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      家用分体式空气能热水器

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    采用超低温水源的热泵机组研制与应用
    发布时间:2016-07-03     浏览次数:0

    水源热泵机组的工作原理就是利用地球表面浅层地热能如地下水或地表水(江、河、海、湖或浅水池、污水)中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源,采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现冬季供暖、夏季制冷。利用江、河、湖水的水源热泵由于冬季水温很低,北方地区的江河湖水冬季最冷时结冰,制约了其应用。目前国内市场上的水源热泵机组水源水极限温度只能达到8℃左右,冬季水源温组利用率大大降低,甚至不能工作。另一方面江河水通常较混浊,不能直接引入空调系统利用,必须采用间接换热的方式,通过板式换热器等间接换热后的二次封闭循环水才能进入机组。而所有的换热,必然带来热势能损失及温差损失,如5.8℃的江水,间接换热后,仅为3.8~4.3℃,必须采用低温型的机组才能进行利用。

    较低水源温度下机组无法正常工作的问题制约了水源热泵推广应用,急需得到解决。低温水源热泵技术是寒冷的冬季利用江、河、湖水等地表水作为水源水供暖的应用技术,可以解决普通的热泵机组若水源水进水温度为4度时,机组内部保护,拒绝工作的技术难关。

    2、超低温水源利用热泵关键技术

    2.1基本原理

    我们知道江河湖水在4℃时,密度最大,当湖水平均温度<4℃时,4℃的水因密度最大而沉至水底,因此,只要是具有一定深度的湖泊河流,即使水面结冰,其水底温度也能维持在4℃,即使在水面结冰的情况下,太阳辐射也能透过冰层,对水进行加热;同时,水底的土壤也会通过地热对水补热,因此,冬季湖底的水温总能维持在≥4℃的范围。根据这一自然现象我们研制一种新型低温水源热泵机组,该机组可充分利用江河湖海等低温水源冬季供热、夏季制冷。在冬季水温≥4℃的范围内能够高效运行,可适应恶劣气候特别是北方寒冷地区使用。

    2.2超低温水源热泵采用的关键技术

    2.2.1采用经济器循环

    在螺杆机的相应部位,通过经济器,补一部分气体给压缩机。由于补气,一方面可提高压缩机的输气能力。另一方面也能增加液体过冷度,使机组在低温环境下从单级压缩机变成小双级压缩机,使蒸发器的出水温度达到0.5℃,从而强化机组蒸发器的吸热效果,提高机组的制热效能。

    喷射泵结构及压力曲线
    2.2.2机组控制器采用动态能量输出控制当环境温度、空调末端、空调源侧负荷发生变化时,各路水系统的供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化,特别是水源水温度发生变化时,流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至机组控制器,机组控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据,计算出末端系统所需的制冷量或制热量,以及各路水系统的供回水温度、温差、压差和流量的最佳值,并以此调节各变频器输出频率,控制水泵的转速,改变其流量使水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在机组控制器给出的最优值。

    超低温水源热泵机组

     

    2.2.3水源水系统采用模糊温度检测技术

    水源水采用实时检测和动态预测相结合的方式。在一个能级调节周期内,当机组的出力不变化时,检测温度的变化率,当温度的变化率为负值时,将温度探头检测到的实际温度减去预测的温度变化值作为控制系统中的控制值。

    2.2.4冰点温度在线标定技术

    针对温度探头可能发生的漂移,本机组采用了数字式温度传感器,同时配置了在线标定技术:即将温度探头放入冰水混合物中,同时在选择触摸屏中选择冰点温度标定选项,即可方便快捷准确的进行冰点温度的标定。

    3、机组的设计特点

    3.1结构特点

    首先需要提供一种直接利用超低温(4℃)水源的水源热泵机组用防冻抗冻蒸发器。一是防冻,由于管壳内壁上设置若干个温度检测点,每个检测点与管壳外部的冰点检测器连接,通过动态分布式技术,PLC在检测到即将发生的冰点的关键点,降低机组的运行出力,提高热泵机组的蒸发温度,避免冻结现象的发生。二是抗冻,由于管壳的进水口和出水口不在同一平面上,进水口在上,出水口在下,并且进氟口连接的换热管数量少于出氟口数量,即使在蒸发器结冰的状态下,使冻结过程从里向外、从下向上发生,从而保证即使发生冻结也不破坏蒸发器。通过直接利用水源热泵的蒸发器采集4℃超低温水源水中的热量,不采用抛管、板换等间接方式,经过压缩机压缩后,通过冷凝器将热量是发到用户侧循环水。

