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一种新型多功能水源热泵系统研究
一种新型多功能水源热泵系统研究
[摘要]本文提出了一种新型多功能水源热泵系统,并详细叙述了其工作原理,该热泵系统由制冷剂系统和水系统两部份组成,可同时为空气处理机组提供冷、热量,用于驱动空气处理机组。
通过建立实验台,对该热泵系统进行了实验研究,结果表明:
当热水加热器、热源换热器和空调冷热水换热器三者之间的换热面积比为0.5:
1:
1的情况下,该系统的热回收率最高可达58.2%。
当热源换热器入口水温一定时,随着热源换热器水流量的减小和热水进口水温的下降,制冷量基本保持不变,并且热源换热器入口水温越低,制冷量越高。
在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,热水加热器进口水温、排气温度、排气压力、压缩机功率越低,而热回量、热回收率、制冷系数COPc、综合性能系数COP越高。
[关键词]多功能;热泵;空气处理;再热
随着经济的快速发展,人们对生活、工作环境的要求不断提高[1],使得中央空调系统的应用越来越广泛。
目前,中央空调系统普遍采用一次回风加再热的空气处理方式,但这一空气处理方式存在冷热量的抵消,运行不节能;二次回风空气处理方式虽然可以解决一次回风空气处理方式所存在的问题,但二次回风空调系统的运行管理相对复杂,因此,现在大多数的中央空调系统还是采用一次回风的系统形式[2]。
根据研究,在一次回风加再热的空气处理方式中,空气再热量非常大,即使在夏季最热月,其再热耗热量也超过冬季最冷月耗热量的30%以上,甚至高达60%[3],因此,空气再热方式的选取决定了中央空调系统的初投资和运行费用,在目前常用的再热空气方法中[4-17],从节能的角度出发,以下二种方法较好:
方法一:
利用双管束单冷凝器热回收机组或双冷凝器热回收机组所回收的冷凝热来生产热水,以满足空气处理的再热需求。
这一方案主要适用于全年有制冷负荷的大型中央空调系统,但在全热回收工况以及单独制冷工况下,其中一个管束处于闲置状态,冷凝器的换热能力没有得到有效利用。
方法二:
利用具有热回收功能的多功能热泵在制冷的同时,回收冷凝热用于空气的再热。
多功能热泵因为能够实现夏季制冷,冬季供暖及全年生活热水的功能,因此,近十几年以来,为了进一步降低建筑能耗,多功能热泵系统的开发和研究成为了热泵研究领域的热点方向,许多新的系统型式被研究人员提出,并进行了研究[18],但现有方案在空气冷却兼再热工况下,冷凝热回收量通常只有10%~25%[17,19],不能满足空气再热的需求,工作也不稳定[19–22],因此,在实际工程中,利用多功能热泵作为冷热源直接驱动空气处理机组并未获得有效应用。
本文提出了一种新型的多功能水源热泵系统[23,24],该热泵系统由制冷剂系统和水系统两部份组成,系统结构简单,工作稳定,同时在空气冷却兼再热工况下的热回收量可调。
本文详细介绍了该热泵系统在空气冷却、空气冷却兼再热、空气加热工况下的工作流程,同时依据其工作原理,在选定热水加热器、热源换热器和空调冷热水换热器三者之间的换热面积比为0.5:
1:
1的情况下,搭建了实验台,对热泵系统进行了实验研究,空气加热工况下的实验结果参见文献[25,26],本文是该热泵系统在空气冷却兼再热工况下的实验研究结果。
1 系统工作原理
本文研究的多功能水源热泵系统原理如图1所示。
从图1可知,该热泵系统由制冷剂系统和水系统两部分组成。
在各工况下工作时,制冷剂和水的工作流程分别如下所述。
1.1空气冷却工况
在此工况下,空调冷热水换热器用于生产冷冻水;热水加热器将回收的一部分冷凝热通过水–水式换热器直接排入冷却水中;剩下的另一部分冷凝热通过热源换热器排入环境。
在空气处理装置中,冷却器直接利用空调冷热水换热器所生产的冷冻水对空气降温除湿,再热器不工作。
如图1所示,在空气冷却工况下热泵系统工作时,电磁阀1关闭,电磁阀2打开;控制阀3、4关闭,控制阀1、2、5、6打开;热力膨胀阀1不工作,热力膨胀阀2、泵1、2、3正常工作。
