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      空氣源相變儲能復合熱泵系統(tǒng)的運行分析

      2022-05-27 21:12:58梁琦王卓
      科海故事博覽·中旬刊 2022年5期
      關鍵詞:空氣源熱泵經(jīng)濟性

      梁琦 王卓

      ?摘 要 空氣能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源,已廣泛應用于供熱裝置中??諝庠礋岜米鳛橐环N將低能轉(zhuǎn)化為高能,即將空氣能轉(zhuǎn)化為熱能的節(jié)能裝置,受到國內(nèi)外學者的高度關注。負荷頻率法通常用于比較托盤式空氣熱泵供暖系統(tǒng)與由不同輔助熱源加熱的復合系統(tǒng)的能耗和熱源利用效率。人們發(fā)現(xiàn),當溫度非常低時,空氣熱泵很容易受到環(huán)境的影響。

      關鍵詞 空氣源熱泵 相變儲能 儲能除霜 經(jīng)濟性 環(huán)保性

      中圖分類號:TK02 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0745(2022)05-0007-03

      空氣源熱泵是使用環(huán)境空氣制冷和取暖等外部熱源的供熱和制冷及低溫熱能轉(zhuǎn)換中的熱能高的電能來控制工作材料的熱循環(huán)制冷的空氣調(diào)節(jié)??諝庠礋岜脧V泛應用于辦公樓、賓館、工廠及各類住宅建筑??諝庠礋岜脵C組占建筑空調(diào)的45%以上。空氣源熱泵機組部分負荷為45%~70%,機組性能系數(shù)高;當部分負載小于45%或大于70%時,機組性能系數(shù)顯著降低。因此必須對其進行調(diào)整,以致熱泵裝置滿負荷或部分負荷與性能系數(shù)高,這有利于發(fā)揮績效目標股的工作量熱泵性能系數(shù),實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的改進。

      1 空氣源相變儲能復合熱泵系統(tǒng)的原理及其組成

      空氣源相變儲能復合熱泵系統(tǒng)的工作原理:系統(tǒng)運行時,通過一級熱泵(空氣源熱泵)將低溫循環(huán)工質(zhì)溫度提升至23℃左右;升溫后的循環(huán)工質(zhì)通過相變儲能箱進行恒溫調(diào)節(jié),在此過程中將循環(huán)工質(zhì)中多余的熱量儲存在相變儲能箱中,為二級熱泵提供20℃左右的熱源;然后,二級熱泵將循環(huán)工質(zhì)溫度提升至60℃以上,升溫后的循環(huán)工質(zhì)將熱量傳遞給末端循環(huán)水,使循環(huán)水溫度升高至60℃左右;最后,系統(tǒng)將60℃的高溫循環(huán)水傳遞給用戶末端供用戶使用。

      1.一級熱泵工作原理為制冷劑通過蒸發(fā)器從空氣中吸收熱量,形成低溫低壓的氣體,低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機壓縮,形成高溫高壓氣體,高溫高壓的氣態(tài)制冷劑在冷凝器中放熱,將熱量傳遞給低溫循環(huán)工質(zhì),冷凝后的高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流,形成低溫低壓的氣液混合體,氣液混合體再次進入蒸發(fā)器吸熱,如此往復循環(huán)。

      2.相變儲能箱的工作原理為從一級熱泵冷凝器中吸熱升溫的低溫循環(huán)工質(zhì),經(jīng)過閥門進入相變儲能箱中進行恒溫調(diào)節(jié)。當進入相變儲能箱的低溫循環(huán)工質(zhì)的溫度低于23℃時,相變儲能箱中的無機相變材料放熱,低溫循環(huán)工質(zhì)吸熱;當進入相變儲能箱的低溫循環(huán)工質(zhì)的溫度高于23℃時,低溫循環(huán)工質(zhì)放熱,將多余的熱量儲存在相變儲能箱中,為二級熱泵提供恒定的熱源。此外,在一級熱泵除霜期間,相變儲能箱為一級熱泵提供低溫熱源,使系統(tǒng)實現(xiàn)高效除霜,保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

      3.二級熱泵的工作原理為蒸發(fā)器中的制冷劑吸收低溫循環(huán)工質(zhì)的熱量,形成低溫低壓的氣體;低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機壓縮,形成高溫高壓氣體,高溫高壓的氣態(tài)制冷劑通過冷凝器放熱,將熱量傳遞給用戶末端的循環(huán)水,使循環(huán)水溫度升高至60℃左右,冷凝后的高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流,形成低溫低壓的氣液混合體,氣液混合體再次回到蒸發(fā)器中吸熱,如此往復循環(huán)。

