探討提高空氣源熱泵制備熱水效能的方法

李雄智 田惠蘭

湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司郴州卷煙廠 湖南 郴州 423000

一、空氣源熱泵熱水機(jī)與蒸汽換熱器之間對比

熱泵是一種高效能的加熱裝置,通過消耗較少量的高品味能源,利用熱力學(xué)逆卡諾循環(huán)原理,在外部做功下,可實現(xiàn)熱能由低溫向高溫處的轉(zhuǎn)移。利用熱泵這一特點,將壓縮機(jī)消耗的部分電能和蒸發(fā)器吸收的空氣焓,一起在冷凝器處排放,使得水通過冷凝器獲得數(shù)倍于壓縮機(jī)耗能的熱量。

蒸汽換熱器熱水系統(tǒng)能源浪費(fèi)嚴(yán)重,一次能源(煤、油氣,電等)生產(chǎn)的高品位熱蒸汽,通過換熱器生產(chǎn)熱水是效率較低的第一代熱水制取裝置;空氣源熱泵熱水機(jī)是繼鍋爐、燃?xì)鉄崴?、電熱水器和太陽能熱水器之后的第四代熱水制取裝置。在科學(xué)安裝的情況下,幾種熱水器形式對比,見表1:

表1 幾種熱水器形式對比表

通過對比,空氣源熱泵既節(jié)能環(huán)保又高效安全,1KW的電功率通?？僧a(chǎn)生4KW熱量的生活熱水,節(jié)能75%以上,較太陽能節(jié)能30%以上,且水電隔離,不產(chǎn)生廢氣。因此國外相當(dāng)重視并積極推廣,同類產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟,對比使用情況如表2:

表2 國內(nèi)外同類產(chǎn)品使用情況對比表

二、目前熱泵安裝的方式和不足

熱泵熱水機(jī)分類:商業(yè)或工業(yè)及類似用途熱水機(jī)組(GB/T21362-2008)中,熱水機(jī)按制熱方式分為一次加熱式和循環(huán)加熱式兩種,一次加熱式又稱直熱式,冷水進(jìn)入機(jī)組后直接加熱到設(shè)定的溫度;循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)則配置水箱,是經(jīng)過反復(fù)加熱,直到將整個水箱內(nèi)水溫加熱到設(shè)定的水溫。

1、水側(cè)溫差與水流量

水側(cè)換熱量Q=cq△t式中:c為平均溫度下水比容熱(J/(kg℃),q為水質(zhì)量流量(kg/s),△t為水側(cè)換熱器水進(jìn)出口溫差(℃),一次性加熱式熱泵水側(cè)進(jìn)出口溫差55℃-15℃=40℃,循環(huán)式熱泵水側(cè)進(jìn)出口溫差5-6℃,而c變化不大,所以當(dāng)實現(xiàn)同樣換熱量Q時,水流量差距很大,循環(huán)式熱泵水流量是一次加熱式熱泵的7倍左右。

2、冷凝溫度:是決定機(jī)組性能的重要參數(shù)在同樣工況條件下,循環(huán)式熱泵冷凝溫度比一次加熱式熱泵的冷凝溫度高10℃.

3、蒸發(fā)溫度:主要由環(huán)境溫度決定,其設(shè)定要考慮實際制熱量的需求和系統(tǒng)的安全性,一次加熱式熱泵的蒸發(fā)溫度低于循環(huán)式熱泵,循環(huán)式熱泵在過負(fù)荷時蒸發(fā)溫度超出壓縮機(jī)使用范圍。

4、過冷度:主要取決于兩側(cè)換熱介質(zhì)的溫差、過冷段的大小;由于一次加熱式熱泵的冷凝溫度及水側(cè)有較大溫差,適合利用冷凝后的制冷劑與低溫進(jìn)水進(jìn)行熱交換,最大限度的利用制冷劑顯熱,提升機(jī)組制熱量和制熱能效比;循環(huán)式熱泵由于冷凝器進(jìn)出口水溫差較小,難以獲得較大的過冷度。

