空氣能 發(fā)布日期:2023-09-23 閱讀次數:531
蔡志敏 1 趙密升 2 李建國 2 李凡 3 李春來(lái) 1 李韶鋒 2
( 1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河源 517000;2.龍川紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司 河源 517000; 3.廣東工業(yè)大學(xué) 廣州 510006 )
【摘 要】對噴氣增焓及噴液冷卻式空氣源熱泵進(jìn)行了熱力學(xué)分析, 并在低環(huán)境溫度下對其制熱性能進(jìn)行了
數據測試及對比研究,結果表明,隨著(zhù)室外環(huán)境溫度在 10℃~30℃之間下降時(shí),兩款熱泵耗電量 都在逐漸增加, 制熱量逐漸降低, 噴氣增焓空氣源熱泵機組相較噴液冷卻式空氣源熱泵機組的 COP 下降有變緩趨勢, 當室外環(huán)境溫度為-5℃時(shí), 噴氣增焓熱泵的COP 為3.03,而噴液冷卻式熱泵降 至 2.66;在-20℃時(shí), 噴氣增焓式熱泵 COP 為 2.15,噴液冷卻式熱泵 COP 已降至 1.88;噴氣增焓 空氣源熱泵比噴液冷卻式熱泵性能提高大概 13%左右。噴氣增焓空氣源熱泵機組在低溫環(huán)境下效 率更高。
【關(guān)鍵詞】噴氣增焓;噴液冷卻;空氣源熱泵;低溫實(shí)驗數據對比分析
中圖分類(lèi)號 TU833 文獻標識碼 A
Enhanced Vapor Injection and Liquid-cooled Air Source Heat Pump in
Low Temperature Environment Comparison and Analysis of Experimental Data
Cai Zhimin1 Zhao Misheng2 Li Jianguo2 Li Fan3 Li Chunlai1 Li Shaofeng2 ( 1.Heyuan Polytechnic1, Heyuan, 517000; 2.Longchuan New Entai Energy Technology Co., Ltd, Heyuan, 517000;3.Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006 )
【Abstract】 This paper tests and compares the performance of air-source heat pump Coupled with Enhanced Vapor Injection and liquid-cooled air-source heat pump in low temperature environment. The results show that the power consumption of the two heat pumps increases gradually, the heat production decreases gradually, and the COP of Coupled with Enhanced Vapor Injection air-source heat pump unit decreases more than that of liquid-cooled air when the ambient temperature decreases between 10℃ and -30℃. Source heat pump has a significant delay trend. When the outdoor temperature is -5℃, the COP of the jet Coupled with Enhanced Vapor Injection heat pump is 3.03, while that of the jet-cooled heat pump has dropped to 2.66. At -20 ℃, the COP of the jet Coupled with Enhanced Vapor Injection heat pump can also reach 2. 15, and the COP of the jet-cooled heat pump has dropped to 1.88. The performance of the jet Coupled with Enhanced Vapor Injection air source heat pump is about 13% higher than that of the jet-cooled heat pump. Air Source Heat Pump Coupled with Enhanced Vapor Injection is more efficient in low temperatureenvironment.
