地源熱泵冰蓄冷中央空調淺析

2020-08-07 11:49:30 user 6

目前生產和使用的空氣源熱泵戶型中央空調存在有一些急待解決的問題,研究開發地源熱泵戶 型蓄冰中央空調,對節能、降低用戶運行費用和電網調峰有著十分重要的意義和發展前景。為了加快地源熱泵戶型蓄冰中央空調的發展和應用,建議電力部門盡快建 立完善鼓勵低谷用電的優惠政策,如盡可能拉大峰谷電價比,給予蓄冰空調設備的開發和使用補貼等。同時也建議有關廠家加強地源熱泵戶型蓄冰中央空調的開發研 究,降低造價,提高綜合效益,為戶型蓄冰中央空調開辟更廣闊的市場。 
    1、戶型中央空調的發展 
    戶型中央空調即住宅集中空調,自20世紀90年代進入中國市場以來,正得到很快的發展。就其原因,首先是我國一直把城鄉居民住房當作頭等大事來抓。 
    近年來人均住房面積有了很大提高,并且住房也有向大戶型、多居室的別墅、多層和小高層發展的趨勢;第二,人民生活水平提高,富裕起 來的城鄉居民住房室內裝飾都達“小康”水平,房間空調已滿足不了他們的要求,更多的人把消費投向了戶型中央空調;第三,生產工藝的成熟和激烈的市場競爭, 使得戶型中央空調的造價逐漸為工薪階層接受;第四,城市建筑景觀和環境的限制,也使城市的一些小型商業用戶轉而使用小型集中空調。以上幾點可以看出,關注 和議論戶型中央空調并非超前,戶型中央空調將是21世紀的新消費熱點。 
    2、戶型中央空調目前存在的問題及解決辦法 
    2.1戶型中央空調目前存在的問題 
    經對目前戶型中央空調的調查和了解,我們發現存在著如下問題: 
    1)國內生產的戶型中央空調大多是以空氣為熱源的熱泵機組,雖然在使用和安裝上有其方便之處,但在夏季炎熱的地區,機組冷凝溫度較高,COP值較低,機組耗電量大;在冬季溫度較低,濕度較大的地區,機組又需融霜,造成室溫波動較大,機組耗電量同樣增大。 
    2)以空氣為熱源的熱泵機組,受室外空氣的影響很大。隨室外空氣溫度的變化,熱泵機組的制冷(制熱)量與建筑物的需冷(需熱)量變化方向正好相反,很難匹配。 
    3)目前國內生產的戶型中央空調均無真正的能量調節。由于室外空氣溫度變化較大,在整個供冷或供熱季節中,熱泵機組大多數時間處于部分負荷下COP值低的狀況。因此,目前有一種“戶型中央空調買得起,用不起”的說法。據了解,在重慶市,建筑面積250m2左右的戶型中央空調,每月電費在1000元以上。 
    4)制冷量6kW以上的戶型中央空調多要求使用三相電源,而有很多用戶卻不具備使用三相電源的條件,當用戶需冷量較大時,往往采用2臺單相機組并聯,這不僅增加了投資,也給安裝帶來不便。 
    5)家用空調,特別是用電量較大的戶型中央空調的發展,導致城市高峰負荷快速增長,加劇了城市電網的供需矛盾。例如經濟發達的上海 市,供電量為9600MW,居民空調用電約占30%。1998年8月的持續高溫,居民空調全部開啟,使上??照{負荷猛增到3000MW左右,當月13日上 海最高用電負荷達9018MW,比1997年同期凈增1000MW,出現電力缺口約700MW,電力高峰、低谷負荷相差3700MW。
    2.2地源熱泵戶型蓄冰中央空調 
    針對空氣源熱泵戶型中央空調的問題,筆者提出地源熱泵戶型蓄冰中央空調,其優點在于: 