5、過熱度:由于熱水機(jī)水溫與環(huán)境溫度差很大,均不用毛細(xì)管作節(jié)流裝置,現(xiàn)兩種熱水機(jī)均采用熱力膨脹閥或電子膨脹閥控制過熱度,在空中上也相同。

6、運(yùn)行、除霜方式:一次加熱式熱泵控制出水溫度、冷凝溫度及排氣溫度恒定,開機(jī)或經(jīng)短時間調(diào)整即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行,而循環(huán)式熱泵在運(yùn)行過程中冷凝溫度、排氣溫度在不斷變化即變參量運(yùn)行;通過對比,一次加熱式熱泵與循環(huán)式熱泵各有優(yōu)劣,因此對熱泵熱水機(jī)性能充分了解,針對熱水需求選擇熱泵熱水機(jī)非常關(guān)鍵,否則熱水質(zhì)量差(溫度不穩(wěn)定、供水不足)、設(shè)備故障頻發(fā)、能耗較高。

一般來說,一次加熱式熱泵供水在需求熱水溫度之上,但熱水流量較小,不能滿足用戶負(fù)荷要求,盲目增加機(jī)組(或加裝電輔)彌補(bǔ),投資較大且能耗上升,經(jīng)濟(jì)上也不合算;循環(huán)式熱泵雖然供水量較大,但其循環(huán)水箱容量較小(根據(jù)熱泵荷載確定),當(dāng)用戶用水量大時,循環(huán)水箱水位下降較快,大量冷水進(jìn)入循環(huán)水箱導(dǎo)致水箱水溫度下降,不能滿足用戶對熱水水溫的需求;在此工況下,熱泵機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行,而無熱水消耗或很少是,熱泵機(jī)組停機(jī),機(jī)組啟停頻繁導(dǎo)致故障增多,造成對熱泵熱水機(jī)詬病不少,該技術(shù)的推廣應(yīng)用難的局面。

三、改進(jìn)和效果

要解決上述問題,筆者在工作實踐中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵是從兩方面入手,即:由熱源、水加熱器和熱媒管網(wǎng)組成的第一循環(huán)系統(tǒng);由熱水配水管網(wǎng)和回水管網(wǎng)組成的第二循環(huán)系統(tǒng)。籍此建立高效能穩(wěn)定的空氣源熱泵制備熱水系統(tǒng)。

首先,第一循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)熱泵機(jī)組,熱泵機(jī)組的運(yùn)行性能系數(shù)COP:在額定工況下,熱泵機(jī)組的制熱量與其輸入量執(zhí)法比提高相同環(huán)境下的COP即提高了制熱效率。根據(jù)某空氣源機(jī)組COP與變工況曲線圖,COP與環(huán)境溫度幾乎呈線性遞增,環(huán)境溫度高,空氣焓值大,COP值高,熱換效率高,容易滿足熱水需求,但冬季時環(huán)境溫度低,空氣焓值小,COP值低,熱換效率低,不能滿足熱水需求。現(xiàn)按冬季環(huán)境溫度其COP值較低,且熱水負(fù)荷大的模型論述,按環(huán)境溫度為5℃時,機(jī)組COP=3.5左右;

在熱泵機(jī)組長期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),熱泵機(jī)能效對水媒溫度有較大關(guān)系,經(jīng)觀察,水媒在40℃一下時效能較高,但40℃以上高溫區(qū)工作能效衰減嚴(yán)重,這與熱泵壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器工作性能有關(guān),用戶無法對機(jī)組進(jìn)行改進(jìn),可采取的措施是避開或者大幅度的減少了主機(jī)在低效區(qū)的工作時間,最大限度地讓其在高效區(qū)工作。如循環(huán)水箱制備熱水直接供用,又回到單獨循環(huán)式熱泵模式,因此當(dāng)熱水溫度達(dá)標(biāo)時需將循環(huán)水箱熱水放盡,再進(jìn)冷水重復(fù)上述運(yùn)行模式,但這樣用戶無法連續(xù)使用熱水,因此需對熱水配水管網(wǎng)和回水管網(wǎng)組成的第二循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置。

