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    新業防爆空調:熱泵式空調的基本工作原理

    發布日期:[2017-04-11 23:00:00]    共閱[]次

    新業防爆空調:在我國,家用空調和中央空調本是兩個獨立的概念。家用空調一般是指窗式機、分體壁掛式和柜機等用于家庭單個空間的空調機組;而中央空調則是指具有集中的冷/熱源和冷/熱媒的空調系統,主要應用于賓館、寫字樓等,能夠為較多的獨立劃分的空間提供冷量和熱量的空調系統。

    隨著經濟的發展,我國的人居面積有較大幅度的增長,人們對于室內空氣品質的要求也越來越高:一個多居室的家庭往往需要安裝多臺家用空調,才能滿足不同空間的溫度要求。據2000年對上海市某一居民區的調查發現,平均每戶擁有家用空調近2臺,有的家庭甚至達到了7臺。
     一個家庭安裝數臺家用空調有許多弊端:1.整機能效比低,一般為2.7—3.1,具體表現為家庭耗電量大,城市電網峰值劇增;2.難以保證室內良好的溫度場和氣流場,影響室內環境的品質和舒適性;3.由于無新風且單機過濾不完全,導致室內空氣質量變差;4.大量安裝的室外機不但破壞大樓的外觀的美感,更成為安全隱患等等。
     中央空調幾乎不存在上述問題:由于冷源集中,中央空調的能效比一般在4~5;多風口的送風和回風可以保證室內有良好的氣流場和溫度場;由于遠離制冷機房,所以噪音污染得到有效的抑止;可以加入新風并通過及時更換過濾器,保證室內空氣質量;一般安裝在專用的機房,不會破壞大樓的美觀,更不會造成安全隱患。鑒于上述原因.家用空調中央化的方案引起了業界的關注,陸續提出了“戶式中央空調”或“小型家用中央空調”等概念。
     按照家用中央空調的輸送介質的不同,常見的有三種型式:風管式系統、冷/熱水機組和vRv(變制冷劑流量)系統。
      VRV家用中央空調是一種冷劑式空調系統,它以制冷劑(比如R22)為傳送介質。vRv系統與普通的家用空調比
    較相近,是對普通家用空調的一種多用戶的擴展,即:一臺室外機通過管路能夠向若干個室內機輸送液態制冷劑,通過控制壓縮機的制冷劑循環量和進入室內各換熱器的制冷劑流量,適時地滿足室內冷、熱負荷要求。
      風管式系統和冷/熱水機組分別是中央空調的全空氣系統和風機盤管系統的小型化,其原理基本相同。本文主要以冷/熱水機組為例闡述家用中央空調的基本原理。 普通家用空調的基本工作原理
      圖1是普通熱泵型家用空調器的原理圖。它主要包含:室內換熱器、室外換熱器、壓縮機、毛細管、氣液分離器和四通閥等部件。

     當熱泵型空調器運行于制冷工況時,四通閥換向使圖中實線接通。這時,室內換熱器成為蒸發器,而室外換熱器成為冷凝器。從室內換熱器來的低溫低壓過熱氣經四通閥和消聲器進入氣液分離器.分離出液體后,干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出,氣體經四通閥進入室外換熱器放熱冷凝,成為過冷液。過冷液經毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體,進入室內換熱器蒸發吸熱(此時室內空氣被降溫),再一次經四通閥和氣液分離器進入下一循環:圖中過濾器主要用于制冷劑與壓縮機油的分離,以保證換熱器的換熱效率。
     當熱泵型空調機運行于制熱工況時,四通閥換向使圖中虛線接通。這時、室內換熱器成為冷凝器,室外換熱器成為蒸發器。從室外換熱器來的低溫低壓過熱氣經四通閥和消聲器進入氣液分離器,分離出液體后,干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出,氣體經四通閥進入室內換熱器放熱冷凝(此時,室內空氣被加熱).成為過冷液,過冷液經毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體.進入室外換熱器蒸發吸熱,隨后過熱氣經四通閥和氣液分離器進入下一循環。
     為防止制熱時因除霜導致室內舒適性下降,采用了熱氣旁通不間斷制熱除霜方式。除霜時,運行原理基本與制熱相同,只是將融霜電磁閥打開。從壓縮機出來的高溫高壓的過熱氣有一部分被分流到室外換熱器的人口,迅速把室外換熱器的溫度提高到O℃以上,融掉室外換熱器上的霜層,使換熱器保持良好的換熱效率。