    1)以土壤為熱源,由于全年土壤溫度波動小,隨著土壤深度的增加,土壤溫度變化相對穩定。冬季土壤溫度比空氣溫度高,夏季又比空氣 溫度低,所以熱泵的供熱供冷的COP值均高。據重慶大學劉憲英教授科研組的測定,與空氣源熱泵相比,地源熱泵COP值平均提高30%左右[4],因而可以 大大減少戶型中央空調的耗電量,也為用戶節省了運行費用。 
    2)在室外氣溫處于極度狀態時,用戶對冷(熱)量的需求量處于高峰期,由于土壤溫度有延遲,這時它的溫度并不處于極端狀態,它可以提供較小的冷凝溫度和較高的蒸發溫度,提高機組的制冷(制熱)能力,盡可能滿足用戶要求。 
    3)土壤源熱泵的埋地盤管不需要除霜,減少了結霜和除霜的損失及復雜的除霜控制,從而降低了戶型中央空調機組的造價。 
    4)土壤源熱泵不需要風機,可以減少噪聲和熱風污染,而且運行情況好于空氣源熱泵,有較高的可靠性。為用戶的使用帶來很大的方便。 
    5)土壤源熱泵的主機,可安裝在貯藏室或車庫內,完全不影響建筑外觀。 
    6)也正是由于土壤溫度的延遲作用,因而可以提高戶型中央空調單機的制冷量。再加上夜間蓄冰,可減少白天機組制冷量,使機組壓縮機容量減小,降低機組造價,同時還可以適應更多的單相電用戶的需要。 
    7)夏季,即便是在夜間,土壤源熱泵的冷凝溫度也低于空氣源熱泵,因而可以減小制冷系統運行時的壓縮比,這為戶型中央空調利用低谷電蓄冰創造了極為有利的條件。 
    3、地源熱泵戶型蓄冰中央空調應用前景 
    地源熱泵戶型蓄冰中央空調需要埋地盤管,給其應用帶來一定的限制,但筆者還是認為它有較大的市場前景:
    1)小型別墅逐年增多,地源熱泵戶型蓄冰中央空調是富裕起來的城鄉居民家庭空調的首選機型。這部分居民占我國人口的比例不大,但絕對數不小。 
    2)城市綠化面積擴大,也為一些低層住戶和小型商業、辦公用戶提供了使用地源熱泵戶型蓄冰中央空調的條件。 
    3)工礦企業的辦公、計量、化驗、檢測等附屬用房也具有使用地源熱泵戶型蓄冰中央空調的條件。 
    4)據國外資料介紹,在定負荷運行情況下,蓄冷空調比非蓄冷空氣調年節能率為13%。因此,蓄冷空調將得到國家重視和推廣,并有可能獲得國家補助,以降低用戶的投資。 
    5)為解決電力負荷不均的問題,我國將進一步拉大峰谷電價比,與國際通行峰谷電價比例靠攏,以鼓勵利用低谷電。與此同時,“峰谷電價”也即將進入家庭。 
    上海市已率先對居民家庭實行“峰谷電價”,目前已在一些居民家庭中試行。
為鼓勵城鄉居民合理用電,四川省電力公司出臺了一系列峰谷電價優惠政策。安裝了一戶一表分時計度的居民用戶,在6至11月豐水期深夜低谷時段,每千瓦時電 費只交0.1元。其余季節深夜低谷用電每千瓦時為0.1875元,而常規用電每千瓦時電費為0.3878元。隨著“峰谷電價”政策的全面實行,地源熱泵戶 型蓄冰中央空調將會有更為廣闊的市場前景。 
    6)近年來,國外小型蓄冰空調器發展很快,日本BAC等5家公司聯合開發了幾種10馬力以下經濟型的小型冰蓄冷空調器,為內融冰型,變頻和 定頻幾種機型,可以蓄冷5h。日本三菱公司已研制開發出功率為0.75kW的蓄冷空調機組。國外產品進入中國市場后,必然引起消費者的關注和選用,同時也 將推動國內戶型蓄冰中央空調的發展。 