其制冷剂系统的工作流程为:
制冷剂从压缩机排气口出来后,依次经过四通阀、单向阀1、热水加热器、电磁阀2、热源换热器、单向阀3、储液器、热力膨胀阀2、空调冷热水换热器、四通阀,又回到压缩机吸气口。
其空调水系统的工作流程为:
冷冻水从空调冷热水换热器出来之后,依次经过控制阀1、冷却器、泵1、逆止阀1,又回到空调冷热水换热器。
热水从热水加热器出来后,经过控制阀2、电动三通调节阀旁通管、水–水换热器、控制阀5、泵2、逆止阀2,又回到热水加热器。
热源换热器侧热源水通过泵3、逆止阀3后,被分为两部分,一部分经过热源换热器后,直接回到开式水源;另一部分经过水–水换热器、控制阀6后,也回到开式水源。
1.2空气冷却兼再热工况
在此工况下,空调冷热水换热器用于生产冷冻水;热水加热器通过热回收的方式,回收利用一部分制冷所产生的冷凝热生产热水;剩下的另一部分冷凝热通过热源换热器排入环境。
在空气处理装置中,冷却器首先利用空调冷热水换热器所生产的冷冻水,将被处理空气冷却除湿至其空气露点;然后,再热器再利用热水加热器所生产的热水对被处理空气进行再热。
如图1所示,热泵系统在空气冷却兼再热工况下工作时,可根据末端再热量需求调节电动三通阀的开度,控制再热量的大小,而针对再热量的大小,水系统有两种调节方式。
图1多功能水源热泵系统原理示意
(1)当空气处理机组所需再热量较大时,电动三通阀旁通关闭,热水加热器回收的冷凝热全部用于空气的再热。
此时,电磁阀1关闭,电磁阀2打开;控制阀3、5、6关闭,控制阀1、2、4打开;热力膨胀阀1不工作,热力膨胀阀2、泵1、2、3都正常工作。
(2)当空调处理机组所需再热量较小时,电动三通阀旁通打开,热水加热器回收的冷凝热一部分用于空气的再热,另一部份通过水–水换热器排入环境中。
此时,电磁阀1关闭,电磁阀2打开;控制阀3、4关闭,控制阀1、2、5、6打开;热力膨胀阀1不工作,热力膨胀阀2、泵1、2、3都正常工作。
其制冷剂系统的工作流程为:
制冷剂从压缩机排气口出来后,依次经过四通阀、单向阀1、热水加热器、电磁阀2、热源换热器、单向阀3、储液器、热力膨胀阀2、空调冷热水换热器、四通阀,又回到压缩机吸气口。
当空气处理机组所需再热量较大时,水系统的工作流程为:
冷冻水从空调冷热水换热器出来之后,依次经过控制阀1、冷却器、泵1、逆止阀1,又回到空调冷热水换热器。
热水从热水加热器出来后,依次经过控制阀2、再热器、三通调节阀、控制阀4、泵2、逆止阀2,又回到热水加热器。
热源换热器侧热源水通过泵3、逆止阀3、热源换热器,又回到开式水源。
当空气处理机组所需再热量较小时,水系统的工作流程为:
冷冻水工作流程如上所述;而热水从热水加热器出来后,经过控制阀2分为两部分,一部分通过再热器,另一部分旁通经过电动三通调节阀,合流后经过水–水换热器、控制阀5、泵2、逆止阀2,又回到热水加热器。
热源换热器侧热源水通过泵3、逆止阀3后,水流被分为两部分,一部分经过热源换热器,直接回到开式水源;另一部分经过水–水换热器、控制阀6后,也回到开式水源。
1.3空气加热工况
在此工况下,空调冷热水换热器用于第二级加热空调热水;热水加热器用于第一级加热空调热水;热源换热器用于从环境中吸取热量。
在空气处理装置中,经热水加热器、空调冷热水换热器二级加热后的空调热水依次经过冷却器、再热器对被处理空气进行加热。
如图1所示,热泵系统工作时,电磁阀1打开,电磁阀2关闭;控制阀1、3、4打开,控制阀2、5、6关闭;热力膨胀阀1正常工作,热力膨胀阀2关闭;泵1不工作,泵2、3正常工作;电动三通调节阀旁通关闭。
其制冷剂系统的工作流程为:
制冷剂从压缩机排气口出来后,依次经过四通阀、空调冷热水换热器、单向阀2、热水加热器、电磁阀1、储液器、热力膨胀阀1、热源换热器、单向阀4、四通阀,又回到压缩机吸气口。
其空调水系统的工作流程为:
经二级加热后的空调热水,从空调冷热水换热器的热水出口出来后,依次经过控制阀1、冷却器、控制阀3、再热器、电动三通调节阀、控制阀4、泵2、逆止阀2、热水加热器,又回到空调冷热水加热器的热水入口。
