空气源热泵冷热水机组在寒冷地区应用的分析

  0 引言

 

  由于空气源热泵冷热水机组具有诸多优点, 作为中央空调的冷热源, 近年来在我国发展很快。生产厂家已由1995 年的十几家发展到现在的40 多家。产品品牌繁多, 机组的冷热量规格齐全。目前, 在我国的长江流域、黄河流域等地区的应用十分广泛。甚至天津、西安等地也有应用实例[ 4] 。这表明其应用范围有北扩的趋势。而我国东北、华北、西北、内蒙古等地区冬季室外空气中含水量很少, 其结霜问题并不像长沙等地区那么严重。这是否意味着, 在这些寒冷地区也可以采用空气源热泵冷热水机组, 在冬季为中央空调提供50℃的热水? 为寻找答案, 笔者对空气源热泵冷热水机组在寒冷地区的应用进行了初步的分析, 以期为寒冷地区推广应用热泵空调系统创一条新路。

 

  1 空气源热泵冷热水机组在寒冷地区运行中存在的问题以某台空气源热泵冷热水机组(R22)为例。假设其在北方寒冷地区的主要城市中运行, 在室外供暖计算温度条件下为中央空调系统提供50 ℃热水,计算出的机组的压缩比值列入表1 中。由表1 明确看出:机组在绝大部分的城市(除西安、济南、石家庄外)运行时的压缩比大于10 , 哈尔滨甚至已超过20 。

 

  机组运行的压缩比过大, 会出现下列问题:

 

  ① 压缩机的容积效率降低, 同时, 由于蒸发压力过低, 使吸气比体积变大, 制冷系统的质量流量变小。这样, 机组的供热量会急剧减少。

 

  ② 活塞式压缩机单级系统的压缩比一般不超过8 。

 

  鉴于此, 可以说空气源热泵冷热水机组在北方最寒冷的时候是无法正常运行的。

 

  2 空气源热泵冷热水机组在寒冷地区应用的技术措施及应用方案降低机组的压缩比是空气源热泵冷热水机组

 

  在寒冷地区正常运行的惟一途径, 因此, 应采用技术措施降低该值。利用机组向用户提供10 ～ 20 ℃的水, 而不提供50 ℃水, 可以降低机组运行的压缩比;这低温水再作为水源热泵的低位热源, 由水源热泵向室内供暖。按此思想, 笔者提出3 种工程上可行的方案。

 

  方案1  利用空气源冷热水机组提供的10 ～20 ℃水作为水环热泵的辅助热源, 与水—空气热泵组成双级热泵系统, 如图1 所示。冬季, 机组从室外空气中吸取热量, 再通过水—空气热泵加热室内空气,以达供暖目的;夏季, 室内的余热通过空气源热泵冷热水机组或冷却塔向室外释放。该方案可解决由于目前我国各类建筑物内的余热量小(内部负荷不大, 建筑物的内区面积又小)无法使用传统的水环热泵空调系统的问题。

 

  方案2  利用空气源热泵冷热水机组提供的10～ 20 ℃水, 作为户式水—水热泵的低位热源。与方案1 不同的地方是, 室内使用的小型热泵机组不是水—空气热泵,而是水—水热泵, 冬季向室内提供40～ 50 ℃ 热水, 再通过风机盘管加热室内空气, 此方案可以解决目前常用井水作为户式水—水热泵的低位热源时, 出现的水井老化、井水回灌困难、寒冷地区地下水水温低等问题, 同时也不受地下水资源的限制。

 

  方案3  类似于方案2 , 只是将分散的户式水—水热泵改为集中式的水—水热泵, 集中制备50 ℃热水, 再通过水系统将热水送至各室内的末端装置(如风机盘管、辐射供暖系统等), 通过末端装置加热室内空气, 以达供暖目的。

 

  3 应用方案的可行性

 