      2 空氣熱泵的分類

      2.1 雙蒸發(fā)器型

      雙蒸發(fā)器型是目前最常見的雙源熱泵系統(tǒng),蒸發(fā)器由兩個介質(zhì)換熱器組合而成,復合熱源分別為空氣和淺層地能,工質(zhì)可以通過兩種不同形式的蒸發(fā)器,分別與兩種熱源的熱媒進行獨立的熱交換。其工作原理為:將空氣源熱泵系統(tǒng)和水地源熱泵系統(tǒng)進行結合,并共用系統(tǒng)的冷凝器、壓縮機和蒸發(fā)器,將空氣源與地源結合在一起,根據(jù)冬夏季不同工況切換兩種熱泵的使用模式。

      雙蒸發(fā)器型雙源熱泵的實際應用性需要進行測試分析,進一步分析其在各個地區(qū)的推廣適用性。某學者測試了空氣源輔熱的雙源熱泵對土壤熱不平衡率的影響,得出當空氣源輔熱采用“過渡季節(jié)補熱、供暖季優(yōu)先”運行策略時,可有效降低地源熱泵取熱量。某學者基于某綠色辦公建筑,對比分析了土壤源熱泵單獨運行和雙源熱泵運行時供回水溫度、換熱量和性能系數(shù)以及能耗的差異。某學者測算出雙源熱泵全年EER(系統(tǒng)能效系數(shù))為傳統(tǒng)空氣源熱泵+燃氣鍋爐方案的兩倍之多。以上案例均顯現(xiàn)出通過不同的運行策略,雙源熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的應用前景。

      2.2 復合蒸發(fā)器型

      復合蒸發(fā)器熱泵系統(tǒng)用一個三介質(zhì)換熱器替代兩個單獨的換熱器,既能實現(xiàn)單一熱源換熱,也可以實現(xiàn)空氣和水兩種非同態(tài)熱源與制冷劑同步換熱。復合熱源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的核心設備是三介質(zhì)復合式換熱器,復合熱源大多為太陽能、淺層地能、廢熱和空氣,其中制冷劑可以通過三介質(zhì)復合式蒸發(fā)器,同步或交替與兩種熱源進行熱交換。工作時,將地下埋管換熱器中的熱媒水送至空氣-地源雙熱源復合換熱器,同時開啟復合換熱器水側的閥門和空氣側風機的開關,形成空氣-地源雙熱源復合供熱,通過進入的水提高熱泵系統(tǒng)的制熱量。

      復合換熱器型雙源熱泵系統(tǒng)的性能分析,可以從土壤熱平衡性、系統(tǒng)COP、經(jīng)濟性等方面研究。某學者提出以土壤熱平衡為基準,綜合考慮土壤熱不平衡和空氣源熱泵的運行特性,確定了復合換熱器中兩種熱源最佳復合溫度的方法,證明了空氣-土壤源雙熱源熱泵比單一的土壤源熱泵系統(tǒng)運行更穩(wěn)定且COP更高,能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的長期高效運行。某學者從系統(tǒng)COP的角度,得到該系統(tǒng)可解決低溫環(huán)境下單一空氣源熱泵制熱量不足、能效比顯著下降的結論。但是,該測試僅從提升空氣源熱泵性能的角度分析,沒有針對單一(水)源模式進行數(shù)據(jù)采集,無法綜合得出系統(tǒng)優(yōu)越性的結論。某學者的實驗顯示,蒸發(fā)器進風溫度和進水溫度的有效溫差是空氣-水雙熱源模式中制熱的關鍵因素,但是并沒有給出最佳有效溫差控制范圍。對此,某學者通過結合室外空氣溫度、室外空氣流量、水側溫度和水側流量,提供了不同條件下,計算復合供熱模式有效溫差的方法,確定了熱源工作模式合理的工作溫度范圍。455B36CD-4520-458B-A52A-A8DF97DC5278

      對復合換熱器型的雙源熱泵而言,仍存在需要解決和討論的問題,如溫差較大的兩種熱源混合引起的熵產(chǎn)、結構復雜造價偏高、維護管理成本偏大等問題。復合式換熱器的兩種介質(zhì)處于同一蒸發(fā)溫度,在低溫環(huán)境下,空氣介質(zhì)通道蒸發(fā)能力減弱,不僅無法吸收空氣中的熱量,甚至會惡化水介質(zhì)通道的蒸發(fā)吸熱,所以復合式換熱器形式的雙源熱泵不適合嚴寒地區(qū)[2]。

