熱泵工質(zhì)在壓縮機(jī)中等熵時壓縮，在冷凝器與蒸發(fā)器中等壓時換熱，在節(jié)流閥中等焓時節(jié)流，冷凝器出口為飽和液體，蒸發(fā)器出口為飽和氣體，熱泵工質(zhì)設(shè)為R134a[8]，夏季模式及冬季模式具體理論循環(huán)壓焓分別如圖2和圖3所示(其中，h為工質(zhì)焓值，p為壓力)。當(dāng)系統(tǒng)以夏季模式運行時，在熱泵循環(huán)中，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為飽和蒸汽的制冷劑分為2路(8)：一路經(jīng)中壓壓縮機(jī)壓縮為過熱氣體(3)后進(jìn)入中溫冷凝器冷凝為飽和液體(4)并與冷水進(jìn)行換熱；另一路經(jīng)高壓壓縮機(jī)壓縮后(1)進(jìn)入高溫冷凝器冷凝(2)并與中溫冷凝器換熱后的冷水再次換熱，其冷凝溫度較高；經(jīng)節(jié)流后的制冷劑濕蒸汽(5,6)在混合后(7)進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，最后進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)氣口構(gòu)成循環(huán)。與夏季模式類似，當(dāng)系統(tǒng)處于冬季模式時，從蒸發(fā)器流出的飽和氣體分3路分別流入三級壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后進(jìn)入對應(yīng)冷凝器冷凝放熱，冷水經(jīng)低溫、中溫、高溫三級冷凝器逐級升溫。

圖2 并聯(lián)冷凝式熱泵系統(tǒng)夏季工況系統(tǒng)壓焓Fig.2 Enthalpy-pressure diagram of summer model of parallel condensingASHP hot water system

圖3 并聯(lián)冷凝式熱泵系統(tǒng)冬季工況系統(tǒng)壓焓Fig.3 Enthalpy-pressure diagram of winter model of parallel condensingASHP hot water system

2 并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)建模仿真

2.1 CYCLEPAD簡介

CYCLEPAD是1個工程熱力學(xué)的虛擬實驗室，能構(gòu)造和分析各種熱力循環(huán)，由西北大學(xué)、美國海軍學(xué)院和牛津大學(xué)聯(lián)合完成。應(yīng)用CYCLEPAD軟件可以進(jìn)行能源動力、低溫制冷、動力機(jī)械等熱力學(xué)方面的設(shè)計工作[9-10]。

熱力循環(huán)實際上是通過一系列基本元件組合，實現(xiàn)從環(huán)境中獲得熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等其他形式，或者通過輸入功使熱能在環(huán)境或者其他因素之間傳遞轉(zhuǎn)化的過程，制冷機(jī)組和熱泵都屬于這一類熱機(jī)。CYCLEPAD軟件包含一些熱力元件的基本模型，通過不同的基本元件相互組合，構(gòu)成不同的熱力循環(huán)，因此，在工程熱力學(xué)和能源動力方面仿真研究中具有極強的適應(yīng)性。

2.2 并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)模型

使用CYCLEPAD軟件對并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)夏、冬季模式建立仿真模型，分別如圖4和圖5所示，其中，各圖標(biāo)所代表的循環(huán)部件見表1。在我國南方大部地區(qū)夏季冷水溫度較高，并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在夏季(5—10月份)以夏季模式運行，即僅高壓、中壓壓縮機(jī)運行，低壓壓縮機(jī)及低壓冷凝器停止工作，冷水與中溫、高溫冷凝器換熱后進(jìn)入熱水箱；冬季冷水溫度較低，并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬季(當(dāng)年11—次年4月份)以冬季模式運行，即3臺壓縮機(jī)同時工作，冷水分別按序與三級冷凝器換熱后進(jìn)入熱水箱[11-13]。

圖4 并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)夏季模式模型Fig.4 Schematic diagram of summer model of parallel condensingASHP hot water system

圖5 并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)冬季模式模型Fig.5 Schematic diagram of winter model of parallel condensingASHP hot water system

表1 模型圖中圖標(biāo)所示部件Table1 Components shown by icons in model schematic diagrams

3 并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年性能

以中國南方城市長沙為例，通過查詢地方氣象部門數(shù)據(jù)獲得長沙全年每月平均最高氣溫與最低氣溫。使用蔣新波等[14]提出的計算方法，取當(dāng)?shù)厮畮? m水深平均水溫為全年每月平均冷水溫度，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：長沙冬季水溫明顯低于夏季水溫，全年每月平均冷水溫度波動較大，全年最高水溫為31.03℃(8月份)，最低水溫為1.99℃(2月份)，全年最大冷水溫差29.04℃。

圖6 長沙全年每月平均氣溫及冷水溫度變化Fig.6 Average air temperature and average cold-water temperature in Changsha

