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        CO2空氣源熱泵應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)間接加熱供水系統(tǒng)的研究

        2022-02-01 13:12:16李薇薇
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年21期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計

        王 朗 李薇薇

        (中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300308)

        0 引言

        基于我國承諾“CO2排放量力爭于2030年前達到峰值,2060年前實現(xiàn)碳中和”的大背景下,以空氣源熱泵系統(tǒng)為代表的清潔能源受到廣泛關(guān)注,與其他傳統(tǒng)的能源相比,更節(jié)能、環(huán)保和安全,但是有以下2種因素限制其應(yīng)用:1)低溫環(huán)境下COP值較低,熱媒出水溫度也較低,一般須配備輔助熱源[1],按規(guī)范《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50015—2019(以下簡稱“建水標(biāo)準(zhǔn)”)第6.6.7-5-3條,不宜用于最冷月平均低溫低于0℃的北方地區(qū)[2]。2)“建水標(biāo)準(zhǔn)”細(xì)化了空氣源熱泵直接加熱供水系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量和貯熱容積的計算(《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7-2條),但對間接加熱系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量和貯熱容積如何確定,規(guī)范沒有說明,不同設(shè)計人員對規(guī)范的解讀不一致,導(dǎo)致計算時選取參數(shù)不合理,選的過大會形成浪費,選的偏小又會令用戶熱水不足。針對以上情況,該文對CO2空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的運行工況進行研究,結(jié)合工程實例對間接和直接加熱供水系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量和貯熱容積計算方法進行對比。

        1 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)簡介

        1.1 CO2空氣源熱泵間接加熱供水系統(tǒng)研究背景

        首先,低溫環(huán)境下傳統(tǒng)空氣源熱泵COP值較低、熱媒出水溫度較低,不宜應(yīng)用于北方地區(qū),通過很多學(xué)者不斷試驗和研究,開發(fā)一種利用R744(CO2)/R134a 復(fù)疊系統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng),其優(yōu)勢為將差值大的壓比(從高溫/高壓到低溫/低壓)分解為兩級,低壓級工況用R744(CO2)抬高起來,高壓級工況仍用R134a供熱,這樣整個機組更好地結(jié)合,解決了僅利用單級R134a無法在低溫工況下運行的問題,相比單級效率更高,可以保證在低溫環(huán)境下,COP值和熱泵熱媒出水溫度維持在較高水平,提高了北方地區(qū)空氣源熱泵實際應(yīng)用性。

        其次,部分項目位于北方偏僻寒冷地區(qū),在常年無人值守、供電不穩(wěn)定、經(jīng)常停電和進水總硬度也偏高的情況下,如果采用空氣源熱泵直接加熱系統(tǒng),一旦停電,放置于室外的空氣源熱泵機組容易凍壞,形成較大經(jīng)濟損失,同時避免熱媒介質(zhì)對設(shè)備和管路的腐蝕和堵塞,影響供熱效果,上述地區(qū)宜采用熱泵機組內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)的間接加熱系統(tǒng)更合理,雖然CO2空氣源熱泵系統(tǒng)解決了北方寒冷地區(qū)應(yīng)用的難題,但是其大部分研究仍然基于直接加熱系統(tǒng),對間接加熱系統(tǒng)研究較少,其計算方法規(guī)范也未明確,仍有待研究。

        1.2 CO2空氣源熱泵(復(fù)疊系統(tǒng))原理

        CO2空氣源熱泵系統(tǒng)實際應(yīng)用基于逆卡諾循環(huán)原理,實現(xiàn)物質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變,在二者循環(huán)往復(fù)的過程中達到連續(xù)制熱的效果。優(yōu)化后的R744(CO2)/R134a 復(fù)疊系統(tǒng)如圖1所示,低溫部分采用R744作為工質(zhì),高溫部分為R134a工質(zhì)。與其他常規(guī)制冷劑相比,即使處在低溫,R744(CO2)的黏度也非常小,傳熱性能良好,效率衰減慢。利用R744這一獨特性,通過蒸發(fā)器吸收室外空氣的熱量,并通過蒸發(fā)冷凝器將熱量傳遞給系統(tǒng)高溫部分,高溫部分采用R134a作為工質(zhì),通過冷凝器將吸收的熱量再傳遞給用戶供采暖和生活熱水使用。

