太阳能热泵冷热水机组项目可行性方案研究报告.docx
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太阳能热泵冷热水机组项目可行性方案研究报告
某太阳能热泵冷热水机组
项目可行性研究报告
一、项目背景…………………………………………………………2
二、项目介绍…………………………………………………………2
三、技术特点……….……………………………………………18
四、科技创新...…………………………………………………23
五、总体性能指标与国外同类先进技术的比较……………24
六、技术成熟度……………………………………………………25
七、推广应用前景…………………………………………………25
八、某太阳能热泵机组应用存在的问题……….……………26
九、经济效益分析…………….……………………………………26
一、项目背景
能源的综合利用和节能是解决能源短缺的两个关键途径,众所周知,风能和太阳能是清洁而廉价取之不尽用之不竭的能源,在目前碳氢燃料和水资源日渐枯竭的严峻形式下,综合利用风能和太阳能更显其优越性,但综合利用的最大障碍是它们受昼夜、季节、阴晴天等因素的影响,具有不稳定性,克服这一不足并且高效的利用它们是摆在各国科学家面前急迫的课题。
我公司针对这一问题进行了某太阳能热泵冷热水机组的研发,通过“某”综合性的利用了多种能源,既解决了单一能源利用的弊端,又提高了设备效率。
二、项目介绍
某太阳能热泵冷热水机组是一种新型节能中央空调,通过逆卡诺循环原理,利用循环介质把空气、水、太阳能中的能量收集起来,进行能量转换,从而达到夏季制冷、冬季供暖的要求。
由于普通的风源热泵中央空调机组是通过翅片换热器与大气换热,向大气排放或吸收能量,因而机组效率受环境温度变化影响较大,高温衰减严重,冬季制热受环境湿度影响较大,高湿环境除霜频繁,效率低,直接影响制冷、制热效果。
在实际使用过程中为了克服以上缺点,需要通过加大机组负荷和加装电辅助加热的方法来解决,使得工程投资增大、运行费用也大大提高。
而常规的水源热泵中央空调机组是通过换热器从地下提取或排放能量,地下温度四季基本恒定,受环境温度影响小,但它的使用常常受地下水量的影响,有时地下水长时间连续使用,会形成回灌困难,因而造成水资源的的浪费。
太阳能是清洁而廉价取之不尽用之不竭的能源,但利用的最大障碍是受昼夜、阴晴天等的影响,具有不稳定性。
针对单一能源利用的弊端,研制开发一种综合利用空气、水、太阳能等可再生能源的高效中央空调机组,通过机组智能化控制,使其具有风源热泵和水源的特点又克服了他们的缺点。
该机组全年风冷工况、水源工况均可运行,其中夏季以风源工况为主时,当环境温度较高,风冷工况效率衰减严重时,机组可以选择性的转换为水源工况,利用其他的冷却源提高机组的制冷效率。
以水源工况为主时,当地下水出现暂时回灌困难时可转化为风源工况运行,为地下水的回灌提供一定的缓冲时间。
冬季机组制热运行时主要与太阳能集热系统进行偶合,机组以水源工况运行,利用太阳能系统的热水做为机组热源,从而提高了机组的蒸发温度,使机组的能效比大大提高。
当太阳能系统无法提供足够的热源时,机组可自动转换为风源工况工作,为建筑物提供负荷,实现全天候某运行。
1、基本构造
某太阳能热泵冷热水机组是在原风源热泵机组的基础上加设了一台能量回收换热器A和工况转换电磁阀1、2(见工艺流程图),能量回收换热器A与翅片换热器并联,并且可以通过电磁阀1、2的通、断来控制使用其中之一,系统中无论是翅片换热器还是能量回收换热器A和换热器B,都可兼做蒸发器或冷凝器使用。
2、制冷、制热原理
1)制冷时该系统包括两套冷凝器(高效翅片换热器、能量回收换热器A)、一套蒸发器(换热器B),两个冷凝器可根据设定进行切换。