      3 生物質(zhì)耦合發(fā)電技術

      3.1 熱泵系統(tǒng)熱風風量的影響

      熱泵系統(tǒng)參數(shù)隨熱風風量的變化,在熱風風量逐漸增加時,系統(tǒng)的制熱量先增加后趨于穩(wěn)定,壓縮機的功耗在增加,這是因為風速較小時,在過熱區(qū)還來不及蒸發(fā)的液態(tài)制冷劑進入兩相區(qū),由于兩相區(qū)所占比例更大,在風速增大的過程中液態(tài)制冷劑在兩相區(qū)域內(nèi)得到完全蒸發(fā)換熱,因此在風量剛開始增大時蒸發(fā)器側的換熱良好。在風速持續(xù)變大的過程中,過熱區(qū)長度增大,同時兩相區(qū)長度減小,這促使在過熱區(qū)中大部分液態(tài)制冷劑被蒸發(fā),雖然蒸發(fā)器側的傳熱系數(shù)增大,但是換熱量卻基本維持不變。因此,系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)COP呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,存在一個最大值。增大熱風風量時壓縮機的功耗增大,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,但系統(tǒng)的制熱量先增加較快,后基本保持不變,綜合考慮系統(tǒng)的制熱量和壓縮機功耗以及COP,得出熱風風量控制在5000m3/h以內(nèi)時系統(tǒng)的各項參數(shù)較佳,而不是越大越好,較大的風速也會使風機發(fā)出的噪聲更大。系統(tǒng)的排氣溫度和熱風風量呈正相關,偏差基本保持在 10%以內(nèi)。

      3.2 多源耦合熱泵循環(huán)

      空氣源熱泵空調(diào)在嚴寒地區(qū)的應用受到限制,存在低溫適應性差和負荷匹配性問題,而與其他可再生能源熱泵相結合,采用多源耦合的熱泵可彌補單一空氣源熱泵空調(diào)的不足,獲得高效復合熱泵系統(tǒng)。太陽能熱泵系統(tǒng)利用太陽能為蒸發(fā)器提供熱源,只能在白天間歇性工作,空氣源-太陽能復合熱泵可持續(xù)供熱,實現(xiàn)高效運行。采用雙套管蒸發(fā)器,太陽能熱水流經(jīng)內(nèi)管,制冷劑在內(nèi)外管之間的環(huán)形通道流動,外管則從空氣中吸收熱量,實現(xiàn)太陽能、空氣熱能與制冷劑同時換熱,該系統(tǒng)的熱效率高于傳統(tǒng)太陽能熱泵系統(tǒng)。新型的太陽能輔助空氣源復合熱泵,在室外溫度為-7℃時,復合熱泵較單一空氣源熱泵空調(diào)制熱量提高約24%,能效提高25%以上。地源熱泵將地下淺層土壤的熱能作為熱源,是一種高效、節(jié)能的熱泵系統(tǒng),但長期不間斷運行會導致土壤出現(xiàn)取排熱失衡等問題,空氣源-地源復合熱泵可減小埋管面積,降低成本。將傳統(tǒng)的翅片管式換熱器與套管式換熱器相結合,作為空氣-地源雙熱源熱泵系統(tǒng)的復合換熱器,實現(xiàn)了不同熱源在同一換熱器中與制冷劑同時進行換熱。