    冷/熱水機組形式家用中央空調的工作原理
      圖2為冷/熱水機組形式的家用中央空調原理圖。

     冷/熱水機組形式的家用中央空調(以下簡稱:冷/熱水機組)的制冷劑循環與普通家用空調完全相同,即:制冷時機組的風冷換熱器為冷凝器,機組的水冷換熱器為蒸發器;制冷劑經壓縮機壓縮成為高溫高壓過熱氣體,在風冷換熱器中冷凝放熱,成為過冷液,再經節流裝置阻力降壓后成為低壓低溫兩相流體進入水冷換熱器蒸發吸熱(此時載冷劑被冷卻),最后再回到壓縮機進入下一循環。制熱時機組的風冷換熱器為蒸發器,機組的水冷換熱器為冷凝器;制冷劑經壓縮機壓縮成為高溫高壓過熱氣體,在水冷換熱器中冷凝放熱(此時載冷劑被加熱),成為過冷液,再經節流裝置阻力降壓后成為低壓低溫兩相流體進入風冷換熱器蒸發吸熱,最后再回到壓縮機進入下一循環。
     冷/熱水機組的制冷劑循環與普通家用空調和VRV形式的家用中央空調的不同在于:冷/熱水機組并沒有直接將制冷劑作為輸送介質送到用戶的換熱器中,而是通過水冷換熱器將制冷劑的冷/熱量傳給專門的輸送介質——載冷劑送到用戶端。這種載冷劑通常為水。

    冷/熱水機組的載冷劑循環為:從各用戶換熱器返回的高/低溫(供冷時為高溫,供熱時為低溫)回水在集水器中混合,經空調水泵加壓送入水冷換熱器中換熱成為低/高溫(供冷時為低溫,供熱時為高溫)載冷劑進入分水器,再由分水器分流進入各空調空間的供水管路,供水在各房間的換熱設備(譬如:風機盤管)中向空調空間釋放冷/熱量后成為高/低溫回水由回水管路回到集水器中,進入下一循環。

    冷/熱水機組形式家用中央空調的控制原理

      冷/熱水機組形式家用中央空凋的控制原理與風機盤管中央空調系統基本類似。圖3為冷/熱水機組形式家用中央空調控制原理圖,圖中E為執行器、C為控制器、T為溫度測點。
    冷/熱水機組的控制方式如下:
      每個空調房間有自己獨立的溫度控制器,用戶可根據需要設定室溫。安裝在溫度控制器上的溫度傳感器及時感知該房間的溫度,溫度控制器根據該溫度和設定室溫的差別來控制風機盤管中風機的轉速,從而把室內溫度穩定在設定值附近。
     各個溫度控制器通過通訊環路(集中總線)與主控制器取得聯系,不斷把目前的狀態包括用戶的設定等信息及時反饋給主控制器。
     主控制器可單獨接受用戶的設定,也可根據用戶對各房間溫度控器設定的情況決定運行工況。在某一工況下,主控制器檢測空調出水溫度,并將其與設定值比較,根據差別來控制壓縮機運行、從而調節系統整體制冷/熱量。此外,主控制器還要檢驗系統關鍵位置的壓力、溫度、電流等、發現異常立即采取措施并顯示故障信息。準確、迅速的保護功能是系統能夠長期安全穩定運行的保證。

    將低溫熱源的熱量轉移到溫度高于環境溫度的物體﹐從而獲得熱量的機器和設備。在空氣調節設備中熱泵的工作過程與制冷機相仿﹐但它是向高于環境溫度的物體供給熱量﹐例如向建筑物供暖﹑供應生活或某些生產過程用的熱水等。熱泵的低溫熱源最常用的是環境介質(空氣或地面水)的熱量﹐也可用地熱或生產過程中排出的廢汽﹑廢水和廢油等的熱量。



    圖 壓縮式熱泵的工作原理圖 為壓縮式熱泵的工作原理。它的組成和工作過程與壓縮式制冷機相同﹐也是用一般的制冷劑(氨或氟利昂)作為工質。工業廢水在泵的作用下流經蒸發器的傳熱管﹐加熱管外的工質并使之蒸發﹐產生的蒸氣經壓縮機壓縮后進入冷凝器即凝汽器中冷凝成液體﹐液體再經節流閥節流降壓后進入蒸發器中繼續蒸發﹐從而完成熱泵的工作循環。在冷凝器中工質是在較高的溫度下冷凝的﹐將熱量傳給載熱質(冷卻水)﹐載熱質遂將熱量源源不斷地供給需要供熱的用戶。