热源换热器侧热源水通过泵3、逆止阀3,热源换热器,又回到开式水源。
2 计算方法
制冷量Qc为:
Qc=qcρcc(tc,i-tc,o)/3600
(1)
式中:
Qc为制冷量(kW);qc为空调冷热水换热器水流量(m3/h);tc,i和tc,o分别为空调冷热水换热器进、出口水温(℃);ρc为空调冷热水换热器出口水温下的水密度(kg/m3)。
热源换热器排走热量Qh等于:
Qh=qh,sρh,sc(th,s,o-th,s,i)/3600
(2)
式中:
Qh为热源换热器排走热量(kW);qh,s为热源换热器水流量(m3/h);th,s,i和th,s,o分别为热源换热器入、出口水温(℃);ρh,s为热源换热器出口水温下的水密度(kg/m3)。
热回收量Qr为:
Qr=qh,wρh,wc(th,w,o-th,w,i)/3600(3)
式中:
Qr为热回收量(kW);qh,w热水加热器水流量(m3/h);th,w,i和th,w,o分别为热水加热器进、出口水温(℃);ρh,w为热水加热器出口水温下的水密度(kg/m3)。
热回收率R为:
R=Qr/(Qr+Qh) (4)
式中:
R为热回收率(%)。
制冷性能系数COPc等于:
COPc=Qc/P (5)
式中:
COPc为制冷性能系数;P为压缩机消耗的功率(kW)。
综合性能系数COP为:
COP=(Qc+Qr)/P (6)
3 实验结果分析
由于该热泵系统所选用的热水加热器面积较大,热回收能力强。
因此,在空气冷却兼再热工况下进行实验时,本文所采用的控制策略是:
在给定的热水加热器出口水温和热水流量下,当热水加热器进口水温变化时,通过调节热源侧换热器的水流量,将热水加热器出口水温控制为给定值。
空气冷却兼再热工况下的实验条件如表1所示。
当热源换热器水流量(qc)在1.7~0.5m3/h之间变化时,该工况在给定的热水加热器水流量(qh,w)下进行了实验研究。
其中空调冷热水换热器进出口水温(tc,i/o)始终维持为12/7℃,而热源换热器入口水温(th,s,i)维持为30℃或25℃,热水加热器的出口水温(th,w,o)维持为45℃,实验结果如图2~10所示。
表1空气冷却兼再热工况的实验条件
3.1热源换热器水流量对热水进口温度和排气压力影响
由图2,3可知,当热源换热器入口水温为25℃、30℃,热水加热器出口水温为45℃时,热水流量不同的四条曲线,随着热水加热器进口水温的下降和热源换热器水流量的减小,排气压力逐渐上升,但幅度不大。
当热源换热器入口水温为25℃时,两条曲线的排气压力分别上升4.52%,3.26%;当热源换热器入口水温为30℃时,两条曲线的排气压力分别上升2.24%,2.46%。
另外,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,排气压力和热水加热器进口水温越低。
图2热源换热器水流量对热水进口温度(th,w,i)的影响
图3热源换热器水流量对排气压力的影响
3.2热源换热器水流量对排气温度和热回收量(Qr)的影响
从图2,4可知,当热源换热器水流量的变化范围为(1.7~0.5)m3/h时,随着热水加热器进口水温的下降和热源换热器水流量的减小,四条排气温度曲线整体呈现上升趋势,但上升幅度不大且中间有波动。
在四条排气温度曲线中,当热源换热器入口水温为25℃,热水加热器出口水温为45℃,热水流量为0.2m3/h时,上升幅度最大为2.604℃;当热源换热器入口水温为25℃,热水加热器出口水温为45℃,热水流量为0.16m3/h时,上升幅度最小为1.424℃。
另外,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,排气温度越低。
图4热源换热器水流量对排气温度的影响
由图2,5可知,随着热水加热器进口水温的下降,热源换热器水流量逐渐减小,但热回收量逐渐上升。
因为随着热水加热器进口水温下降和排气温度上升(如图4所示),相应的显热量增多,热回收量上升。