其次,在絕大多數(shù)情況下,供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷在時間上不會總是均衡穩(wěn)定的,事實上熱負(fù)荷隨時間波動相當(dāng)大,即負(fù)荷峰值、谷值之差很大,為平衡熱負(fù)荷,熱水蓄熱器不僅可以作為熱源和供熱蓄備熱容量的補(bǔ)充,而且可作為瞬時應(yīng)變供熱的可靠設(shè)施。

熱水經(jīng)管網(wǎng)送至各個熱水用水點,當(dāng)熱水系統(tǒng)不用水或少量用水時,管網(wǎng)中的熱水均會產(chǎn)生較大溫降,用戶一般會放空該部分水,待出水水溫達(dá)到要求時才使用,這樣造成浪費(fèi),經(jīng)計算浪費(fèi)水量5-10%。為保證各用水點隨時都有合格的熱水,需設(shè)置回水管網(wǎng),使一定的熱水經(jīng)過循環(huán)水泵流回加熱器以補(bǔ)充管網(wǎng)損失的熱量。為保持熱水系統(tǒng)管網(wǎng)的水溫,一般采用電伴熱方式,使熱水即開即用,在工程中視情況可采用全部熱水供水管用電伴熱,也可采用局部管道電伴熱,但如此能耗較高,維修難度大且費(fèi)用高。筆者在工程實踐中,利用配電房余熱,將原降溫空調(diào)改成空氣源熱泵,系統(tǒng)回水進(jìn)入空氣源熱泵(循環(huán)加熱式熱泵),達(dá)到設(shè)定水溫后流回蓄熱水箱內(nèi),這樣既利用了余熱,對配電房降溫,又加熱回流水,保證了供水品質(zhì),提高能源利用率。

熱泵機(jī)組在運(yùn)行中會發(fā)生各種故障,使熱泵不能正常工作或停機(jī),影響系統(tǒng)供品質(zhì),這也是導(dǎo)致用戶對熱泵熱水機(jī)詬病不少,在發(fā)展中國家使用率不高的原因。因此在熱泵單機(jī)制熱負(fù)荷與用戶最大負(fù)荷/天找到合理比例,筆者在實際工作中采用單機(jī)熱泵制熱負(fù)荷小,多機(jī)組配置的方式,一般熱泵單機(jī)制熱負(fù)荷=0.08用戶最大負(fù)荷/小時(即配置12臺熱機(jī)),如此即使2-3臺故障停機(jī)對供熱不產(chǎn)生影響(蓄熱器調(diào)峰),從投資和效益來看可獲得較好的費(fèi)效比。

結(jié)論

1、通過對比,空氣源熱泵既節(jié)能環(huán)保又高效安全,是各種熱水裝置中最節(jié)能的。

2、熱泵在發(fā)達(dá)國家使用率較高,而在發(fā)展中國家(包括中國)使用率在10%以下,原因在于熱泵使用效能較低。

3、熱水機(jī)分一次加熱式和循環(huán)加熱式兩種,通過分析兩種機(jī)組性能,結(jié)合各自優(yōu)點進(jìn)行改進(jìn),可大幅度提高了熱泵COP值,達(dá)到提高熱泵效能。

4、改進(jìn)熱水系統(tǒng)制備循環(huán)模式,制備達(dá)到要求的熱水進(jìn)入熱水蓄熱器蓄供負(fù)荷使用,同時增加回水熱泵熱水制備循環(huán)系統(tǒng),防止回水溫降,確保供水品質(zhì),進(jìn)一步提高熱泵效能。

5、采用變頻技術(shù)、蓄熱器、熱泵多機(jī)組配置等方式,保證系統(tǒng)節(jié)能及運(yùn)行穩(wěn)定性。