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新闻动态

超低温空气源热泵热水机技术研究及分析

添加日期:2015-1-10 15:44:49 访问次数:497次

    当前煤炭、石油、天然气等“化石类能源”的不可再生性及全球储量的高速减少,带来了世界性的能源短缺,加上地球生态环境的日益恶化,使得保护生态环境、加速开发和利用可再生能源,成为人类紧迫而艰巨的任务。
    蓬勃发展的中国经济、高速增长的热水需求、节能产品的美好市场前景以及商用和工业用及类似用途的热泵热水机对传统制热水设备革命性的替代趋势,使众多敏锐的厂家和商家精英,纷纷投身该领域,目前国内从事热泵热水机生产的厂家已遍布中国大江南北,市场已形成激烈竞争的局面。
    由于我国水资源,特别是地下水资源相对缺乏,这种情况在三北等传统的供热水地区更是严重,所以发展地下水源热泵受到了诸多条件的限制。
    同时因为水源热泵热水机是常年吸收地下的热量,因此地下可提供的热量会越来越少,最终会产生机组不能吸收到足够的热量,从而不能正常制取热水。
    空气源热泵机组除了具有环保、节能的特点外,还有系统简单、初投资低、维护方便、调节灵活等特点,因此已经得到了大面积的推广应用。
    由于市场上大量推广的普通空气源热泵机组不能在低温环境(-7℃以下)中长期可靠地工作,因此,就产生了超低温空气源热泵热水机这个细分市场。超低温空气源热泵可以在环境温度-8℃以下的区域可以长期稳定可靠地工作,同时制热性能、能效比也提高了30%以上。
    由于超低环境温度空气源热泵热水机即使在北方寒冷地区的综合能效比与水源热泵相当,而且外界供热的热源稳定,同时它几乎不占用土地面积,初投资较其他热泵产品低的多,因此,在寸土寸金的形势下,这种初投资低、占地少、调节方便的超低温空气源热泵热水机就成为今后取暖、洗浴最理想的加热设备。
    一、普通空气源热泵热水机在低环境温度运行时存在的问题
    1.吸气比容增大。机组在低温环境下运行,系统蒸发温度降低,压缩机的吸气比容增大,而压缩机的理论输气量却是不变的,这样进入压缩机制冷剂的体积流量减少,相应的单位制冷剂制热量减少,系统制热性能系数下降,经济性降低。
    2.输气系数降低。由于冷凝温度与所要制取的生活热水温度有关,与夏季相比,为了取得同一温度的热水,冷凝温度及冷凝压力几乎不变,而系统蒸发温度降低,此时压缩机压比增大,导致输气系数下降,压缩机制冷剂的循环流量减少,压缩机的耗功增大,制热量降低,性能系数降低。
    3.排气温度过高。当环境温度降至0℃以下甚至更低温度时,蒸发温度过低,为生产较高温度热水,压缩机高低压比差继续增大,这必然引起排气温度过高,甚至超出压缩机本身允许的工作温度范围,导致压缩机频繁起停,系统无法正常工作,严重时会烧毁压缩机。
    4.产热量与用热量的矛盾。由于环境空气温度随地区和季节不同变化较大,而我国幅员辽阔,气候特征多异,空气源热泵热水机的制热量和制热效率,随着环境温度的降低而不断降低,冬季用户仍然需要较高温度的热水,这时候的产热量却远远不及春夏季,造成了产热量与用热量之间的矛盾。这样对于热泵热水器来说,选型过大则造成初投资太大,选型过小则难以满足低温环境下热水供应要求。
    5.回油、回液问题。低温环境下,蒸发温度过低时,压缩机压缩比增大引起排气温度快速升高,使润滑油黏度急剧下降,影响压缩机润滑,系统还会出现回液、回油不正常,严重时会导致压缩机损坏等问题。
   
