南京航空航天大學(xué) 作者:楊婷婷
1、前言
利用空氣源熱泵和太陽能進行住宅采暖、空調(diào)與制取生活熱水,是建筑節(jié)能和可再生能源利用以及污染物減排的重要議題。然而，空氣源熱泵冬季用做制熱運行時，一個嚴(yán)重問題是當(dāng)室外氣溫過低時，室外換熱器表面結(jié)霜。隨著表面霜層的增厚，空氣流通面積減小，空氣流動阻力增大，從而使風(fēng)機流量減小。同時，霜層形成的熱阻會進一步惡化盤管的換熱效果，從而導(dǎo)致室外換熱器吸熱量不足、熱泵性能衰減,嚴(yán)重時甚至?xí)率篃岜貌荒苷９ぷ?、故障死機。太陽能熱水器則存在著受天氣狀態(tài)影響較大的不足。而且空調(diào)器和熱水器相互獨立，設(shè)備費用高，利用率低，空氣源熱泵在冬季寒冷天氣運行中的問題也沒有得到解決。
直膨式太陽能輔助熱泵(DX-SAHP)技術(shù)綜合了太陽能熱利用與空氣源熱泵的優(yōu)點、揚長避短，是解決上述問題的有效途徑之一。DX-SAHP的概念由Sporn等人于1955年首次提出，20世紀(jì)70年代后期開始，形成了DX-SAHP技術(shù)的第一個研究高峰期， 1988年后的近10年時間，研究活動相對處于低谷。從1997 年開始，,對DX - SAHP技術(shù)的研究重新興起，并且出現(xiàn)了持續(xù)上升的勢頭 。
作者設(shè)計出了一種DX-SAHP 空調(diào)熱水器 。它由室外機、室內(nèi)機和熱水單元組成,是一種利用DX - SAHP技術(shù)和空氣源熱泵空調(diào)熱水技術(shù)的中央采暖、空調(diào)、熱水一體化熱泵設(shè)備,適用于住宅集中采暖、空調(diào)、供熱水,也可用于小型飯店、旅館和小型辦公樓。系統(tǒng)的基本運行模式包括制冷(夏季空調(diào)) 、采暖、制熱水,可能的衍生模式包括制冷的同時制熱水、采暖的同時制熱水以及除霜。本文對其制冷、采暖、制熱水3種典型運行模式進行介紹,并對其節(jié)能減排情況進行分析。
2、DX-SAHP空調(diào)熱水器的結(jié)構(gòu)及其典型運行模式
作者設(shè)計的一種DX-SAHP空調(diào)熱水器由室外機、室內(nèi)機和熱水單元組成,如圖1所示。
圖1 DX - SAHP空調(diào)熱水器結(jié)構(gòu)示意
室內(nèi)機可以是多聯(lián)機式室內(nèi)機群。室內(nèi)機也可以是由風(fēng)機、蒸發(fā)/冷凝盤管和金屬箱體組成的空氣處理機,風(fēng)機和蒸發(fā)/冷凝盤管在金屬箱體內(nèi)。金屬箱體有一個回風(fēng)口,一個送風(fēng)口。太陽能集熱/散熱器上表面還可以安裝太陽能光伏電池。膨脹器組件可以是單個部件,也可以是多個部件的組合。下面對其制冷、采暖、制熱水3種典型運行模式分別進行介紹。
2.1、直膨式太陽能輔助熱泵空調(diào)熱水器制冷模式
壓縮機啟動。四通閥的A 端與D 端接通， B端與C端接通。第三個電磁閥關(guān)閉。第一個電磁閥打開。高溫高壓氣體制冷劑經(jīng)過壓縮機的排氣口，經(jīng)由第一個電磁閥，進入四通閥的A端,流出四通閥的D端,進入室外蒸發(fā)/冷凝器。在室外蒸發(fā)/冷凝器內(nèi),該高溫高壓氣體制冷劑通過室外蒸發(fā)/冷凝器釋放熱量給室外空氣,從而凝結(jié)成高溫高壓液體。然后,該高溫高壓液體經(jīng)過膨脹閥組件膨脹為低溫低壓的兩相流。該低溫低壓兩相流制冷劑進入室內(nèi)機的蒸發(fā)/冷凝盤管,通過該蒸發(fā)/冷凝盤管吸收室內(nèi)空氣的熱量而蒸發(fā)成低溫低壓氣體，然后依次經(jīng)過四通閥的C端和四通的B端,進入壓縮機的進氣口。在壓縮機中,該低溫低壓氣體制冷劑被壓縮成高溫高壓氣體制冷劑，完成了一個制冷循環(huán)。制冷循環(huán)不斷重復(fù),維持夏季制冷模式。室外機風(fēng)機的開關(guān)取決于太陽能集熱/散熱器是否有足夠的散熱能力。第二個電磁閥由室外蒸發(fā)/冷凝器的入口溫度和太陽能集熱/散熱器的表面溫度控制。
2.2、直膨式太陽能輔助熱泵空調(diào)熱水器采暖模式
