李嘉鵬,李鎮(zhèn)宇,曹祥,邵亮亮,張春路
(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所,上海 201804)
自國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[1]以來(lái),各省市紛紛出臺(tái)“煤改電”等相關(guān)政策[2-3]來(lái)改善大氣環(huán)境。低溫空氣源熱泵由于使用靈活、節(jié)能高效以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異[4],在北方地區(qū)“煤改電”的政策紅利下得到了快速發(fā)展[5-6]。
如何提升低溫空氣源熱泵的能效一直是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究者一方面關(guān)注不同循環(huán)形式[7-8]、不同制冷劑工質(zhì)[9]和不同節(jié)流方式[10]的系統(tǒng)熱力學(xué)研究;另一方面也注重除霜抑霜[11-12]、換熱器空氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[13],采用太陽(yáng)能等輔助熱源[14]的實(shí)際系統(tǒng)優(yōu)化研究。但以上研究的目標(biāo)主要是額定工況下,系統(tǒng)制熱量最大以及制熱性能系數(shù)(Coefficient of Performance,COP)最高,未對(duì)部分負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.1—2010[15]的要求,低溫空氣源熱泵需以制熱綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(Integrated Part Load Value,IPLVH)作為能效等級(jí)指標(biāo)值。IPLVH的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮部分負(fù)荷,更加貼近機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,有利于挖掘熱泵的節(jié)能潛力[16]。表1[15]所示為機(jī)組在100%、75%、50%和25%負(fù)荷工況點(diǎn)的參數(shù)。根據(jù)式(1)[15]計(jì)算得出IPLVH。
表1 部分負(fù)荷工況點(diǎn)的參數(shù)
由式(1)可知,50%和75%負(fù)荷工況點(diǎn)在IPLVH計(jì)算中所占權(quán)重較大,因此若想取得較高的IPLVH,需提高部分負(fù)荷工況點(diǎn)下機(jī)組的能效水平[17]。壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)可以有效降低部分負(fù)荷工況下系統(tǒng)功耗,提高機(jī)組能效水平;而控制方式改進(jìn)則可以合理利用標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于不能卸載到部分負(fù)荷工況點(diǎn)的制熱COP 計(jì)算公式[15],在一定程度上也可以提高機(jī)組IPLVH[18],因此王派等[16]認(rèn)為壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)以及控制方式改進(jìn)是提高機(jī)組IPLVH的重要因素。但對(duì)于定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組,容量調(diào)節(jié)十分有限(多臺(tái)定頻壓縮機(jī)并聯(lián)機(jī)組)甚至不能調(diào)節(jié)(單臺(tái)定頻壓縮機(jī)機(jī)組),僅依靠控制方式改進(jìn)所帶來(lái)的IPLV(H)提升幅度較小,需對(duì)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行精細(xì)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
因此本文以某個(gè)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組為例,針對(duì)其IPLVH較低的問(wèn)題,提出了多種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,包括采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)、多回路換熱器和多套獨(dú)立風(fēng)系統(tǒng)等;并基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的制冷熱泵系統(tǒng)仿真模型,對(duì)比分析了不同設(shè)計(jì)方案下機(jī)組IPLVH能效水平。
某個(gè)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)方案(基準(zhǔn)方案)如圖1所示,該方案采用兩臺(tái)定頻補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī),兩片單回路V 型翅片管換熱器,兩臺(tái)定風(fēng)量風(fēng)機(jī)(一套風(fēng)系統(tǒng))。如此設(shè)計(jì),生產(chǎn)加工方便、系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單,因此受到了廣泛推廣。但在該設(shè)計(jì)方案下,機(jī)組IPLVH往往較低,主要原因是在部分負(fù)荷工況下,風(fēng)機(jī)功耗較大,在關(guān)閉一套熱泵系統(tǒng)后,仍會(huì)有大約一半的風(fēng)量流經(jīng)該關(guān)停的換熱器,風(fēng)量損失較大。
圖1 基準(zhǔn)方案流程
本文提出了3 種改進(jìn)方案:1)兩臺(tái)變風(fēng)量風(fēng)機(jī),根據(jù)負(fù)荷大小有效調(diào)控風(fēng)量大小,實(shí)現(xiàn)風(fēng)量和負(fù)荷的匹配,有效降低部分負(fù)荷工況點(diǎn)下風(fēng)機(jī)功耗占比;2)雙回路翅片管換熱器(如圖2所示),雙回路翅片管換熱器的兩個(gè)回路分屬兩個(gè)熱泵系統(tǒng),如此設(shè)置有利于兩個(gè)熱泵系統(tǒng)間相互平衡[19],更重要的是在部分負(fù)荷工況下盡管只開(kāi)一套熱泵系統(tǒng),但兩個(gè)換熱器的翅片和兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量都能夠用于換熱,有利于充分利用換熱面積和換熱風(fēng)量,提高機(jī)組能效水平;3)采用兩套獨(dú)立風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(如圖3所示),具體是將兩片換熱器從中間拆分為4片換熱器,并在機(jī)組中間隔斷,由之前兩個(gè)風(fēng)機(jī)組成一套風(fēng)系統(tǒng)變?yōu)閮蓚€(gè)風(fēng)機(jī)各構(gòu)成一套風(fēng)系統(tǒng),兩套風(fēng)系統(tǒng)間相互獨(dú)立,這樣在部分負(fù)荷工況下可只開(kāi)一個(gè)熱泵系統(tǒng)和一個(gè)風(fēng)機(jī),有效降低機(jī)組功耗,提高系統(tǒng)能效。
