0 引言

 

  由于空氣源熱泵冷熱水機(jī)組具有諸多優(yōu)點(diǎn), 作為中央空調(diào)的冷熱源, 近年來在我國發(fā)展很快。生產(chǎn)廠家已由1995 年的十幾家發(fā)展到現(xiàn)在的40 多家。產(chǎn)品品牌繁多, 機(jī)組的冷熱量規(guī)格齊全。目前, 在我國的長(zhǎng)江流域、黃河流域等地區(qū)的應(yīng)用十分廣泛。甚至天津、西安等地也有應(yīng)用實(shí)例[ 4] 。這表明其應(yīng)用范圍有北擴(kuò)的趨勢(shì)。而我國東北、華北、西北、內(nèi)蒙古等地區(qū)冬季室外空氣中含水量很少, 其結(jié)霜問題并不像長(zhǎng)沙等地區(qū)那么嚴(yán)重。這是否意味著, 在這些寒冷地區(qū)也可以采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組, 在冬季為中央空調(diào)提供50℃的熱水? 為尋找答案, 筆者對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了初步的分析, 以期為寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)創(chuàng)一條新路。

 

  1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)運(yùn)行中存在的問題以某臺(tái)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組(R22)為例。假設(shè)其在北方寒冷地區(qū)的主要城市中運(yùn)行, 在室外供暖計(jì)算溫度條件下為中央空調(diào)系統(tǒng)提供50 ℃熱水,計(jì)算出的機(jī)組的壓縮比值列入表1 中。由表1 明確看出:機(jī)組在絕大部分的城市(除西安、濟(jì)南、石家莊外)運(yùn)行時(shí)的壓縮比大于10 , 哈爾濱甚至已超過20 。

 

  機(jī)組運(yùn)行的壓縮比過大, 會(huì)出現(xiàn)下列問題:

 

  ① 壓縮機(jī)的容積效率降低, 同時(shí), 由于蒸發(fā)壓力過低, 使吸氣比體積變大, 制冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量變小。這樣, 機(jī)組的供熱量會(huì)急劇減少。

 

  ② 活塞式壓縮機(jī)單級(jí)系統(tǒng)的壓縮比一般不超過8 。

 

  鑒于此, 可以說空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在北方最寒冷的時(shí)候是無法正常運(yùn)行的。

 

  2 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)應(yīng)用的技術(shù)措施及應(yīng)用方案降低機(jī)組的壓縮比是空氣源熱泵冷熱水機(jī)組

 

  在寒冷地區(qū)正常運(yùn)行的惟一途徑, 因此, 應(yīng)采用技術(shù)措施降低該值。利用機(jī)組向用戶提供10 ～ 20 ℃的水, 而不提供50 ℃水, 可以降低機(jī)組運(yùn)行的壓縮比;這低溫水再作為水源熱泵的低位熱源, 由水源熱泵向室內(nèi)供暖。按此思想, 筆者提出3 種工程上可行的方案。

 

  方案1  利用空氣源冷熱水機(jī)組提供的10 ～20 ℃水作為水環(huán)熱泵的輔助熱源, 與水—空氣熱泵組成雙級(jí)熱泵系統(tǒng), 如圖1 所示。冬季, 機(jī)組從室外空氣中吸取熱量, 再通過水—空氣熱泵加熱室內(nèi)空氣,以達(dá)供暖目的;夏季, 室內(nèi)的余熱通過空氣源熱泵冷熱水機(jī)組或冷卻塔向室外釋放。該方案可解決由于目前我國各類建筑物內(nèi)的余熱量小(內(nèi)部負(fù)荷不大, 建筑物的內(nèi)區(qū)面積又小)無法使用傳統(tǒng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的問題。

 

  方案2  利用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供的10～ 20 ℃水, 作為戶式水—水熱泵的低位熱源。與方案1 不同的地方是, 室內(nèi)使用的小型熱泵機(jī)組不是水—空氣熱泵,而是水—水熱泵, 冬季向室內(nèi)提供40～ 50 ℃ 熱水, 再通過風(fēng)機(jī)盤管加熱室內(nèi)空氣, 此方案可以解決目前常用井水作為戶式水—水熱泵的低位熱源時(shí), 出現(xiàn)的水井老化、井水回灌困難、寒冷地區(qū)地下水水溫低等問題, 同時(shí)也不受地下水資源的限制。

 

  方案3  類似于方案2 , 只是將分散的戶式水—水熱泵改為集中式的水—水熱泵, 集中制備50 ℃熱水, 再通過水系統(tǒng)將熱水送至各室內(nèi)的末端裝置(如風(fēng)機(jī)盤管、輻射供暖系統(tǒng)等), 通過末端裝置加熱室內(nèi)空氣, 以達(dá)供暖目的。

 

  3 應(yīng)用方案的可行性

 