机组工作时,压缩机不断地从蒸发器(换热器B)中抽出制冷剂蒸气,经过压缩机压缩,制冷剂由低温低压蒸气转变成高温高压蒸气。
高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器,此时的冷凝器可以是高效翅片换热器,也可以是能量回收换热器A,可根据条件选择其中之一,被冷凝器冷凝的高压液体制冷剂经膨胀阀节流、降压,转变为低温低压制冷剂液体。
低温低压制冷剂在蒸发器(换热器B)蒸发,从冷冻水中吸收大量热量,从而降低了系统水的温度,低压制冷剂蒸气再次被压缩机抽取,如此往复,从而实现制冷循环。
2)制热时它配置两套蒸发器(高效翅片换热器、能量回收换热器A)和一套冷凝器(换热器B),两个蒸发器可根据设定进行切换,压缩机不断地从蒸发器中抽出制冷剂蒸气,经过压缩机压缩,制冷剂由低温低压蒸气转变成高温高压蒸气。
高温高压制冷剂蒸气在冷凝器(换热器B)冷凝,放出大量热被系统水吸收,从而达到制热的目的。
被冷凝器冷凝的高压液体制冷剂经膨胀阀节流、降压,转变为低压制冷剂液体,低压制冷剂在蒸发器蒸发,此时的蒸发器可以是高效翅片换热器,也可以是能量回收换热器A,可根据条件选择其中之一,低压制冷蒸气再次被压缩机抽取,从而形成一个制热循环。
3、某运行
从机组的工作原理可以看出,机组可以通过改变制冷剂流通路线选择利用不同形式的能源,当工况转换电磁阀1开启、电磁阀2关闭时,机组就成了一个风冷热泵机组,按风冷工况运行,当工况转换电磁阀2开启、电磁阀1关闭时,机组就成了一个水源热泵机组,按水源热泵工况运行。
最为重要的是它在冬季制热运行时可以通过工况的转换有效的与太阳能集热系统进行偶合,利用太阳能系统的热源水作为机组的热源,以提高系统的效率。
4、某运行应用
4.1解决地下水不足的问题
制约水源热泵机组使用的因素主要是水量的问题,纵然水源热泵机组的能效比高,没有足够的水量也是无法使用的,而利用某热泵机组的某性就可以解决这个问题,如图在系统中需增加一个蓄水池,机组使用前先将蓄水池注满,机组以水源热泵工况运行,利用蓄水池的水作为冷、热源使用,当水池的水温不适宜继续使用时,机组转换为风源热泵工况运行,同时蓄水池的水开始更新,等水温再次达到要求时,机组转换为水源热泵工况运行,这样就既较好的利用了有限的水源,又提高了系统的效率,且保证了系统运行的可靠性。
4.2解决地下长时间使用回灌不足的问题
水源热泵机组在使用时会发现这样的问题,原来回灌良好的水井使用一段时间后出现回灌效果差的现象,而机组停机后一段时间又可以很快回灌。
这种情况是因为机组长时间使用由于泥、砂等颗粒的迁移形成水线的部分堵塞造成的,也就是说,出水量和回灌量存在一定差值,要想完全回灌必须保证一定的缓冲时间,这与建筑物需要持续的负荷是矛盾的,而某热泵机组的某性就可以解决这个问题,如图在系统增加了一个回灌缓冲池,当机组以水源工况运行时,需要回灌的井水先汇集到回灌缓冲池,当检测到回灌井回灌出现问题后机组自动转换到风源热泵工况运行,为建筑物提供负荷的同时,为井水回灌提供足够的缓冲时间,等水位恢复后机组可以继续以水源工况运行,从而解决地下水回灌的问题。
4.3冬季运行与太阳能集热系统偶合提高系统效率
风冷热泵机组运行时,受环境温度变化影响较大,特别是在冬季制热运行时,系统效率较低。
太阳能系统受日照时间、光照强度影响较大,连续性无法保证。
而某风冷热泵机组与太阳能技术的结合可以扬长避短,风冷热泵工况运行保证系统在无光照时的负荷需求,而光照强度好的时候太阳能系统又为水源热泵工况提供高效的热源,这样既增加了设备的可靠性又提高了系统的效率。
如图夏季运行时某风冷热泵机组以制冷工况运行制取冷水。