圖2 雙回路翅片管換熱器[19]
圖3 兩套風(fēng)系統(tǒng)+單回路翅片管流程
上述改進(jìn)措施,可組合衍生出多種機(jī)組設(shè)計(jì)方案。本文將以基準(zhǔn)方案+4 種改進(jìn)方案為例(如圖4所示),基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)仿真模型,對(duì)比分析這5 種設(shè)計(jì)方案下機(jī)組IPLVH能效水平大小。
圖4 5 種設(shè)計(jì)方案
基準(zhǔn)方案的系統(tǒng)仿真模型是通過(guò)制冷空調(diào)熱泵系統(tǒng)通用仿真平臺(tái)[20]搭建。系統(tǒng)設(shè)計(jì)低溫制熱量100 kW,供水溫度41 ℃,壓縮機(jī)為定頻補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī),V 型翅片管換熱器采用單回路設(shè)計(jì),制冷工質(zhì)為R410A。對(duì)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真結(jié)果見(jiàn)表2。
相應(yīng)的樣機(jī)在焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。工況1,即熱源側(cè)空氣干/濕球溫度-12 ℃/-14 ℃,側(cè)送/回水溫度41 ℃/36 ℃;工況2,即熱源側(cè)空氣干/濕球溫度7 ℃/6 ℃,使用側(cè)送/回水溫度45 ℃/40 ℃。通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了系統(tǒng)仿真模型精度。
表2 基準(zhǔn)方案系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
在基準(zhǔn)方案系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上搭建了其,4種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型,開(kāi)展了IPLVH仿真計(jì)算,得到如圖5所示的IPLVH及各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)性能系數(shù)仿真結(jié)果。
結(jié)果顯示,4 種改進(jìn)方案的IPLVH均高于基準(zhǔn)方案,并且方案3 的IPLVH最高為2.93。基準(zhǔn)方案接近三級(jí)能效水平(2.60)[21],方案1 和方案2 達(dá)到三級(jí)能效水平,方案3 和方案4 達(dá)到二級(jí)能效水平(2.80)。
由圖5可知,風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)(方案3 和方案4)的IPLVH要高于風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)(基準(zhǔn)方案、方案1 和方案2)。這是因?yàn)樵诓糠重?fù)荷點(diǎn),風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功耗較高,所以其部分負(fù)荷點(diǎn)制熱COP 要小于風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)。并且負(fù)荷點(diǎn)越低,風(fēng)機(jī)功耗占比越大,風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)的制熱COP就越小于風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)。
圖5 IPLVH 及各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)性能系數(shù)仿真結(jié)果
在風(fēng)機(jī)定風(fēng)量情況下,兩套風(fēng)系統(tǒng)+單回路翅片管(方案2)的IPLVH高于一套風(fēng)系統(tǒng)+雙回路翅片管(方案1);在風(fēng)機(jī)變風(fēng)量情況下,方案3 優(yōu)于方案4。這是因?yàn)?,在風(fēng)機(jī)定風(fēng)量情況下,風(fēng)機(jī)功耗占比較大,關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)機(jī)(方案2)能夠有效降低風(fēng)機(jī)功耗,提高機(jī)組能效。在風(fēng)機(jī)變風(fēng)量情況下,風(fēng)機(jī)功耗占比大大減小,雙回路翅片管(方案3)在部分負(fù)荷工況下的換熱面積和換熱風(fēng)量要高于單回路翅片管(方案4),所以機(jī)組能效更高。因此低溫空氣源熱泵定頻機(jī)組在采用定風(fēng)量風(fēng)機(jī)的情況下,推薦使用方案2 的系統(tǒng)設(shè)計(jì),在采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)的情況下,推薦使用方案3 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
本文以某個(gè)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組為例,針對(duì)其IPLVH較低的問(wèn)題,提出了4 種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,并基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的制冷熱泵系統(tǒng)仿真模型,對(duì)比分析了不同設(shè)計(jì)方案下機(jī)組的IPLVH能效水平,得到如下結(jié)論:
1)采用風(fēng)機(jī)變風(fēng)量+一套風(fēng)系統(tǒng)+雙回路翅片管的系統(tǒng)方案3 的IPLVH最高為2.93,相較于基準(zhǔn)方案(2.57)提高了14%,達(dá)到二級(jí)能效水平,滿足節(jié)能產(chǎn)品要求;
2)對(duì)于當(dāng)前機(jī)組形式,風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)的IPLVH要高于風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng);在風(fēng)機(jī)定風(fēng)量情況下,兩套風(fēng)系統(tǒng)+單回路翅片管要優(yōu)于一套風(fēng)系統(tǒng)+雙回路翅片管;在風(fēng)機(jī)變風(fēng)量情況下,結(jié)果相反。