      3.3 生物質(zhì)鍋爐與空氣源熱泵聯(lián)合供暖

      我國的資源儲備十分豐富,尤其生物質(zhì)能源數(shù)量很大,有很高的利用潛能。我國目前生物質(zhì)資源可轉(zhuǎn)換為能源的潛力約5億t標準煤[3],今后隨著造林面積的擴大和經(jīng)濟社會的發(fā)展,生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)換為能源的潛力可達10億t標準煤。目前,使用生物質(zhì)能源的方法有以下幾點:(1)通過生物質(zhì)進行發(fā)電。2020年通過生物質(zhì)的發(fā)電量為510億kW時,利用生物質(zhì)發(fā)電已經(jīng)很普遍了。(2)生物質(zhì)成型燃料。我國2020年使用生物質(zhì)成型燃料的總量約為5000萬t,這些燃料大多使用在城鎮(zhèn)采暖或者工業(yè)上的供熱等方面。(3)生物質(zhì)氣體。2020 年,我國的沼氣年產(chǎn)量約為190億m3,大部分都用于各個家庭,約4000萬戶。美國、丹麥、挪威的生物質(zhì)能源的利用情況都非常好,在這三個國家,將生物質(zhì)作為能源占總能源的比例分別是5%、17%、15%。在美國市場上,有一些使用生物質(zhì)顆粒作為燃料的取暖爐,已經(jīng)在很多家庭使用起來了。與其他國家相比,歐盟在生物質(zhì)能源方面的科技水平非常高,發(fā)展得也很快,現(xiàn)在已經(jīng)十分完善了。歐洲在采暖方面,利用生物質(zhì)能源的采暖量大概為總采暖量的 12% 。鍋爐熱損失最大的是排煙熱損失,所以如果可以盡可能地回收煙氣的熱量,便可以很大程度上提高鍋爐的制熱效率。而空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的制熱效率不高,且容易結霜,使設備壽命縮短,兩種供暖方式都有缺點,可以將鍋爐的排煙熱量利用起來給空氣源熱泵進行預熱,不僅回收了鍋爐的排煙熱損失,又能防止蒸發(fā)器結霜,還可以提高整體系統(tǒng)的供暖效率,從而使兩種供暖方式的缺點互補。

      4 蓄熱運行策略優(yōu)化

      4.1 相變蓄能模塊性能分析

      選取晴天工況下進行整機模擬運行,在15:00-18:00共3h系統(tǒng)不間斷運行向相變蓄能換熱器提供熱量,通過實驗數(shù)據(jù)得出,從15:00開始相變材料內(nèi)部溫度呈逐步上升趨勢,直至15:45接近相變溫度點23℃,這一階段是相變材料的蓄熱過程,且蓄熱速度大于取熱速度,內(nèi)部相變材料進行顯熱蓄能;15:45-17:10之間相變材料內(nèi)部溫度一直維持在約23℃,此時相變材料溫度已達到其相變點,熱量開始轉(zhuǎn)化為潛熱存儲在相變蓄能換熱器中;17:10后相變材料的溫度又開始呈上升趨勢,這一階段表示相變潛熱蓄能已接近飽和狀態(tài),且蓄熱速度仍然大于取熱速度,又開始顯熱蓄能,直到18:00相變蓄能換熱器容量儲存結束。此后相變蓄能換熱器主要起到調(diào)節(jié)中間溫度的作用,使二級熱泵始終在高效區(qū)穩(wěn)定工作,并在極端工況下釋放熱量,能滿足用戶至少2h需熱量。

      4.2 系統(tǒng)在陰雨雪工況下制熱量與耗熱量

      選取陰雨雪天氣工況進行測試,平均溫度僅為-7℃,最低溫度達到-10℃,最高溫度僅為-3℃,且溫度波動較大,最大溫差達到10℃。同時室外的相對濕度也相對較高,全天中約有20h的空氣相對濕度超過65%,空氣源熱泵室外機易結霜,對于空氣源熱泵的運行會產(chǎn)生較大影響。

      5 結語

      本系統(tǒng)主要針對空氣源復疊式相變蓄能熱泵供暖系統(tǒng)進行試驗測試,試驗表明:

      1.系統(tǒng)在晴天工況下運行時,在滿足室內(nèi)20℃供暖要求時,能在供暖負荷較低的情況下將空氣能進行相變蓄能儲存;系統(tǒng)的瞬時COP值始終處于較高的

      水平。

      2.系統(tǒng)在陰雨雪天氣工況運行時,相較于晴天時COP值有大幅下降,但相對于傳統(tǒng)的供暖方式,此系統(tǒng)具有波動幅度小、供暖舒適性優(yōu)越且經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

      3.綜合在兩個典型工況下系統(tǒng)的運行狀況可知,系統(tǒng)運行制熱量大于耗熱量,且在更低的蒸發(fā)溫度情況下具有良好的除霜性能,有效解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵頻繁除霜的低效性。

      參考文獻:

      [1] 曹穎.信息化背景下談低溫空氣源熱泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].科學與信息化,2017(14):71-72.

      [2] 金磊,何永寧,楊東方,等.CO2熱泵在低溫寒冷地區(qū)供暖應用的研究分析[J].流體機械,2015,43(09):67-72.

      [3] 楊永安,李瑞申,李坤,等.采用R410A單一工質(zhì)的復疊式空氣源熱泵[J].化工學報,2020,71(04):1812-1821.455B36CD-4520-458B-A52A-A8DF97DC5278

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