    3.2远程网络监控群控技术

    该机组预留了网线接口,用户可以通过互联网用浏览器来监视和控制机组的运行状态:启停情况、故障情况、工作能级等。多台机组可以利用此网线接口组成机组群体控制,整群机组可以通过路由器上网。机组群体控制根据实际负荷变化,动态调整系统中各个设备的运行,首先调度运行时间短和高效机组的运行,在达不到要求的时候再调度其它机组的运行,实现最大程度的节能。合理的群控,可以避免过冷、过热现象的出现,更容易达到设计要求,使用该功能可节省15%~20%费用。

    3.3机组油系统智能控制技术

    螺杆机组最怕的就是缺油,在常规控制功能(模糊控制、负荷调节、均衡磨损、动态加载、定时启停、故障自我诊断)的基础上,重点开发机组的油系统的智能控制技术:油分离技术和回油技术。油分离的目的是在油进入冷凝器和蒸发器之前就分离出来,减少需要回油的量。采用压缩机内置高效油分、冷凝器内置高效油分的技术。高效率油分离器的使用,减少了回油量。利用冷凝器工作温度较高、粘度较小的特性,在冷凝器内部收集富油的液态冷媒作为引射器的工作动力,用富油的液态冷媒将蒸发器中的冷冻油输送回压缩机。

    油面动态收集技术:机组工作时不可能永远在满负荷状态下,因此蒸发器内的油面并不是固定不变的,利用油的密度小、漂浮在冷媒上部的特点,动态收集冷冻油,集中引到到换热器的底部,从而更加有效地将油输送回压缩机。

    3.4机组附属设备智能控制技术

    机组的控制系统除了可以高效可靠的控制机组本身外,还可以智能控制机组的附属设备,比如:水泵智能运行与备用轮换、水泵的台数控制及单台的变频运行、分区控制及智能联动等。在保障制冷机组高效的前提下,通过PLC控制循环水泵变频器,使每台水泵均处于最佳工况点运行,当实际流量大于要求流量时,降低变频循环泵的功率,当实际流量小于要求流量时,增加变频循环泵的频率,使用该功能可节省15%运行费用。系统分区节能运行管理:根据不同的使用功能,可以分时分区关闭或减少部分区域能量,降低系统能耗。根据分区情况,节能10%~15%,若配合变频水泵,则能节省20%~30%。每个分区输出相应的信号给PLC,PLC会根据使用区域的大小和多少,动态调整机组的出力,既满足用户的需求,又降低了运行费用。

    4、机组的技术创新点及技术指标

    4.1技术创新点

    本设计解决了防冻设计运用,利用动态分布式监控技术,精确检测出结冰现象发生的临界点,利用外置脉冲扰流装置,增加换热器内流体的扰动性,提高了换热器的传热系数等多项技术难题,创新点如下:

    4.1.1该项目采用江湖水直接进入机组,避免了抛管、板换等间接二次换热带来的设备投资增加、运行效率降低等缺点。
    4.1.2采用抗冻型设计,即使在蒸发器结冰的状态下,结冰现象也不能破坏蒸发器的机械结构,在冰融化后继续安全工作。
    4.1.3采用防冻型设计,利用动态分布式监控技术,精确检测结冰现象发生的临界点,在机组运行接近临界点时降低机组出力,避免结冰现象的发生。
    4.1.4采用强化传热技术,利用外置脉冲扰流装置,增加换热器内流体的扰动性,提高换热器的传热系数。
    4.2机组主要技术指标
    4.2.1制热时水源水进水温度最低为4℃,负载水温度为进水40/出水45℃;
    4.2.2精度要求:冰点冻结检测温度的分辨率为0.1℃,准确度为0.3℃;
    4.2.3机组能效比要求:整机制热COP达到4.64。

    以水源热泵机组开发应用为主导的产业发展模式已在国内蓬勃兴起,水源热泵已成为象征中国式热泵技术和引领热泵行业发展的新亮点。目前国家大力推进城镇化建设,如何向快速增长的居民区供暖供能已是亟待解决的问题,特别是新农村城镇化建设,大规模、集约化的能源生产和供应很难实现,取而代之的是区域供暖、分布式能源系统。不少城镇周边通常具备丰富的江河湖海及浅层地表水资源,利用水源热泵向建筑供热和供冷将成为非常有效的途径。超低温型水源热泵机组的成功研发,解决了江河湖水冬季无法使用的难题,不但能满足集中供热末端的采暖问题,而且能减轻政府供热补贴压力,更为重要的是在环保效益在环境效益方面的重大意义。已成功在东北、内蒙、新疆、甘肃等地应用超过3年以上的时间,各项技术指标符合超低温水源热泵的设计要求,为节能减排、消除雾霾做出了一定的贡献。

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