        圖1 CO2空氣源熱泵復(fù)疊系統(tǒng)原理圖

        1.3 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)缺點對比

        CO2空氣源熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵相比優(yōu)勢較明顯,但其造價偏高,具體見表1。

        表1 CO2和傳統(tǒng)空氣源熱泵優(yōu)缺點對比

        1.4 CO2空氣源熱泵復(fù)疊系統(tǒng)節(jié)能分析

        發(fā)電廠平均效率取38.7%,按長距離輸電電網(wǎng)損失10%,按冬季熱泵的COP為2.8,CO2空氣源熱泵系統(tǒng)一次利用能源利用率為0.387×0.9×2.8=97.5%;鍋爐的平均效率取為75%,考慮長距離運輸損失綜合算20%,鍋爐一次利用能源利用率為0.75×0.8=60%;燃?xì)獾钠骄蕿?0%~75%。

        按冬季COP最不利情況,CO2空氣源熱泵系統(tǒng)的能源利用率仍比鍋爐和燃?xì)飧?0%,按夏季熱泵的COP為3.5~4.0計算,CO2空氣源熱泵系統(tǒng)一次利用能源利用率為0.387×0.9×3.5~4.0=122~139%,比鍋爐和燃?xì)飧咭槐兑陨?,?jié)能效果顯著。

        2 案例分析

        2.1 項目概況

        某綜合樓位于北方某寒冷地區(qū),最冷月平均氣溫-15℃,水硬度較高且位置偏僻,供電不穩(wěn)定,經(jīng)常停電。該樓涵蓋宿舍、小型超市和健身中心等配套功能,總建筑面積6057.27m2,地上5層,建筑高度21m。熱水供應(yīng)樓層為2層~5層,共304人,每4人一間宿舍,宿舍內(nèi)有獨立衛(wèi)生間。按全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng),熱源為CO2空氣源熱泵,由于項目位置偏僻且供電不穩(wěn)定,為了防止長期停機出現(xiàn)管道結(jié)冰、凍裂現(xiàn)象和室外熱泵機組凍壞情況,同時也可以避免循環(huán)系統(tǒng)中熱媒介質(zhì)對設(shè)備、管路的腐蝕和管路堵塞結(jié)垢腐蝕后熱泵效率衰減進而影響供熱效果,因此熱泵機組采用間接加熱供水系統(tǒng),熱泵機組內(nèi)部利用乙二醇工質(zhì)循環(huán),泵房內(nèi)利用工程上常用的內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯存熱水。

        2.2 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量計算

        參考《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.1條第2款,宿舍(居室內(nèi)設(shè)置衛(wèi)生間)采用全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng),設(shè)計小時耗熱量的計算如公式(1)所示[2]。

        式中:Qh為設(shè)計小時耗熱量(kJ/h);m為用水計算人數(shù);qr為熱水用水定額(L/人·d);tr為熱水溫度(℃);C為水的比熱(kJ//kg·℃);t1為冷水溫度(℃);ρr為熱水溫度(kg /L);T為每日使用時間(h);Cγ為熱水供應(yīng)系統(tǒng)熱損失系數(shù);Kh為小時變化系數(shù)。

        綜合樓熱水定額取值按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1-1宿舍(居室內(nèi)設(shè)置衛(wèi)生間),計算見表2。

        表2 綜合樓設(shè)計小時耗熱量計算表

        2.3 CO2空氣源熱泵系統(tǒng)供熱量和貯熱水箱容積計算

        直接和間接加熱供水系統(tǒng)兩種計算方法如下所述。

        2.3.1 直接加熱供水系統(tǒng)