    4、地源熱泵戶型蓄冰中央空調機組結構形式探討 
    對于地源熱泵戶型蓄冰中央空調,由于近年來國內研究地源熱泵的成果較多,技術也趨于成熟,因此開發此類產品主要應集中在小型蓄冰上。作者認為地源熱泵戶型蓄冰中央空調應考慮如下問題: 
    1)雙熱力膨脹閥 
    熱力膨脹閥是最常用的節流元件,它是依靠蒸發器出口制冷劑的過熱度大小來調整閥的開度,達到自動調節機組的制冷量以滿足外界熱負荷變化的需要。 
    熱力膨脹閥的容量與制冷劑的質量流量、閥前后壓差等制冷工況有關。由于空調工況與蓄冰工況的制冷劑流量、閥前后壓差及運行特性等差 別很大,2種工況采用同一膨脹閥顯然是不合理的。特別是由于熱力膨脹閥本身構造所限,其適用的溫度及調節范圍均小;另外,充液式熱力膨脹閥在蓄冰工況下運 行,其蒸發器出口過熱度常比空調工況下大的多。膨脹閥容量過小,會造成蒸發器傳熱面積得不到充分利用,制冷量下降;若膨脹閥容量過大,則又會影響其調節性 能,加大蒸發器出口溫度的波動及過熱度,制冷系統效率下降,嚴重會出現液擊現象。 
    由于制冷主機在空調工況或在蓄冰工況下運轉,一般均在額定負荷下工作,因此其運行條件都相對比較穩定,更適合采用雙膨脹閥,即按空調工況和蓄冰工況分別選擇熱力膨脹閥,機組在空調工況下運行,使用空調用膨脹閥;在蓄冰工況下運行,使用蓄冰用膨脹閥。 
    為適應現代控制水平要求,采用電子膨脹閥更好,其制冷劑流量調節范圍大,允許系統負荷波動大。據介紹和工程實踐證明,在低負荷下,采用電子膨脹閥的冷水機組較用熱力膨脹閥的機組運轉效率高28%,且冷水溫度可控制在±0.1℃范圍。 
    2)雙蒸發器 
    空調工況和蓄冰工況的蒸發溫度差別較大,對同一臺制冷壓縮機,制冷量也有較大差別。為了提高蒸發器的傳熱效率和保證制冷壓縮機的良好回油,機組應配置兩臺蒸發器,一臺用于電力低谷段蓄冰,一臺用于電力高峰段釋冷量不足時,制取冷凍水供空調使用。 
    采用雙蒸發器,如匹配合理,稍加改進還可以同時蓄冰和制取冷凍水,滿足電力低谷段空調所需冷量。 
    3)盤管外融冰 
    作為戶用蓄冰中央空調系統,流程應盡量簡單,機組尺寸也不能太大。
采用盤管外融冰方式蓄冷,盤管成為直接蒸發制冷系統的蒸發器,蓄冷箱內的水在盤管外表面結成一定厚度的冰,這不僅可以減小蓄冷箱體積,減少乙二醇水溶液的復雜流程和冷損失,還可以提高制冷系統的蒸發溫度,增大機組的制冷量,降低機組成本。 
    外融冰方式可讓空調回水與蓄冷箱內的冰直接換熱,融冰速度快,釋冷溫度可大于等于1~2℃,與空調回水混合后,可直接提供7℃的冷凍水。 
    5、結論及建議 
    綜上所述,目前生產和使用的空氣源熱泵戶型中央空調存在有一些急待解決的問題,研究開發地源熱泵戶型蓄冰中央空調,對節能、降低用 戶運行費用和電網調峰有著十分重要的意義和發展前景。為了加快地源熱泵戶型蓄冰中央空調的發展和應用,建議電力部門盡快建立完善鼓勵低谷用電的優惠政策, 如盡可能拉大峰谷電價比,給予蓄冰空調設備的開發和使用補貼等。同時也建議有關廠家加強地源熱泵戶型蓄冰中央空調的開發研究,降低造價,提高綜合效益,為 戶型蓄冰中央空調開辟更廣闊的市場。

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