    衡量熱泵工作有效性的一個重要技術指針是熱量變換系數Φ=Q 1 /N ﹐式中Q1為熱泵向高溫物體供熱的速率(千焦/秒)﹔N為壓縮機消耗的功率(千瓦)。因在數值上Q1總是大于N(因Q1中尚包括從低溫熱源吸收的熱量)﹐Φ的數值也總是大于1。Φ的值是隨熱泵的工作溫度而變的﹐蒸發溫度越低﹑冷凝溫度越高則Φ的值越小。例如﹐當冷凝溫度為50℃﹐蒸發溫度為0~10℃時﹐φ值約為3.5~4.5﹔但當冷凝溫度提高到80℃﹐蒸發溫度降低到-20~0℃時﹐ Φ=1.4~1.9。因此﹐在供熱溫度較高而低溫熱源溫度較低的情況下﹐用熱泵供熱便不很經濟。在電力供應不足和電費價格較高的情況下﹐壓縮式熱泵不宜大量使用。


    仿照吸收式制冷機的工作過程可組成吸收式熱泵﹐它只消耗熱能就可達到熱量轉移的目的。同樣﹐根據半導體制冷器的原理也可制成半導體供熱器。


    應用壓縮式制冷機和壓縮式熱泵的工作原理﹐可以組成熱泵型空調機組(見空氣調節設備)。夏季按制冷循環工作﹐可用來使房間降溫﹔冬季按熱泵循環工作﹐可用來向房間供熱。

    摘要:概述了水環熱泵空調系統在我國的歷史和現狀,簡要介紹了水環熱泵空調系統的工作原理和適用場合,重點分析了水環熱泵空調系統的優點和缺點。


    關鍵詞:水環熱泵 水/空氣熱泵 節能 

    0 前言

    熱泵從本質上來說是一種熱回收裝置,它從低溫熱源處吸取熱量并提高品位后,再在高溫熱源處放熱,起到節省高位能的租用。自1989年以來,熱泵技術在我國的應用與發展進入了興旺期。據統計,1996年我國空調設備(指電動冷熱水機組、吸收式冷熱水機組、房間空調器以及單元空調機組,但不包括進口機組)的總制冷能力約為2000萬kW,其中熱泵型機組的制冷能力約占60%[1]。

    20世紀80年代初,我國在一些外商投資的建筑中采用了水環熱泵空調系統[2]。時至今日,水環熱泵空調系統在我國的應用已經有了不小的普及。90年代水環熱泵空調系統便在我國得到廣泛的應用。據統計,1997年國內采用的工程共52項[2]。不僅在北京、上海、廣州、深圳、天津等大城市中一些工程采用它,而且如佛山、紹興、惠州、泉州等中小城市也開始采用水環熱泵空調系統。此外,有關水環熱泵空調系統的研究也卓有成效。從1993年起,原哈爾濱建筑工程學院就開始了水環熱泵空調系統在我國應用的預測分析與評價。之后,不少相關論文隨之發表,如文獻[3]。2005年,國內水環熱泵空調系統的工程技術專著,即文獻[4]——《水環熱泵空調系統設計》出版。

    1 水環熱泵空調系統的概況

    水環熱泵空調系統是指小型的水/空氣熱泵機組的一種應用方式,即用水環路將小型的水/熱泵機組并聯在一起,形成一個封閉環路,構成一套回收建筑物內部余熱作為其低位熱源的熱泵供暖、供冷的空調系統。典型的水環熱泵空調系統由三部分組成:(1)室內的小型水/空氣熱泵機組;(2)水循環環路;(3)輔助設備(如冷卻塔、加熱設備、蓄熱裝置等)。

    水環熱泵空調系統的基本工作原理是:在水/空氣熱泵機組制熱時,以水循環環路中的水為加熱源;機組制冷時,則以水為排熱源。當水環熱泵空調系統制熱運行的吸熱量小于制熱運行的放熱量時,循環環路中的水溫度升高,到一定程度時利用冷卻塔放出熱量;反之循環環路中的水溫度降低,到一定程度時通過輔助加熱設備吸收熱量。只有當水/空氣熱泵機組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時,循環環路中的水才能維持在一定溫度范圍內,此時系統高效運行。

    2 水環熱泵空調系統的優點

    上世紀80年代初期在我國應用的一些水環熱泵空調系統顯示出了許多的優點:如回收建筑物余熱的特有功能;不像傳統鍋爐那樣會對環境產生污染;省掉或減少常規空調系統的冷熱源設備和機房;便于分戶計量與記費;便于安裝、管理等。據有關文獻的預測分析,水環熱泵空調系統上一種很有前途的節能型空調系統[2]。下面,本文從組成系統的三個方面逐一分析水環熱泵空調系統的優點。

