中高温水源热泵设计浅谈

王红燕

摘 要:本文阐述了一种中高温水源热泵机组。介绍了中高温水源热泵的工质和系统,通过在不同冷却水温及冷冻水温运行的变化规律,结果表明可以制取70℃以上的热水并可稳定运行,为节能空调系统优化设计提供参考。

关键词:中高温水源热泵工质系统节能

中图分类号:TU83 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(a)-0018-02

1 引言

水源热泵机组是一种利用地下水、土壤或地表水等地下浅层地能资源的冷热兼用型的高效节能空调系统。机组利用地下水和土壤温度相对稳定的特点,通过地下水或深埋土壤的管路系统进行热量交换,实现低位热能向高位热能的转移。冬季时将从水源中吸取的低品位热量转移至室内,实现对房间供暖。夏季时则从室内取出热量,释放到水源,实现对房间的供冷。普通水源热泵机组制热时冷冻水进水温度15℃,热水出水温度一般不超过55℃,这对于原来使用燃油、燃煤、燃气等锅炉设备高温用水的工程改造以及一些特殊的行业(特别是工业上的如食品和木材的干燥、化工等行业)需要高温热水作为生产资源的工程项目。55℃的供水温度已经不能或不完全能满足系统的使用要求,从而限制了普通水源热泵这一经济节能的技术的推广应用。而中高温水源热泵技术正是在这一背景下应运而生,它利用各类工业和生活废水中的余热来制取60～80℃高温热水,大大的拓展了水源热泵技术的应用范围。中高温水源热泵应用于工业的前景是非常乐观的。

2 中高温水源热泵技术

高温水源热泵的工作原理与普通水源热泵相似,所不同的是能稳定输出更高温度的热水。当低品位回水温度15～60℃时,机组可提供60～85℃的热水,系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、控制系统以及环保高温工质构成。这样,热泵机组可以源源不断地吸收低品位水源的能量,以高温热水向外输出。

2.1 中高温水源热泵工质

传统的制冷剂如R22和R134a等不能满足高温的需求。为保证中高温热泵设备在稳定的可允许的工作压力下运用,因热水出水温度高相应的冷凝压力较高,选用合理的制冷剂对于系统是非常重要。相对于普通水源热泵,中高温水源热泵很难找到一种很适用的工质。对于中高温工质的选择有两种趋势,一种是使用自然工质(CO2、NH3等),另一种是使用HCFCs、HFC及各成份组成的混合物。自然工质一般工作压力较高,或循环超过临界区,部分还具有可燃性及爆炸性危险,系统一般都有相应的特殊措施去克服,所以我们倾向选用混合工质。根据预期的环保型中高温水源热泵的特点,确定了筛选原则,即综合环保性能好、以HFCs为主、合适的沸点、较好的热工性能、与R22机组的材料和冷冻油相容、尽量选用滑移温度小的混合物,以有利于减小成分迁移引起的可燃性和系统性能的变化,已在国内商业化生产。从而主要考虑了以下因素:环保方面:臭氧破坏潜能(ODP)、全球变暖潜能(GWP);安全方面:毒性、可燃性;材料方面:与冷冻油的互溶性、与金属和塑胶材料的兼容性、单位容积制热量;热工参数:蒸发压力、冷凝压力、排气温度、滑移温度;循环性能:能效比、压比、单位质量制热量。最终选择天津大学开发的由三个组元组成混合工质ZHR01。

对于常温水源热泵R22工况,其冷凝温度为55℃时对应的冷凝压力为2.175MPa,而高温水源热泵ZHR01的工况,其冷凝温度为85℃时,其冷凝压力仅为2.09MPa。说明从热力学性质来看,ZHR01如果采用原R22的压缩机,ZHR01排气压力比R22的还低,有利于系统的工作和延长寿命。

2.2 中高温水源热泵系统

中高温水源热泵系统的研究工作主要在系统循环的优化,换热器内换热的强化及系统控制方面。首先压缩机的整个系统的心脏部件,压缩机的可靠性直接影响机组的性能。压缩机的选择:目前热泵设备常用压缩机类型主要有螺杆压缩机、全封闭涡旋压缩机与半封闭活塞压缩机等,经过对不同类型压缩机工作特性及适用场所进行比较研究,目前中高温水源热泵一般选用螺杆压缩机。因中高温水源热泵冷冻水从15～60℃的低品位热水中回收热量,制取60～85℃的热水,压缩机处于压缩比变化工况下运行,需尽可能选取内容积比与实际工况相匹配的回转式压缩机,压缩机配置电机功率考虑最恶劣工况时的耗电量。不仅有效降低机组输入功率,且提高机组能效比及安全性。

蒸发器和冷凝器的换热机理、與系统的匹配及控制采集点对机组都尤其重要。设计中考虑合适的换热面积使蒸发温度和冷凝温度与冷冻水和冷却水温相匹配,中高温水源热泵系统使用ZHR01非共沸混合工质,非共沸混合工质显示出一种独特的性质,即压力一定时其饱和温度是干度的函数。也就是说,相变过程并非等温过程。非共沸工质相变时的温度变化称为滑动温度效应。

这个温度滑移的特性,利用其性能可对换热能够改善热交换器在效率以及热力循环效率。

中高温水源热泵的节流阀包括热力膨胀阀、电子膨胀阀及毛细管。节流阀的主要作用有:①节流降压②控制流量③控制过热度。考虑为非共沸混合工质,采用电子膨胀阀来进行节流降压,通过吸气过热度的控制来调节流媒流量保证系统匹配。

3 中高温水源热泵实验分析

测试机组在不同冷冻水、冷却水工况下的性能,并记录和分析机组在不同工况下运行的相关数据。通过自动控制系统调节蒸发器进口水温和冷凝器出口水温,进行多种试验,了解ZHR01的实际运行特性。机组样机设计工况为冷冻水进口温度:33℃,水流量62m3/h;热水侧进水温度:68℃,水流量45m3/h。机组名义制热量525kW; 功率164kW,COP为3.2。

因测试台运行范围的限制,实测工况与设计工况有一定的差别,其中工况4为未经运行平稳所测的数据。从（表1）可以看出,在冷冻水定流量,冷冻水接近28℃出水情况下,随着冷却水进水温度升高,机组的制热量和能效比随之下降。从测试情况同时表明ZHR1工质试验机组在各种工况下(包括冷却水出口温70℃时),均可以稳定安全运行但机组详细的参数有待于进一步测试及研究,包括机组的可靠性运行的验证。

4 结语

(1)在样机的测试中,根据中高温水源热泵机组的工作原理,选择合适的工质进行了试验研究。通过对机组的测试和观察,证明ZHR101工质在机组中运行状态稳定,能够产生70℃以上的热水。

(2)中高温水源热泵的运行,可以满足各种工业用热水的需求。同是提高了一次能源利用效率。与传统的燃油、燃煤、燃气等锅炉设备系统相比,具有良好的经济性。

参考文献

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