冬季运行时某风冷热泵机组以蓄热水箱水温作为机组工况转换的信号采集参数,设定水箱温度低于8℃时以风冷工况运行,高于15℃时以水源工况运行,为防止热泵机组排气温度过高,太阳能热水循环泵采用变频控制,当水箱温度不高于20℃时循环水泵全速运行,当高于20℃时,以蒸发压力作为采样参数进行调节,确保蒸发器的蒸发温度以12℃高效状态运行。
5、主要零部件明细表
序号
部件名称
生产厂家
备注
1
压缩机SRC-S-163
意大利莱富康
半封闭螺杆压缩机
2
换热器B
宏力公司
专利技术ZL00256109.3
3
能量回收换热器A
宏力公司
专利技术ZL00256109.3
4
高效翅片换热器
宏力公司
专利技术ZL02267544.2
5
四通换向阀
日本兰柯
原装进口
6
电磁阀
意大利卡士妥
原装进口
7
膨胀阀
美国ALCO
原装进口
8
干燥过滤器
美国ALCO
原装进口
9
接触器
德国西门子
原装进口
10
高低压控制器
日本Saginomiya
原装进口
11
电脑芯片
菲利浦
原装进口
12
可编程控制器
菲利浦
原装进口
6、产品专利技术及质量标准
1>机组采用了环流式套管换热器等七项专利技术。
(1)翅片换热器,专利号:
ZL02267544.2
(2)大功率模块化风源热泵机组,专利号:
ZL2.4
(3)风源热泵中央空调机组逆流分液装置,专利号:
ZL1.0
(4)空调机组使用的套管换热器,专利号:
ZL00256108.5
(5)套管式换热器,专利号:
ZL00256109.3
(6)大容量套管换热器,专利号:
ZL00256110.7
(7)外观专利:
型材
(1),专利号:
ZL00332117.7
型材
(2),专利号:
ZL00332116.9
2>机组选用的主要配套件全封闭螺杆压缩机符合GB/T10079的规定;我公司主要选用世界名牌意大利莱富康低噪声螺杆(Refcomp)压缩机。
3>机组配套的汽液分离器、贮液器、冷凝器和蒸发器等符合JB/T6917、7659.2和JB/T7659.4的规定;其中冷凝器、蒸发器是我公司自行研制生产,已获得七项专利技术,具有自主知识产权。
4>机组用膨胀阀符合JB/T3548的规定;我公司主要选用世界名牌ALCO、DANFOSS等品牌的产品。
5>机组用压力表符合GB/T1226的规定,视镜符合JB/T6918的规定;我公司主要选用世界名牌ALCO、DANFOSS、鹭宫、威科等品牌的产品。
6>机组配套的控制仪表柜及选用的开关设备符合GB/T3906及JB/T4329的规定;我公司主要选用世界名牌西门子、菲利蒲等品牌的产品。
7>机组制冷剂采用R22。
7、热力计算
<一>制冷计算
1、风冷工况运行模式
a、制冷设计条件
(1)压缩机:
采用意大利莱富康60HP—SRC-S163一台
(2)蒸发器、冷凝器采用大容量环流套管换热器、翅片换热器,
制冷剂采用R22。
(3)空气进风干球温度35℃,冷冻水进水温度12℃,出水温度7℃。
(4)冷凝温度48℃,过冷度5℃,蒸发温度-3℃,过热度9℃。
压缩机的指示效率ηV1=0.86,电机效率ηV2=0.88,
理论排气量qVT=175m3/h,风机功率NP=1.5KW/台(共四台)。
b、制冷热力计算如下:
(1)冷凝温度的确定:
冷凝器为:
tk=48℃,过冷后的温度为:
tkL=43℃
蒸发器为:
t0=-3℃,吸气温度为:
t0R=6℃
(2)根据工作温度绘制制冷循环压焓图:
状态点
P(MPa)
t(℃)
h(kJ/kg)
v(m3/kg)
1
4.51
-3
253.69
---
2
4.51
-3
404.24
---
3
4.51
6
410.70
0.05434
4
18.55
80
448.04
0.0152
5
18.55
48
417.65
----
6
18.55
48
260.57
---
7
18.55
43
253.69
----
单位质量制冷量:
q0=h3-h1=410.70-253.69=157.01KJ/Kg
单位容积制冷量:
qv=q0/v3=157.01/0.05434=2889.4KJ/m3
压机的理论排气量:
qvs=175m3/h=0.04861m3/S
制冷剂循环的质量流量:
MR=qvs/V3=0.04861/0.05434=0.8945㎏/s
压缩机的制冷量:
Q0=qV×qVS=2889.4×0.04861×0.9=126.4KW
(3)压缩机的输入功率:
单位理论功率:
W0=h4-h3=448.04-410.7=37.34KJ/Kg
压缩机理论功率:
P0=MR×W0=0.8945×37.34=33.4KW
压缩机实际运行功率:
PK=P0/ηV1ηV2=33.4/(0.86×0.88)=44.13KW
(4)制冷时的能效比计算:
能效比:
COP=Q0/(NP+PK)=126.4/(1.5×4+44.13)=2.52
2、地温工况运行模式
a、设计条件
(1)压缩机:
采用意大利莱富康60HP—SRC-S163一台
(2)蒸发器、冷凝器采用大容量环流套管换热器,制冷剂采用R22。
(3)冷冻水进水温度12℃,出水温度7℃,冷却水进水温度18℃,
出水温度29℃。
(4)冷凝温度34℃,过冷度5℃,蒸发温度2℃,过热度9℃。
压缩机的指示效率ηV1=0.86,电机效率ηV2=0.88,
理论排气量qVT=175m3/h
b、制冷热力计算如下:
(1)冷凝温度的确定:
冷凝器为:
tk=34℃,过冷后的温度为:
tkL=29℃
蒸发器为:
t0=2℃,吸气温度为:
t0R=11℃
(2)根据工作温度绘制制冷循环压焓图:
状态点
P(MPa)
t(℃)
h(kJ/kg)
v(m3/kg)
1
5.31
2
235.36
---
2
5.31
2
405.11
---
3
5.31
11
412.67
0.04639
4
13.21
57.85
436.3
0.02049
5
13.21
34
415.36
---
6
13.21
34
241.87
---
7
13.21
29
235.36
---
单位质量制冷量:
q0=h3-h1=412.67-235.36=177.31KJ/Kg
单位容积制冷量:
qv=q0/v3=177.31/0.04939=3822.16KJ/m3
压机的理论排气量:
qvs=175m3/h=0.04861m3/S
制冷剂循环的质量流量:
MR=qvs/V3=0.04861/0.04639=1.04787㎏/s
压缩机的制冷量:
Q0=qV×qVS=3822.16×0.04861×0.9=167.21KW
(3)压缩机的输入功率:
单位理论功率:
W0=h4-h3=436.3-412.67=23.63KJ/Kg
压缩机理论功率:
P0=MR×W0=1.04787×23.63=24.76KW
压缩机实际运行功率:
PK=P0/ηV1ηV2=24.76/(0.86×0.88)=32.72KW
(4)制冷时的能效比计算:
能效比:
COP=Q0/PK=167.21/32.72=5.12
<二>制热计算
1、风冷工况运行模式
a、制热设计条件
(1)进风干球温度7℃,湿球温度6℃,热媒水进水温度40℃,
出水温度45℃
(2)冷凝温度50℃,过冷度5℃,蒸发温度-3℃,过热度9℃。
压缩机的指示效率ηV1=0.86,电机效率ηV2=0.88,
理论排气量qVT=175m3/h。
风机功率NP=1.5KW/台(共四台)
b、制热热力计算如下:
(1)冷凝温度的确定:
冷凝器为:
tk=50℃,过冷后的温度为:
tkL=45℃
蒸发器为:
t0=-3℃,吸气温度为:
t0R=6℃
(2)根据工作温度绘制制热循环压焓图:
状态点
P(MPa)
t(℃)
h(kJ/kg)
v(m3/kg)
1
4.51