壓縮機啟動。四通閥的A 端與C端接通，B端與D端接通。第二個電磁閥打開。第三個電磁閥關(guān)閉。當(dāng)室外環(huán)境使系統(tǒng)有足夠的制熱能力時，第一個電磁閥打開。這時，高溫高壓氣體制冷劑經(jīng)過壓縮機的排氣口,經(jīng)由第一個電磁閥,進入四通閥的A端，流出四通閥的C端，進入室內(nèi)機的蒸發(fā)/冷凝盤管，通過該蒸發(fā)/冷凝盤管釋放熱量給室內(nèi)空氣而冷凝成高溫高壓液體制冷劑。高溫高壓液體制冷劑經(jīng)過膨脹閥組件膨脹為低溫低壓的兩相流。低溫低壓兩相流又分為兩路，一路經(jīng)由第二個電磁閥進入太陽能集熱/散熱器，另一路進入室外蒸發(fā)/冷凝器。在太陽能集熱/散熱器和室外蒸發(fā)/冷凝器中，兩相流中的液體制冷劑吸收來自環(huán)境空氣和太陽的熱能，蒸發(fā)成低溫低壓氣體制冷劑。低溫低壓氣體經(jīng)過四通閥的D端、四通閥的B端,進入壓縮機的進氣口。在壓縮機中，低溫低壓氣體制冷劑被壓縮成高溫高壓氣體制冷劑，完成了一個制熱循環(huán)。制熱循環(huán)不斷重復(fù)，維持制熱模式。室外機風(fēng)機的開關(guān)取決于太陽能集熱/散熱器是否有足夠的供熱能力。
2.3、直膨式太陽能輔助熱泵空調(diào)熱水器制熱水模式
壓縮機啟動。四通閥的A 端與C端接通， B端與D端接通。第二個電磁閥打開。第三個電磁閥打開。第一個電磁閥關(guān)閉。高溫高壓氣體制冷劑經(jīng)過壓縮機的排氣口，進入熱水箱中的換熱器,通過換熱器釋放熱量給熱水箱中的水,變成高溫高壓液體制冷劑。熱水箱內(nèi)的水吸熱后溫度升高。該高溫高壓液體制冷劑流出換熱器,進入四通閥的A端,流出四通閥的C端,經(jīng)過膨脹閥組件膨脹為低溫低壓的兩相流。低溫低壓兩相流分為兩路，一路經(jīng)由第二個電磁閥進入太陽能集熱/散熱器，另一路進入室外蒸發(fā)/冷凝器。在太陽能集熱/散熱器和室外蒸發(fā)/冷凝器中，兩相流中的液體制冷劑吸收來自環(huán)境空氣和太陽的熱能,蒸發(fā)成低溫低壓氣體制冷劑。低溫低壓氣體經(jīng)過四通閥的D端、四通閥的B端,進入壓縮機的進氣口。
在壓縮機中,低溫低壓氣體制冷劑被壓縮成高溫高壓氣體制冷劑，完成了一個制熱水循環(huán)。熱制水循環(huán)不斷重復(fù)，維持制熱水模式。室外機風(fēng)機的開關(guān)取決于太陽能集熱/散熱器是否有足夠的供熱能力。
3、DX-SAHP空調(diào)熱水器節(jié)能分析
Morrison等人的研究表明，與空氣源熱泵相比，使用直膨式太陽能輔助熱泵制熱年節(jié)能達到27.7%。直膨式太陽能輔助熱泵的制冷性能也優(yōu)于空氣源熱泵。對于使用空氣源熱泵空調(diào)熱水器每戶的年均制熱耗電量，研結(jié)果分別是每戶1632kW·h和1840kW ·h。取二者的平均值，則空氣源熱泵每戶生活熱水的年均耗電為1736kW·h。按直膨式太陽能輔助熱泵制熱年均節(jié)能25%計算，則僅生活熱水一項，本技術(shù)產(chǎn)品每戶年均節(jié)電達434kW·h。
現(xiàn)在估算采暖節(jié)能。取一個中等戶型,按京地區(qū)冬季氣象條件， 整個冬季的采暖能耗為12550kW·h。按空氣源熱泵平均制熱能效比2.5, 直膨式太陽能輔助熱泵比空氣源熱泵制熱節(jié)能25%計算，使用直膨式太陽能輔助熱泵，冬季采暖節(jié)電1255kW·h。由此可以得出,在南京地區(qū),使用直膨式太陽能輔助熱泵, 每戶年均節(jié)電達1689kW·h。
到2020年,我國將有居民約5億戶。若那時有15%居民使用直膨式太陽能輔助熱泵空調(diào)熱水器，計有7500萬戶，按戶年均節(jié)電1689kW ·h估算,全國年節(jié)電1267億kW ·h，約相當(dāng)于三峽水電站一年半的發(fā)電量。按0. 6元/kW ·h，僅節(jié)能一項,折合人民幣年均780.2億元。
從環(huán)保的社會效益來看, 每戶年均節(jié)電達1689kW·h，相當(dāng)于減少621. 5kg標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒(目前我國重點火力發(fā)電廠，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為每度電標(biāo)準(zhǔn)煤0.368kg) 。按1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.5kg二氧化碳、0. 075kg二氧化硫,全國有7500萬用戶計算,則相當(dāng)于每年減少二氧化碳排放1.165億t,減少二氧化硫排放350萬t。
4、結(jié)語
DX-SAHP 空調(diào)熱水器是一種利用DX -SAHP技術(shù)和空氣源熱泵空調(diào)熱水技術(shù)的中央采暖、空調(diào)、熱水一體化熱泵設(shè)備。與空氣源熱泵空調(diào)熱水器相比，DX - SAHP空調(diào)熱水器的制熱年均性能系數(shù)可提高25%以上，具有很好的推廣應(yīng)用價值。
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