另外,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水加热器进口水温越低,可获得的热水流量越少,但热回收量越高。
图5热源换热器水流量对热回收量(Qr)的影响
3.3热源换热器水流量对压缩机功率(P)的影响
从图2和图6可知:
当热源换热器入口水温为25℃、30℃,热水加热器出口水温为45℃时,热水流量不同的四条曲线,随着热水加热器进口水温的下降和热源换热器水流量的减小,压缩机功率逐渐升高,但变化幅度不大。
另外,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,压缩机功率越低。
图6热源换热器水流量对压缩机功率(P)的影响
3.4热源换热器水流量对制冷量(Qc)的影响
由图2,7可知,热水加热器进口水温的下降和热源换热器水流量的减小,四条曲线的制冷量基本保持不变。
当热源换热器入口水温为25℃时,制冷量在7.826kW上下波动,波动范围为-0.044~0.073kW。
另外,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,制冷量的变化规律与热水流量的大小基本无关。
而当热源换热器入口水温为30℃时,制冷量在7.575kW上下波动,波动范围为(-0.077~0.064)kW,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,制冷量越大。
图7热源换热器水流量对制冷量(Qc)的影响
3.5热源换热器水流量对制冷系数(COPc)的影响
从图2,8可知:
在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,制冷系数越高;即:
热水加热器进口水温越低,制冷系数越高。
图8热源换热器水流量对制冷系数(COPc)的影响
3.6热源换热器水流量对综合性能系数(COP)的影响)
如图9可知,四条综合性能系数曲线中,其中三条曲线的综合性能系数都随着热源换热器水流量的减少而逐渐升高;另一条曲线的综合性能系数随着热源换热器水流量的减少,先轻微下降,再逐渐升高。
因为随着热水加热器进口水温的下降和热源换热器水流量逐渐减小,热回收量逐渐上升(如图2,5所示),这是综合性能系统逐渐升高的主要原因。
另外,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,综合性能系数越高。
图9热源换热器水流量对综合性能系数(COP)的影响
3.7热源换热器水流量对热回收率的影响
由图10可知,在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越少,热回收率越高。
当热源换热器水流量在1.7~0.5m3/h之间变化时,随着热源换热器水流量的减少,热回收率逐渐上升,上升幅度较大。
当热源换热器入口温度为25℃时,两种热水流量下,热回收率的上升幅度分别为132%,162%;热回收率最高为48%;当热源换热器入口温度为30℃时,两种热水流量下,热回收率的上升幅度分别为138%,55%;热回收率最高为58.2%。
图10热源换热器水流量对热回收率(R)的影响
4 结论
本文提出了一种新型多功能水源热泵系统,该系统由制冷剂系统和水系统两部分组成,可作为空气处理机组的冷热源,用于满足空气处理过程中的再热量和制冷量需求。
通过实验研究,结果表明:
在空气冷却兼再热工况下,当热源换热器入口水温一定时,随着热源换热器水流量的减小,热水加热器入口水温的下降,该多功能水源热泵系统的热回收量增加,而制冷量基本保持不变,并且热源换热器入口水温越低,制冷量越高。
在相同的热水加热器出口水温、热源换热器入口水温和水流量下,热水流量越小,热水加热器进口水温、排气温度、排气压力、压缩机功率越低,而热回量、热回收率、制冷系数和综合性能系数越高。
在实验条件下,该系统的热回收率最高可达58.2%;水–水换热器有利于保证制冷剂系统的工作稳定性。
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