    2.1 水循環環路方面

    首先,按水環熱泵空調系統在建筑物中的用途,它屬于熱回收式熱泵系統。在室外空氣溫度較低的情況下,建筑物的周邊區需要額外的熱量來維持室內溫度的穩定舒適;與此同時,建筑物的內區則因為存在室內熱源(如照明、設備、人體等散熱),而需要降低室內的溫度。水環熱泵空調系統通過同時連通建筑物周邊區和內區的水循環環路,可以將內區產生的余熱轉移到周邊區,在對內區供冷的同時對周邊區供熱,而不存在或者少量存在常規空調系統在同種情況下的冷熱量抵消所造成的能量浪費。因此,該系統的建筑物熱回收效果好,在充分利用余熱的同時節約了能源。當建筑物內部同時由供熱工況機組和供冷工況機組模式同時運行時,采用水環熱泵空調系統的運行費用最多可降低至50%左右。

    其次,與上類似,為了達到同時供冷供暖的效果,相對于常規空調系統必須采用造價昂貴的四管制風機盤管系統而言,水環熱泵空調系統的水循環環路仍然采用兩管制。如此,就不會存在或者減少常規的四管制的風機盤管系統對各個條件要求不同的房間空調時所出現的冷熱量抵消,避免了由此造成的能量的無謂消耗,更節省了管道系統的初投資費用。

    再次,由于水循環環路中的水溫在常溫范圍內、與其環境溫度的溫差不大,所以常溫水所消耗的能量比常規空調系統小得多。同時,因為減少了輸配過程中的冷熱耗散等損失,環路的熱損失也比常規空調系統要小得多。總的來說,水環熱泵空調系統與常規空調系統相比,僅管道熱損失減少這一項,節能效率約為8%~15%[5]。而且,由于水循環環路管道可不設保溫和防潮隔濕,還能減少保溫層及其它的一些材料費用。

    2.2 小型水/空氣熱泵機組方面

    一般,水環熱泵空調系統采用的都是室內的,根據室內負荷的大小分別安裝在各個房間內。各房間內的用戶就可以根據室外溫度的變化和各自不同的要求,在一年內的任何時間隨意進行房間里的供暖或供冷的調節,而不會影響到其它房間的溫度。由于便于調節也不會出現房間過冷、過熱等情況,既避免了常規空調系統的能源浪費,又營造了良好的室內環境。同時,室內的小型水/空氣熱泵機組也便于分戶計量和分戶收費。

    對于業主來說,如果采用常規空調系統,就必須一次購齊冷水機組及其它設備,往往會造成很大的資金壓力,而且冷水機組一般要在安裝一兩年后才能發揮效益;而水環熱泵空調系統中的小型水/空氣熱泵機組可以分期投資、分批建設,甚至可以在用戶入住前逐層安裝,其投資回報效益高、見效快。這一特點也使水環熱泵空調系統在舊樓翻新或系統改造中頗有市場,因為常規空調系統無法避免損壞原有的結構,且不易找到適合的冷凍機房,一般還需要全樓停業來進行改造工程,造成的經濟損失較大。

    對于設計方來說,由于采用了室內的小型水/空氣熱泵機組,也就沒有了體積龐大的風管、冷水機組等,所以系統布置更加緊湊、簡潔和靈活,也不用再設置空調機房(或減少機房面積),也為業主增大了使用面積及有效空間。水環熱泵空調。對于施工方來說,由于小型水/空氣熱泵機組可以在工程里進行組裝,所以減少了工地的安裝工作量。

    2.3 輔助設備方面

    如果再在水環熱泵空調系統中加入蓄熱裝置等輔助設備,則更能提高系統的經濟性。因為蓄熱裝置可以實現內區制冷機組向水循環環路中釋放的冷凝熱與周邊區制熱機組從水循環環路中吸取的熱量在一天或者更長的時間周期內達到平衡,從而降低了冷卻塔和水加熱器的年耗能量。

    3 水環熱泵空調系統的缺點

    水環熱泵空調系統的發展主要面臨來自兩個方面的問題:其一是從系統這個方面來看,國內的一些建筑物內余熱小或無預熱,尚需補充加熱設備,致使其不能充分發揮原有的一些優點;其二是從設備這個方面來看,水環熱泵空調系統中采用的小型水/空氣熱泵機組所存在的一些固有問題也限制了其更廣泛的應用。目前,針對上述的兩個缺點,也出現了許多的解決辦法,以期推廣水環熱泵空調系統的應用。