-3
256.43
---
2
4.51
-3
404.24
---
3
4.51
6
410.70
0.05434
4
19.43
82.88
449.35
0.01456
5
19.43
50
417.82
---
6
19.43
50
263.20
---
7
19.43
45
256.43
----
单位质量制热量:
q0=h3-h1=410.7-256.43=154.27KJ/Kg
单位容积制热量:
qv=q0/v3=154.27/0.05434=2838.97KJ/m3
压机的理论排气量:
qvs=175m3/h=0.04861m3/S
制冷剂循环的质量流量:
MR=qvs/V3=0.04861/0.05434=0.8951㎏/s
压缩机的制热量:
Q0=qV×qVS=2838.97×0.04861×0.9=124KW
(3)压缩机的输入功率
单位理论功率:
W0=h4-h3=449.35-410.70=38.65KJ/Kg
压缩机理论功率:
P0=MR×W0=0.8951×38.65=34.59KW
压缩机实际运行功率:
PK=P0/ηV1ηV2=34.59/(0.86×0.88)=45.7KW
(4)制热时的能效比计算:
能效比:
COP=(Q0+PK)/(PK+NP)=169.7/51.7=3.28
2、太阳能工况运行模式
a、制热设计条件
(1)压缩机:
采用意大利莱富康60HP—SRC-S163一台。
(2)蒸发器、冷凝器采用大容量环流套管换热器,制冷剂采用R22。
(3)冷冻水进水温度40℃,出水温度45℃,冷却水进水温度25℃,
出水温度20℃。
(4)冷凝温度48℃,过冷度5℃,蒸发温度7℃,过热度7℃。
压缩机的指示效率ηV1=0.88,电机效率ηV2=0.94,
理论排气量qVT=175m3/h
b、制热热力计算如下:
(1)冷凝温度的确定:
冷凝器为:
tk=48℃,过冷后的温度为:
tkL=43℃
蒸发器为:
t0=7℃,吸气温度为:
t0R=14℃
(2)根据工作温度绘制制冷循环压焓图:
状态点
P(MPa)
t(℃)
h(kJ/kg)
v(m3/kg)
1
6.22
7
253.69
---
2
6.22
7
407.88
---
3
6.22
14
413.1
0.03942
4
18.55
72.6
440.54
0.01458
5
18.55
48
417.79
---
6
18.55
48
260.57
---
7
18.55
43
253.69
---
单位质量制热量:
q0=h3-h1=413.1-253.69=159.41KJ/Kg
单位容积制热量:
qv=q0/v3=159.41/0.03942=4043.9KJ/m3
压机的理论排气量:
qvs=175m3/h=0.04861m3/S
制冷剂循环的质量流量:
MR=qvs/V3=0.04861/0.03942=1.233㎏/s
压缩机的制热量:
Q0=qV×qVS=4043.9×0.04861×0.9=177KW
(3)压缩机的输入功率:
单位理论功率:
W0=h4-h3=440.54-413.1=27.44KJ/Kg
压缩机理论功率:
P0=MR×W0=1.233×27.44=33.83KW
压缩机实际运行功率:
PK=P0/ηV1ηV2=33.83/(0.86×0.88)=44.7KW
(4)制热时的能效比计算:
能效比:
COP=Q0/PK=(193.15+48.83)/48.83=4.95
综上所述,某太阳能热泵冷热水机组在制冷时的能效比等同于同型号的风冷和地温机组,但它解决了高温衰减和长时间使用地下水难以回灌的难题;制热时能效比远远高于同型号的风冷机组,达到了节能的效果。
而且充分利用了可再生能源-太阳能,使机组克服了普通风源、水源热泵机组的缺点,性能稳定性得到了进一步的提高,其试验数据可以参考检验报告。