  为了初步评价应用方案的可行性, 对空气源热泵冷热水机组作一些简单的计算, 计算结果列入表2, 表3中。表2给出供20 ℃或13 ℃水时机组的压缩比和容积效率ηv 值, 表3 给出机组由室外空气温度-5 ℃, 提供50 ℃热水的工况变化到室外供暖计算温度, 提供20 ℃水或13 ℃水工况时供热量的变化率。

 

  当室外气温为-5 ℃时, 向用户提供50 ℃热水时, 机组的压缩比为8 .6 , 容积效率为0 .499 。与表2 相比较, 可以明显看出:机组在室外供暖计算温度下, 提供20 ℃水时, 除哈尔滨、长春外, 其余的城市中空气源热泵冷热水机组的压缩比均小于8 .6 , 而容积效率均大于0 .499 ;若提供13 ℃的水时, 表中所有城市选用的空气源热泵冷热水机组的压缩比均小于8 .6 , 而容积效率均大于0 .499 。从机组的压缩比和容积效率看, 空气源热泵冷热水机组在室外供暖设计温度下, 提供13 ～ 20 ℃水的工况是可以正常运行的。

 

  当机组在室外空气温度为-5 ℃, 供50 ℃热水工况下运行时, 其供热量作为100 %, 则机组在室外供暖计算温度下, 提供20 ℃水工况时, 北京、天津、石家庄、太原、济南、兰州等城市中, 机组供热量均大于100 %, 西安超过65 .37 %, 济南超过50 .75 %, 最小的西宁亦达11 .04 %。在哈尔滨、长春、沈阳、呼和浩特、银川、乌鲁木齐等城市中, 机组供热量小于100 %。这是因为室外供暖计算温度太低, 蒸发温度亦低, 使吸气比体积太大, 制冷循环的质量流量变小之故。在这些城市中, 若提供13℃水时, 除银川外, 其它城市中, 机组供热量仍小于100 %, 不过, 其减少量有所变小。例如, 哈尔滨地区机组的供热量的减少值由55 .21 %减少到45 .23 %, 沈阳由22 .66 %减少到11 .8 %。这充分表明:除哈尔滨、长春外, 其它地区机组在供暖室外计算温度下供13 ～ 20 ℃水时, 其供热量降低不多,而西北地区供热量反而增加。

 

  综上所述, 空气源热泵冷热水机组提供13 ～20 ℃水是可行的, 机组可以正常运行。10 ～ 20 ℃的水是水源热泵的优良的低温热源。另外, 空气源热泵冷热水机组供热性能系数(COP)平均为3 , 水—空气源热泵供热性能系数平均为4 。若不考虑其他损失时, 方案1 的能流图见图4 。由图4 可见, 方案1 的总供热性能系数可达2 .0 。不过应注意到, 在整个供暖期里, 出现供暖室外计算温度的时间不长, 大部分时间的室外气温是高于供暖室外计算温度的。随着室外气温的升高, 机组的COP 值亦会升高。因此, 这样双级热泵供暖新系统的季节性能系数将会远远大于2 的。

 

  4 结论

 

  4.1 在我国北方地区, 由空气源热泵机组与水源热泵(水—空气热泵或水—水热泵)组成新型的双级热泵系统是供暖的理想系统之一。

 

  4.2 在寒冷地区, 采用空气源热泵冷热水机组提供10 ～ 20 ℃的水作为水源热泵的低位热源时, 可以解决井水作为热泵的低位热源时, 存在水井老化, 回灌困难等问题;也可以解决目前建筑物内余热少或没有余热而无法采用传统的水环热泵空调系统的问题。

 

  4.3 在寒冷地区, 采用空气源热泵冷热水机组提供10 ～ 20 ℃的水是空气源热泵冷热水机组在该地区可行的应用方式。

 

  笔者目前所做的工作是初步的。为了更好地在寒冷地区推广和应用这种系统, 笔者准备在今后做如下工作:① 空气源热泵冷热水机组在寒冷地区供暖期里运行的模拟研究与分析;② 空气源热泵冷热水机组加水源热泵空调系统在我国北方地区应用的评价;③ 在条件许可的时候, 建立实验性系统, 进行运行实验研究。