【Keywords】 Enhanced Vapor Injection; liquid-cooled; Air source heat pump; Comparison and analysis of experimental data
基金項目:河源市 2018 年省科技創(chuàng )新戰略專(zhuān)項(縱向協(xié)同管理方向)資金項目 “低環(huán)境溫度空氣源熱泵熱風(fēng)機關(guān)鍵技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化”(項目編號: 2018005);河源市 2019 年省科技專(zhuān)項資金 (“大專(zhuān)項”+ “任務(wù)清單”)資金項 目“空氣源熱泵干燥機組關(guān)鍵技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化”(項目編號: 190816091520699)階段性研究成果
作者 (通訊作者) 簡(jiǎn)介:蔡志敏(1981- ),男,碩士研究生,高級工程師, E-mail:caizhimin8242@163.com
引言
近幾年, 我國很多北方城市冬天出現了大范圍的霧霾天氣,嚴重影響了人們的工作、生活及身體 健康,政府為此出臺了一系列煤改清潔能源的政策, 空氣源熱泵由于節能環(huán)保等特點(diǎn),在此背景下 得到了快速發(fā)展。
北方主要氣候特點(diǎn)為溫度低(極端室外溫度可達-30℃左右),因此對空氣源熱泵系統提出了更高的要求。傳統空氣源熱泵技術(shù)在外界低環(huán)境溫度下,壓縮比增大,等熵系數減小,壓縮機排氣溫度 升高,功率增大,制熱量降低,不能滿(mǎn)足用戶(hù)要求;為解決上述問(wèn)題,目前噴氣增焓和噴液冷卻式空氣 源熱泵是兩種在室外低溫環(huán)境下運行的主要解決方案,兩種技術(shù)方案都可以滿(mǎn)足北方寒冷地區熱泵系統使用需求。
國內外近幾年也針對這兩種方案在不同方面進(jìn)行了分析研究, 董旭等[1]對噴氣增焓熱泵性能進(jìn)行了分析, 并分析了供暖技術(shù)應用于東北部分地區的技術(shù)可行性。藕俊彥等[2]針對 R417A 噴氣增焓熱泵熱水器低溫環(huán)境下的變流量特性進(jìn)行了分析。項 宇[3]研究了R410a 空氣源熱泵系統噴氣增焓獨立控制方案。魯祥友等[4]針對空氣流量及用水量對空氣源熱泵熱水機組性能影響進(jìn)行了試驗研究,馬麟等 [5] 對噴液冷卻和噴氣增焓低溫熱泵渦旋壓縮機的性能做了對比分析。本文主要研究了基于 R410a 的噴氣增焓與噴液冷卻式空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的性能對比分析。
1 熱泵制熱熱力學(xué)分析
1.1 噴液冷卻空氣源熱泵熱力學(xué)分析
由圖 1 分析可知: 制冷劑被冷凝器冷卻后, 流出分兩路, 一路為主路, 一路為次路, 主路經(jīng)節流 閥節流(6), 到蒸發(fā)器相變吸熱后由壓縮機吸入 (1)。次路經(jīng)節流閥節流降壓后直接到壓縮機噴液 口噴入(7),與壓縮機內原有制冷劑進(jìn)行混合后(3) 經(jīng)壓縮機壓縮排出(4)。
由圖 2 分析可知: 如果沒(méi)有次路噴液系統, 壓縮機排氣溫度會(huì )升高。所以噴液系統可有效降低壓 縮機排氣溫度。
由圖 3 分析可知:制冷劑在冷凝器被冷卻后, 流出分兩路, 一路為主路, 一路為次路(噴氣路), 主路制冷劑經(jīng)經(jīng)濟器與次路制冷劑進(jìn)行換熱達到 二次過(guò)冷狀態(tài)(6),經(jīng)節流閥節流(7),蒸發(fā)器相 變吸熱后(1) 由壓縮機吸入(2)。次路(噴氣路) 從冷凝器出來(lái)后(5) 先通過(guò)節流降壓(8),與主路制冷劑在經(jīng)濟器進(jìn)行換熱達到過(guò)熱狀態(tài), 由壓縮 機吸入(9),與主路制冷劑混合后(3) 由壓縮機 壓縮排出(4)。
由圖 4 分析可知: 如果無(wú)噴氣路, 壓縮機排氣 溫度會(huì )升高至 T4 ′,增加噴氣路可有效降低壓縮機 排氣溫度至 T4。從而保護壓縮機在更低的環(huán)境溫度 下安全高效的運行。
通過(guò)熱力學(xué)分析噴氣增焓空氣源熱泵制熱過(guò) 程,可得制熱量 Qh 。熱泵能耗 W,制熱性能系數 COPh ,相對常規空氣源熱泵的制熱量增加ΔQh。 有以下關(guān)系[1]:
式中, mc 為冷凝器制冷劑質(zhì)量流量; me 為蒸 發(fā)器制冷劑質(zhì)量流量; hi 為 i 點(diǎn)的制冷劑焓值, i=1, 2 ,3 ,4 ,4' ,5 ,6 ,9;pi 為 i 狀態(tài)點(diǎn)的制冷劑壓 強; Vi 為 i 狀態(tài)點(diǎn)的腔體容積; T9 為狀態(tài)點(diǎn) 9 的制 冷劑溫度; K 為等熵壓縮指數; R 為氣體常數; α 為相對補氣量; ηi 為指示效率; ηm 為機械效率; ηmo 為電動(dòng)機效率;P1d 為行程腔體排氣壓強;V(θ)為 行程腔體與同主軸相位腔體瞬時(shí)連通時(shí)增加的容 積; θ 為起始排氣角。