    3.1 建筑物內余熱不足

    通過分析水環熱泵空調系統的運行特性我們可知,只有當建筑物內區有大量余熱且周邊區需要供熱,才能通過水環熱泵空調系統將建筑物內區的余熱轉移到需要熱量的周邊區,從而達到回收建筑物余熱、節約能源的目的。但是,我國的各類建筑物內部負荷不大,建筑物的內區面積又小,因而建筑物的余熱量也較小。在這種情況下,如果要采用水環熱泵空調系統,則勢必要增設鍋爐。然而,將鍋爐的高位熱能加熱水循環環路中的循環水使之成為與室溫相差無幾的低溫熱源,再由水/空氣熱泵機組消耗電能將其提升到高位熱量向室內供暖,這本身就是不經濟、不合理的。此外,如果采用的是燃煤鍋爐,還存在一個環境污染的問題。

    解決建筑物內余熱不足這個問題的途徑,就是由建筑物的外部引進低溫熱源,以替代建筑物內的余熱量。太陽能、水(地表水、井水、河水等)、土壤、空氣均可作為水環熱泵空調系統的外部能源[6]。例如大連電力大廈(高層單元式建筑)利用熱電廠冷卻水作為水環熱泵空調系統的外部熱源,收到良好的節能效果[2]。此外,哈爾濱工業大學提出一種空氣/水熱泵與水/空氣熱泵耦合雙級熱泵供暖系統。該系統在寒冷地區,用空氣源熱泵冷熱水機組制備10℃~20℃低溫水,通過水環路送至室內各個水/空氣熱泵機組中,水/空氣熱泵再從水中汲取熱量,直接加熱室內空氣,達到供暖目的[7]。總而言之,可以通過廉價的輔助熱源來解決建筑物內余熱不足的問題,拓寬水環熱泵空調系統的應用范圍。

    3.2 小型水/空氣熱泵機組

    首當其沖的是小型水/空氣熱泵機組的的制冷性能系數COP遠小于大型冷水機組,而且在相同制冷量條件下價格就其它型式的主機來講也偏高。另外一個重要的問題,就是小型水/空氣熱泵機組安裝在室內,熱泵機組內部的壓縮機和風機將會成為一個很大的噪聲源,無法滿足室內環境的噪聲標準要求。

    針對如何提高水環熱泵空調系統在供冷中的經濟性這個問題,我們可以通過在空調系統設計中采用混合系統的形式加以解決。混合系統是指水/空氣熱泵機組同其它空調設備(如冷水機組、單元柜式空調機等)共同組合而成為全新的空調系統。同樣,為了提高系統運行的經濟性,在建筑物內區設置單元式空調機組(水冷),向內區供冷,而周邊區設置水/空氣熱泵機組,向周邊區供冷或供熱,也是一種值得注意的混合系統形式[7]。

    而在控制房間內的小型水/空氣熱泵機組噪聲問題方面,文獻[8]給出了詳盡的闡述。其控制噪聲的措施包括控制噪聲源、合理設計、正確安裝、認真調試和維護等四個方面,每個方面又各有許多具體的實施措施。實踐表明,如果在工程建設中能夠正確對待噪聲問題,采取合理措施,完全可以滿足室內環境噪聲標準要求。

    4 結束語

    由以上分析可以可以看出,只要我們合理設計、規范安裝、靈活管理,水環熱泵空調系統就一定能發揮出它既有的經濟、節能、環保等優點。當然,我們也應當根據各個地區、各個建筑物的特點,確定是否采用水環熱泵空調系統。尤其是北方地區的、內區面積大、內區的余熱量也大的建筑物,最適于采用水環熱泵空調系統。相反,南方一些地區的、全年絕大部分時間需要供冷的建筑物,則不宜采用水環熱泵空調系統,因為它并不比風機盤管或其它常規空調系統節能。

    在能源每年增長率約為3%~5%的條件下,要滿足國民經濟持續每年增長8%~9%,即在能源短缺的條件下,必須重視節能技術和節能產品的開發[1]。水環熱泵空調系統本身回收建筑物余熱、節約能源,若與太陽能、地下水、工業廢水等低位熱源相結合,更能拓寬其應用范圍。在國家日益重視建筑節能的今天,水環熱泵空調系統有著巨大的節能潛力和廣闊的應用前景。

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