所以,我们认为研制开发某太阳能热泵机组,利用太阳能等新能源和可再生能源替代常规能源,实现太阳能与建筑一体化并尽可能地以减少建筑能耗对常规能源的依赖,缓解能源危机,定能满足日益增长的国市场的需求,并进行冲击国际市场。
三、技术特点
我公司生产的某太阳能热泵冷热水机组自投放市场以来,受到用户的一致好评,除为公司的发展创造了良好的经济效益外,还创造了可观的社会效益。
基本特点如下:
1、某运行
机组采用独特的某运行模式克服了单一能源利用的弊端。
既解决了水源热泵运行时水量不足和回灌困难的问题,又解决空调机组与太阳能系统偶合时太阳能集热系统不稳定的问题,保证系统稳定的同时大大提高了机组性能系数,降低了设备的运行费用。
2、模块化设计
机组采用模块化设计,每个模块又可分为多个完全独立的制冷系统,这样一方面能使空调系统更紧凑,更节省空间,且易安装、调节和维护,另一方面,可使系统更节能,尤其是在部分负荷运行的工况下,模块设计使机组可单台运转,也可多台组合,阶段式变频功能可根据负荷自动确定压缩机投入台数,有效的减小对电网的冲击,最大限度的节省了电能,延长了机组寿命,同时对机组检修及维护时,并不影响机组总体使用效果。
3、机组设计采用七项专利技术
提高机组性能的重要手段是强化换热器的换热效率,在机组采用什么形式换热器上,我们经过反复比较、试验,决定机组的冷凝器、蒸发器都采用我公司独立研制的具有独立知识产权的高效翅片换热器和大容量环流式套管换热器,特别是环流式套管换热器,这在国、国际都是首创。
机组采用环流式套管换热器与采用板换及壳管换热器相比,具有诸多优点,即克服了板换易堵、易冻的缺点;又解决了壳管式换热器占地空间大、换热效率低的缺点。
环流式套管换热器中的铜管为高效螺纹铜管,盘旋成特殊的螺旋角度强化换热,具有绝对的逆流换热条件、换热系数高、兼有防堵、防冻的特点,换热器还具有自清洗的功能,有效防止结垢。
整机结构紧凑,能效比高,超过国际标准的要求,达到世界先进水平。
本项目还应用多项国家专利,分别为:
(1)翅片换热器,专利号:
ZL02267544.2
该翅片换热器包括若干呈一定夹角固定连接在一起的翅片组件,其特征在于:
有四片翅片组件呈“W”形固定连接在一起,翅片组件下端的翅片护板上带有通风孔,该通风孔改善了锐角夹角处的通风状况,减轻了涡流带来的影响。
位于中间的翅片组件与位于两侧的两片翅片组件之间夹角为68.4°。
位于两侧的两片翅片组件略微向里收缩,呈5°-20°的夹角,有利于改善两侧的通风状况,提高散热效率。
(2)大功率模块化风源热泵机组,专利号:
ZL2.4
一种大功率模块化风源热泵机组,包括底座和安装在底座上的压缩机和冰水器,在压缩机和冰水器的上方安装有表冷器及热力膨胀阀,与表冷器相连接的分液管呈平滑圆弧状,冰水器采用大容量套管换热器,它包括部装有螺旋管的上、下两个螺旋套管。
分液管介质流动时所受阻力平衡,分液效果好,减少了表冷器的换热面积,并且介质所受阻力小,可以有效防止冰堵的产生,提高制冷(热)效果。
大容量套管换热器在保证制冷剂整体阻力一定的情况下,加大了换热面积,从而提高了机组的制冷(热)量。
制冷剂在管壳呈螺旋状流动,具有一定的扰动作用,使层流换热变为湍流换热。
部装有螺旋管的落旋套管提高了抗变型和抗冻裂能力。
(3)风源热泵中央空调机组逆流分液装置,专利号:
ZL1.0
在翅片换热器侧设有进气母管,外侧设有出液母管,出液母管通过出液支管与翅片换热器连接,在进气母管的外侧垂直焊接有异径管,每一异径管分别通过翅片换热器进入管与翅片换热器连接,对应于每一异径管各有一根焊接在进气母管上的分液联接管,分
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