        無論是空氣源熱泵還是水源熱泵,在規(guī)范中對貯熱水箱容積計算和熱泵設(shè)計小時供熱量只有一種算法,即直接加熱系統(tǒng)的計算方法。按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第1款3)和第3款1),如公式(2)和公式(3)所示。

        式中:Qg為熱泵設(shè)計小時供熱(kJ/h);Vr貯熱水箱(罐)總?cè)莘e(L);k1為用水均勻性的安全系數(shù);T1為設(shè)計小時耗熱量持續(xù)時間(h);T5為熱泵機組設(shè)計工作時間(h);其他參考上式。

        根據(jù)規(guī)范《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第3款及條文說明可知,上述公式為當(dāng)水源熱泵間接換熱時采用板式水加熱器配置貯熱水箱(罐)的計算方法,由于板式水加熱外置,并不占用貯熱水箱的空間,因此,等價于貯熱水箱內(nèi)其實不含加熱盤管(將加熱盤管外置,也就是板式水加熱器)。上述公式可以理解為直接加熱系統(tǒng)貯熱水箱的計算方法。

        按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第5款6)和7),當(dāng)空氣源熱泵采用直接加熱系統(tǒng)時,可以按上述公式計算熱泵設(shè)計小時供熱量和貯熱水箱容積。Qg和Vr計算結(jié)果見表3。

        表3 直接加熱熱泵設(shè)計小時供熱量和貯熱水箱容積表

        2.3.2 間接加熱供水系統(tǒng)

        首先需要區(qū)分一個概念,用于間接水加熱系統(tǒng)內(nèi)置加熱盤管的貯熱水箱,其設(shè)計小時供熱量不等同于空氣源熱泵設(shè)計小時耗熱量,兩者計算原理有本質(zhì)區(qū)別。

        由《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.3條可知,集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中各種貯熱設(shè)備的設(shè)計小時供熱量與其貯熱體積有直接關(guān)系,可以簡單地總結(jié)為貯熱容積越大,其設(shè)計小時供熱量可以越小,例如導(dǎo)流型容積式水加熱或者與其貯熱容積相當(dāng)?shù)淖詭ПP管貯熱水箱等,其有一定貯存熱水的容積,設(shè)計小時供熱量與其貯存熱水的體積成反比;而對半容積式水加熱器,貯存熱水的容積相對較小,規(guī)范直接將設(shè)計小時供熱量等同于設(shè)計小時耗熱量,提高水加熱器供熱標(biāo)準(zhǔn);而對半即熱式和快速式水加熱器,其貯存熱水的容積更小,幾乎可以忽略不計,這時對水加熱器供熱標(biāo)準(zhǔn)更高,設(shè)計小時供熱量不僅要滿足設(shè)計小時耗熱量,更需要按設(shè)計秒流量耗熱量來取值。

        而對空氣源熱泵設(shè)計小時耗熱量,按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.7條第1款3)條,其取值是按全天耗熱量平均分配到一天中熱泵機組設(shè)計工作多少小時來控制,一般不設(shè)輔助熱源取8h~12h,設(shè)輔助熱源可以取16h。

        綜上所述,如果想求間接水加熱系統(tǒng)內(nèi)置加熱盤管的貯熱水箱容積,仍然需要知道其設(shè)計小時耗熱量。按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.3條第1款,如公式(4)所示。

        公式(4)存在一個矛盾點,即Vr貯熱水箱(罐)總?cè)莘e需要計算求得,無法通過Vr求Qg;同理,不知道Qg也無法求出Vr。在實際工程計算中,一般須先靠經(jīng)驗估算一個貯熱容積Vr,然后算出設(shè)計小時耗熱量Qg后,最后反推貯熱容積Vr,根據(jù)造價和產(chǎn)品選型最后確定相匹配的設(shè)計小時耗熱量Qg和貯熱容積Vr,這樣計算不太準(zhǔn)確。