圖7 長沙全年熱泵每月?lián)Q熱量變化Fig.7 Monthly heat pump heating capacity in Changsha

設(shè)熱水終溫為60℃，根據(jù)全年每月平均冷水溫度及熱水終溫計算得出全年熱泵每月?lián)Q熱量，計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：夏季熱泵每月?lián)Q熱量明顯比冬季的低，全年熱泵每月?lián)Q熱量波動較大，全年最高月?lián)Q熱量為73.171 GJ(1月份)，最低月?lián)Q熱量為37.724 GJ(8月份)。

對并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)系統(tǒng)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，考慮升溫溫差均勻性及熱水終溫需求，設(shè)三級冷凝溫度分別為31，48和65℃，并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)在5—10月份以夏季模式運行，當(dāng)年11—次年4月份以冬季模式運行。并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)各級冷凝器全年每月?lián)Q熱量如圖8所示。由圖8可知：并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)能有效分散冷凝器總換熱量且各級冷凝器換熱量大致均勻，有利于延長冷凝器使用壽命及保證冷凝器換熱效率；低溫冷凝器最大日均換熱量為1.008 GJ(2月份)，最小日均換熱量為0.470 GJ(11月份)，全年平均換熱量為0.780 GJ；中溫冷凝器最大換熱量為

1.045 GJ(5月份)，最小換熱量為0.503 GJ(8月份)，全年平均換熱量為0.720 GJ，高溫冷凝器全年日均換熱量為0.714 GJ。

圖8 并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)各級冷凝器日均換熱量變化Fig.8 Daily heat transfer capacity of condensers in parallel condensingASHP hot water system

普通熱泵熱水系統(tǒng)冷凝器進(jìn)出口水溫差與并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)各級冷凝器溫差如圖9所示。由圖9可知：在相同進(jìn)口冷水溫度下，并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)各級冷凝器溫差相較于普通熱泵熱水系統(tǒng)有較大幅度下降，系統(tǒng)有效降低了冷凝器進(jìn)出口水溫差；通熱泵系統(tǒng)冷凝器溫差最大為58.01℃(2月份)，最小溫差為28.97℃(8月份)，全年平均溫差為43.43℃；低溫冷凝器最大溫差為24.01℃(2月份)，最小溫差為11.19℃(11月份)，全年平均溫差為17.56℃；中溫冷凝器最大溫差為24.90℃(5月份)，最小溫差為11.97℃(8月份)，全年平均溫差為17.65℃；高溫冷凝器全年溫差為17.00℃。

綜合室外環(huán)境溫度及進(jìn)口冷水溫度等因素[15-16]，經(jīng)仿真模型模擬計算得出普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年運行COP，計算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年最大運行COP為6.87(7月份)，最小運行COP為4.78(1月份)，平均COP為5.80；相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在夏季工況(5—10月份)平均COP從5.10升至6.30，提升23.53%；冬季工況(當(dāng)年11—次年4月份)平均COP從3.69升至5.29，提升43.36%。

圖9 普通熱泵熱水系統(tǒng)冷凝器與并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)各級冷凝器進(jìn)出口水溫差全年變化Fig.9 Annual temperature difference between inlet and outlet water of condensers of common and parallel condensing ASHP hot water system

圖10 普通熱泵熱水系統(tǒng)與并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)全年運行COP變化對比Fig.10 COP of common and parallel condensing ASHP hot water system

普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年運行能耗計算結(jié)果如圖11所示。由圖11可知：并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年最大運行能耗為4 253 kW·h(1月份)，最小運行能耗為1 542 kW·h(7月份)；相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)夏季工況平均月運行能耗從2 447 kW·h降至1 972 kW·h，降低19.41%；冬季工況平均月運行能耗從5 066 kW·h降至3 539 kW·h，降低30.14%。并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)較普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有較好節(jié)能效果，且在冬季節(jié)能效果更顯著[17]。

圖11 普通熱泵熱水系統(tǒng)與并聯(lián)冷凝式熱泵熱水系統(tǒng)全年運行能耗變化對比Fig.11 Operation energy consumption of common parallel condensingASHP hot water system

在并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)物理模型基礎(chǔ)上，結(jié)合長沙當(dāng)?shù)厝隁鉁丶袄渌疁囟?，通過當(dāng)?shù)乩渌疁囟燃霸O(shè)置熱水終溫，可計算熱泵全年各月總換熱量；通過設(shè)置各級冷凝器冷凝溫度及冷水溫度，可計算各級冷凝器在全年各月?lián)Q熱量及其進(jìn)出口水溫差；通過當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁丶案骷壚淠骼淠郎囟瓤捎嬎愠鱿到y(tǒng)全年COP變化情況，再結(jié)合熱泵全年各月?lián)Q熱量計算系統(tǒng)全年運行能耗變化情況[18-19]。

4 結(jié)論

1)相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)通過分級加熱方式能有效分散冷凝器總換熱量及降低冷凝器進(jìn)出口水溫差。

2)以長沙地區(qū)為例，相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)COP在全年各月均有較大提升，全年最大運行COP為6.87。

3)并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相比在我國南方地區(qū)具有較好節(jié)能效果，且在冬季節(jié)能效果更顯著。