二、超低环境温度空气源热泵机研究
    1.研究出能适应超低环境温度的热泵热水专用压缩机。压缩机是热泵热水机中的核心部件,因此寻找到能适应超低环境温度下产高温热水的压缩机。随着压缩机制造技术的飞速发展,谷轮、三洋压缩机厂家推出了一种中间补气的涡旋压缩机,因此我公司和谷轮、三洋压缩机厂家建立战略合作关系,通过和两专业压缩机生产厂家的共同技术研究,确定了采用带中间补气口涡旋压缩机,在超低环境温度时做洗浴用水的技术可行性,优化了压缩机的设计,如:尽量大的补气通道,补气口的位置尽量靠近吸气腔;尽量大的中间腔容积;
    2.补气增焓产品中系统、控制、可靠性研究
    a)和西安交通大学进行产学研合作,依托西安交通大学的动力工程多相流国家重点实验室、流体机械及压缩机国家工程研究中心、流体机械国家专业实验室等3个******研究机构和一支强大的硕士、博士组成的制低温工程研究队伍,对超低环境温度空气热泵热水机进行系统和控制技术研究,达到在环境温度-25度时,热泵热水机组能直接产出55度的高水温热水;在环境温度-12度时,性能系数大于2.3;同时在环境温度-25度~45度,水温5度~55度上述条件中的,保证产品内各元器件安全、稳定、高效运行。
    b)针对超低温空气源热泵热水机项目,我公司专业成立了由电气、系统、结构、可靠性等多个专业技术工程师组成研发团队,通过对经济器对流换热技术、冷凝器动态湍流技术、蒸发器强化传热技术等各种专业热交换技术;产品变环境温度补气启停、循环流量控制、动态除霜、各种高低压、排气、水流保护等控制技术;同时针对产品的可靠性,制定各种试验方式、试验内容、目标参数,这样就可以保证产品的可靠性和无故障运行时间。
    c)根据GB/T21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》和GB4706.1-2004《家用和类似用途电器安全第一部分:通用要求》两个国家标准中的各项规定,我公司对超低环境温度空气源热泵热水机进行市场调研,了解客户的各种需求和各运行环境工况,对此系列产品设计开发进行设计输入、输出和验证。
    3.产品设计
    1)产品技术原理图
    超低环境温度空气源热泵机主要由压缩机、四通阀、冷凝器(风换热器)、冷凝风机、膨胀阀、经济器、蒸发器(水侧换热器)、气液分离器等组成。
    2)产品原理介绍和分析
    从冷凝器出来的液体分为2路:主路为制冷回路,辅路为补气回路,主路的制冷剂液体直接进入经济器;辅路的制冷剂液体经膨胀阀1降压后进入经济器。
    这两部分制冷剂在经济器中产生热交换后,辅路的制冷剂变为气体后被压缩机的辅助吸气口吸入,主路的制冷剂变为过冷液体经膨胀阀2降压后进入蒸发器,在蒸发器中汽化后被压缩机吸气口吸入。
    主路和辅路的制冷剂在压缩机工作腔内混合,再进一步压缩后排出压缩机外,进入冷凝器,从而构成封闭的循环系统。
    本系统的主要受益体现在:气态制冷剂的喷射可以降低排气比焓(h4’→h4),从而可以降低涡旋压缩机的排气温度(T4’→T4),同时把单级压缩变为准二级压缩,这样可以避免机组应用于低温工况下由于压缩比增大而使系统不能正常工作的问题;而且通过经济器利用冷凝器辅助之路节流之后的制冷剂将主路中的制冷剂进一步冷却,增大了膨胀阀前制冷剂的过冷度,膨胀阀前制冷剂温度从5点进一步过冷到6点,这样提高了系统中蒸发器的换热量,从而提高热泵系统总的制热量。
    3)产品创新点
    空气源热泵热水机全年不同环境温度下都需要稳定运行,在环境温度比较高时如果补气口还一直处于打开的状态,那么压缩机一定会出现过负荷运行,长期过负荷运行必然会产生压缩机损坏。
    因此我公司利用公司专业热泵焓差试验室,对超低环境温度空气源热泵热水机进行-25度至45度环境温度模拟运行,检测出机组的各种参数,如:吸气温度、排气温度、补气口温度、进出经济器主辅回路温度、翅片温度、高压侧压力、低压侧压力、补气压力、压缩机电流、功率等全面参数进行测量和分析,研究出适应热泵热水机的动态补气参数。
    同时研究创新出能适应-25度至45度环境温度主辅膨胀阀节流深度,保证了产品在变工况时合适的补气量和主辅路的分配流量。创新出扩流量化霜技术,保证了产品在低环境温度时机组能有效的化霜,化霜时间短、化霜彻底。创新出准二级压缩技术,一种基于温度压力信号的****压力和补气量控制方式,确定出准二级压缩中间压力及中间补气量的控制。
    4)已经解决的关键技术
    首先解决了超低环境温度热泵热水机变工况运行状态下系统优化匹配问题,保证了产品能安全、稳定、高效的运行;其次通过不断的试验,确定了补气阀打开的动态点、中间压力、中间补气量、主辅回路的节流深度,保证了热泵热水器在低温环境下的制热能力及排气温度,得到了各种环境温度下的合适补气量;同时通过PID化霜控制技术应用,解决了机组在超低环境时机组能合理的进入和退出化霜。
    三、超低环境温度空气源热泵热水机产品优越性
    1.压缩机的专业设计,如采用喷气增焓、高强度电机;压缩机浮动密封设计,可以适应高压缩比的要求;定涡旋盘及动态排气阀设计可以适应高压差;EVI设计,可以控制排气温度。同时针对热泵热水机的特性进行匹配,通过上述技术改进和优化,在环境温度-12度时,因为压缩机增加了补气接口,机组的吸气量提高,机组的循环流量是增大,机组在冷凝侧热交换的热量大幅增大,机组的制热能力比普通空气源热泵热水机提高30%以上,同时性能系数也大幅提高。
    2.通过补气增焓,提高了压缩机的吸气压力,保证了产品在低环境温度时机组仍然可以产55度的热水,同时不会超过压缩机的压缩比,保证了压缩机的安全使用性能,也延长了压缩机的寿命。
    3.通过补气增焓,增加了产品的吸气量,提高了制冷剂的循环流量,保证了产品回油,防止了产品因回油不好润滑不良而导致压缩机损坏,同时也降低了压缩机的排气温度。
    4.通过优化产品的匹配,降低了产品在低环境温度时制冷剂在蒸发器中的循环量,能有效的避免因为蒸发效果差,制冷剂不能完全蒸发,压缩机回液的故障现象发生。
    5.扩流量PID化霜设计,保证了产品在低环境温度下,机组能合理的进入和退出化霜,化霜时间短,化霜完全、彻底。
    四、结论
    超低温空气源热泵热水机组是在传统空气源热泵热水机组基础上,大大扩展了应用范围,并提高了能效比。它可以满足三北地区的供暖、热水的需求,同时,由于超低温空气源热泵机组环保、高效、节能、节水、节地,不受资源限制(水资源、土壤资源),是实现建筑设备节能的有效产品之一。
    与其他加热热水设备相比,从系统初投资、运行管理费用、资源依赖程度、环境友好程度、四节特性、系统简便性及其投资回报年限上综合考虑,超低温空气源热泵热水系统最优。而且,这种优势随着我国生态环境综合评价体系的完善以及资源紧缺程度的加剧,将日趋明显。
    超低温空气源热泵热水产品无论从技术性能、使用性能到环境效益、社会效益,都将成为变革传统加热水方式的主力军,成为助力建设节约型社会的典型产品。

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