        該文通過分析研究和查閱資料,提出一種計算方法,簡單分析如下:Qh為設(shè)計小時耗熱量,Qg為設(shè)計小時供熱量,Qh減去Qg即為單位小時內(nèi)供熱量不滿足耗熱量的部分,即單位小時需要貯存的熱量。以這些為基礎(chǔ),(Qh—Qg)·T貯應(yīng)該等于規(guī)定時間內(nèi)需要貯存的總熱量。將公式(4)引入“貯熱量”的變量變形,如公式(5)所示。

        式中:η為有效貯熱容積系數(shù);tr2為設(shè)計熱水溫度(℃);t為貯水加熱器貯存熱量的時間;其他參考上式。

        Qh和T貯如何取值可以參考《建水標(biāo)準(zhǔn)》表6.5.11來估算,以該項目為例,熱媒為≤90的熱水,選用內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯存熱水,按規(guī)范T貯最小可取90min,為了保證貯熱效果,暫定T貯取值為120min。須注意tr2為設(shè)計熱水溫度,即熱媒的出水設(shè)計溫度,采用CO2空氣源熱泵系統(tǒng),最冷月出水溫度也能維持65℃~70℃,取值結(jié)果見表4。

        表4 間接加熱設(shè)計小時供熱量和貯熱水箱容積表

        將表4參數(shù)帶入公式,內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱設(shè)計小時供熱量過程如公式(7)所示。

        內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯熱容積計算過程如公式(8)所示。

        通過對比計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)間接加熱系統(tǒng)和直接加熱系統(tǒng)貯熱容積分別為10.6m3和16.2m3。從傳統(tǒng)認(rèn)知來看,計算結(jié)果似乎不太合理,在所有參數(shù)選取一致的情況下,一般間接加熱系統(tǒng)中的加熱盤管等占用容積,比直接加熱系統(tǒng)貯熱容積更大??諝庠礋岜眠@一特殊熱源,通過對比上述公式發(fā)現(xiàn),間接系統(tǒng)貯熱容積更小的原因如下:1)間接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積用的tr2為熱媒出水溫度,采用CO2空氣源熱泵系統(tǒng),熱媒出水溫度較高;而規(guī)范中直接接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積用的tr為熱水溫度,須與熱水定額對應(yīng),只能取60℃;2)間接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積選用內(nèi)置加熱盤管的加熱水箱貯存熱水,按《建水標(biāo)準(zhǔn)》表6.5.11,熱媒≤90℃的熱水T貯最小可取90min,該項目取120min已經(jīng)較高,而直接接加熱系統(tǒng)貯熱計算容積用的T1為設(shè)計小時耗熱量持續(xù)時間,一般取2h~4h,該項目取4h,直接加熱系統(tǒng)存的熱水時間長,貯熱容積自然偏高。

        須注意,以上按《建水標(biāo)準(zhǔn)》表6.5.11計算貯熱量的算法為估算,基于不知道Qg和Vr的前提下。如果有特殊情況,Qg或Vr已提前知道其中一項,可以直接按《建水標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.3條公式計算另一個未知參數(shù),不需要用“Qh×T貯=貯熱量”估算。

        3 結(jié)論

        該文通過研究CO2空氣源熱泵應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)間接加熱供水系統(tǒng),得到如下結(jié)論:1)與傳統(tǒng)空氣源熱泵相比,CO2空氣源熱泵復(fù)疊系統(tǒng)更環(huán)保和節(jié)能,冬季0℃~-35℃環(huán)境下出水溫度依然保持在40℃~75℃,COP為2.5以上,效率更高;2)與直接加熱供水系統(tǒng)相比,基于CO2空氣源熱泵系統(tǒng)在參數(shù)選取合理的情況下,可以實現(xiàn)間接系統(tǒng)貯熱水箱容積更小;3)引入“Qh×T貯=貯熱量”的概念,為間接加熱供水系統(tǒng)水加熱器設(shè)計小時供熱量和貯熱容積提供了一種新的計算思路,適用于多種不同類型的熱媒系統(tǒng)。

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