  為了初步評(píng)價(jià)應(yīng)用方案的可行性, 對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組作一些簡(jiǎn)單的計(jì)算, 計(jì)算結(jié)果列入表2, 表3中。表2給出供20 ℃或13 ℃水時(shí)機(jī)組的壓縮比和容積效率ηv 值, 表3 給出機(jī)組由室外空氣溫度-5 ℃, 提供50 ℃熱水的工況變化到室外供暖計(jì)算溫度, 提供20 ℃水或13 ℃水工況時(shí)供熱量的變化率。

 

  當(dāng)室外氣溫為-5 ℃時(shí), 向用戶提供50 ℃熱水時(shí), 機(jī)組的壓縮比為8 .6 , 容積效率為0 .499 。與表2 相比較, 可以明顯看出:機(jī)組在室外供暖計(jì)算溫度下, 提供20 ℃水時(shí), 除哈爾濱、長(zhǎng)春外, 其余的城市中空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的壓縮比均小于8 .6 , 而容積效率均大于0 .499 ;若提供13 ℃的水時(shí), 表中所有城市選用的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的壓縮比均小于8 .6 , 而容積效率均大于0 .499 。從機(jī)組的壓縮比和容積效率看, 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在室外供暖設(shè)計(jì)溫度下, 提供13 ～ 20 ℃水的工況是可以正常運(yùn)行的。

 

  當(dāng)機(jī)組在室外空氣溫度為-5 ℃, 供50 ℃熱水工況下運(yùn)行時(shí), 其供熱量作為100 %, 則機(jī)組在室外供暖計(jì)算溫度下, 提供20 ℃水工況時(shí), 北京、天津、石家莊、太原、濟(jì)南、蘭州等城市中, 機(jī)組供熱量均大于100 %, 西安超過65 .37 %, 濟(jì)南超過50 .75 %, 最小的西寧亦達(dá)11 .04 %。在哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽、呼和浩特、銀川、烏魯木齊等城市中, 機(jī)組供熱量小于100 %。這是因?yàn)槭彝夤┡?jì)算溫度太低, 蒸發(fā)溫度亦低, 使吸氣比體積太大, 制冷循環(huán)的質(zhì)量流量變小之故。在這些城市中, 若提供13℃水時(shí), 除銀川外, 其它城市中, 機(jī)組供熱量仍小于100 %, 不過, 其減少量有所變小。例如, 哈爾濱地區(qū)機(jī)組的供熱量的減少值由55 .21 %減少到45 .23 %, 沈陽由22 .66 %減少到11 .8 %。這充分表明:除哈爾濱、長(zhǎng)春外, 其它地區(qū)機(jī)組在供暖室外計(jì)算溫度下供13 ～ 20 ℃水時(shí), 其供熱量降低不多,而西北地區(qū)供熱量反而增加。

 

  綜上所述, 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供13 ～20 ℃水是可行的, 機(jī)組可以正常運(yùn)行。10 ～ 20 ℃的水是水源熱泵的優(yōu)良的低溫熱源。另外, 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組供熱性能系數(shù)(COP)平均為3 , 水—空氣源熱泵供熱性能系數(shù)平均為4 。若不考慮其他損失時(shí), 方案1 的能流圖見圖4 。由圖4 可見, 方案1 的總供熱性能系數(shù)可達(dá)2 .0 。不過應(yīng)注意到, 在整個(gè)供暖期里, 出現(xiàn)供暖室外計(jì)算溫度的時(shí)間不長(zhǎng), 大部分時(shí)間的室外氣溫是高于供暖室外計(jì)算溫度的。隨著室外氣溫的升高, 機(jī)組的COP 值亦會(huì)升高。因此, 這樣雙級(jí)熱泵供暖新系統(tǒng)的季節(jié)性能系數(shù)將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2 的。

 

  4 結(jié)論

 

  4.1 在我國北方地區(qū), 由空氣源熱泵機(jī)組與水源熱泵(水—空氣熱泵或水—水熱泵)組成新型的雙級(jí)熱泵系統(tǒng)是供暖的理想系統(tǒng)之一。

 

  4.2 在寒冷地區(qū), 采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供10 ～ 20 ℃的水作為水源熱泵的低位熱源時(shí), 可以解決井水作為熱泵的低位熱源時(shí), 存在水井老化, 回灌困難等問題;也可以解決目前建筑物內(nèi)余熱少或沒有余熱而無法采用傳統(tǒng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的問題。

 

  4.3 在寒冷地區(qū), 采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組提供10 ～ 20 ℃的水是空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在該地區(qū)可行的應(yīng)用方式。

 

  筆者目前所做的工作是初步的。為了更好地在寒冷地區(qū)推廣和應(yīng)用這種系統(tǒng), 筆者準(zhǔn)備在今后做如下工作:① 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)供暖期里運(yùn)行的模擬研究與分析;② 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組加水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國北方地區(qū)應(yīng)用的評(píng)價(jià);③ 在條件許可的時(shí)候, 建立實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng), 進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。