由式(2) 和式(3) 可知, 補氣壓力不是影響 噴氣增焓熱泵制熱量和制熱性能系數的直接因素, 在保證壓縮機正常運轉的情況下, 不需要嚴格控制 補氣壓力精度[1]。
由式(4) 可知,主路在經(jīng)濟器與次路換熱達 到過(guò)冷狀態(tài),可以有效吸收外界環(huán)境更多的熱量; 同時(shí)主路和次路在壓縮機混合后制冷劑流量增加, 壓縮機耗功增大,從而熱泵總制熱量增大。
實(shí)驗樣機及主要設備
實(shí)驗選用了兩臺結構相同(除壓縮機一臺選用 了噴氣增焓, 另一臺選用了噴液冷卻式外, 冷凝器、 蒸發(fā)器、膨脹閥、制冷劑種類(lèi)等都相同) 的空氣源 熱泵, 噴氣增焓熱泵經(jīng)濟器選用了板式換熱器, 具體信息如表 1 所示。
實(shí)驗地點(diǎn)在滿(mǎn)足國家相關(guān)標準要求的低溫空 氣源熱泵冷水機組性能實(shí)驗室中進(jìn)行, 測試儀器儀 表主要有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、 流量傳感器等,具體信息如表 2 所示。
數據測試及分析
實(shí)驗在保持冷凝器出水溫度 41℃不變的的條 件下,試驗檢測噴氣增焓及噴液冷卻空氣源熱泵隨 模擬室外環(huán)境溫度變的制熱性能,測試了制熱量、 耗電量、制熱性能系數 COP 等的變化情況。具體 參數如表 3 和表 4 所示。
由圖 5 分析可知:隨著(zhù)室外環(huán)境溫度的變化, 在保持出水溫度 41℃不變的情況下,噴液冷卻式 熱泵制熱量在逐漸下降, 而耗電量在逐漸增大, 從 而熱泵的制熱效率在逐漸降低。當環(huán)境溫度為 10℃時(shí),制熱量為 77.4kW。耗電量為 21.45kW。而環(huán) 境溫度降低至-5℃時(shí), 制熱量降低為 63.7kW,而 耗電量則增加至 23.96kW。環(huán)境溫度降低至-20℃ 時(shí),制熱量降低為 47.8kW,而耗電量則增加至25.45kW。
由圖 6 分析可知:隨著(zhù)室外環(huán)境溫度的變化, 在保持出水溫度 41℃不變的情況下,噴氣增焓式 熱泵制熱量在逐漸下降, 而耗電量在逐漸增大, 從 而噴氣增焓式熱泵的制熱效率同樣在逐漸降低。當 環(huán)境溫度為 10℃時(shí), 制熱量為 83.4kW。耗電量為 22.52kW。而環(huán)境溫度降低至-5℃時(shí),制熱量降低 為 70.5kW,而耗電量則增加至 23.27kW。環(huán)境溫 度降低至-20℃時(shí), 制熱量降低為 57.3kW,而耗電 量則增加至 26.68kW。
由圖 7 分析可知,在室外環(huán)境溫度為 10℃時(shí),噴氣增焓式空氣源熱泵的 COP 為 3.71,噴液冷卻 式空氣源熱泵的 COP 為 3.6,相比差別不大。而隨著(zhù)室外環(huán)境溫度的下降,噴氣增焓式熱泵的 COP 下降較噴液冷卻式熱泵有明顯的延緩趨勢,當室外溫度為-5℃時(shí),噴氣增焓熱泵的 COP 為3.03,而 噴液冷卻式熱泵已降至 2.66;在-20℃時(shí),噴氣增焓式熱泵 COP 還可以達到 2.15,噴液冷卻式熱泵 COP 已降至1.88;噴氣增焓空氣源熱泵比噴液冷卻式熱泵性能提高大概13%左右。
結論
(1) 噴氣增焓及噴液冷卻式空氣源熱泵均可以有效降低壓縮機排氣溫度,擴大在低溫環(huán)境下的 工作范圍。從而為空氣源熱泵在北方地區的推廣和普及奠定了重要的理論和實(shí)踐基礎。
(2) 噴氣增焓式熱泵及噴液冷卻式熱泵在保持冷凝器出水溫度側 41℃不變的情況下,隨著(zhù)室 外環(huán)境溫度 10℃~30℃變化時(shí),兩款熱泵耗電量都在逐漸增加, 制熱量逐漸降低,熱泵的制熱效率 同樣都在逐漸下降。
(3)隨著(zhù)室外環(huán)境溫度 10℃~30℃變化時(shí), 噴氣增焓空氣源熱泵機組相較噴液冷卻式空氣源熱泵機 組的 COP 下降有變緩趨勢,當室外環(huán)境溫 度為-5℃時(shí),噴氣增焓空氣源熱泵的 COP 為 3.03, 而噴液冷卻式熱泵已降至 2.66;在-20℃時(shí),噴氣 增焓式熱泵 COP 達到 2.15,噴液冷卻式熱泵 COP 已降至 1.88;噴氣增焓空氣源熱泵比噴液冷卻式熱 泵性能提高大概 13%左右。噴氣增焓空氣源熱泵機 組在低溫環(huán)境下效率更高。
(4) 雖然噴氣增焓空氣源熱泵較噴液冷卻式熱泵成本有所增加,但是在低溫環(huán)境下性能明顯優(yōu)于噴液 冷卻式熱泵, 所以,在北方空氣源熱泵市場(chǎng),噴氣增焓空氣源熱泵的推廣和廣泛應用是個(gè)大趨勢。
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