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收藏-熱泵系統的設計選型

發布時間:2022-08-29 22:26人氣:

收藏-熱泵系統的設計選型設計選型 熱泵的正確選型基于其輸出的熱功率。該功率不是恒定的,它同樣取決于制約能效比的那些因素: 熱源溫度(供水溫度); 冷源溫度(外界氣溫);除霜次數;負荷系數。 在熱泵......

設計選型

熱泵的正確選型基于其輸出的熱功率。該功率不是恒定的,它同樣取決于制約能效比的那些因素:
熱源溫度(供水溫度);冷源溫度(外界氣溫);除霜次數;負荷系數。
在熱泵設計選型時,上面最后兩個參數的影響可以忽略,而假定都處在如下條件下:
始終要考慮到除霜這一無法控制的現象,因為它僅取決于外部空氣的溫濕度條件;
假設負荷系數等于100%,因為設計的最大熱負荷即是熱泵的最大功率。
因此,根據輸出功率隨熱源溫度(系統供水溫度)和冷源溫度(外部空氣)的變化,我們可以選擇相匹配的熱泵。
 
設計選型數據通??稍谥圃焐桃员砀窕驁D形方式提供的技術數據表中找到,每臺設備均單獨列出。不過,我們可以在圖28中泛泛地總結一下氣-水式空氣源熱泵的功率趨勢。
 
第一張圖是充注R410A制冷劑的熱泵,而第二張圖是充注R32制冷劑的熱泵。

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從圖表中不難看出,技術數據中的額定功率,一般對應外部氣溫7°C和供水溫度35°C(額定功率點:A7W35),這與設計要求的熱泵輸出功率可能會有較大區別。此外,從圖表中可以看出,使用R410A制冷劑的熱泵的輸出功率比充注R32的熱泵受外部溫度和供水溫度的影響要大得多,使用R32制冷劑的熱泵其輸出功率在-7°C以上是穩定的。

此外,在選擇氣-水式空氣源熱泵時,避免選型過度求大這一點非常重要,否則會帶來消極影響,例如:
安裝成本顯著增加 ; 效率下降 ; 高耗電。
基于這樣的原因,我們分析一下三種可能的熱泵選型方法,介紹它們的優勢、可能的風險和降低風險的策略。
 
根據設計數據選型
根據建筑物的設計條件所需熱功率來選擇熱泵。
首先需要分析熱泵的功率曲線(來自制造商提供的表格或圖表)并選擇功率大于或等于設計要求的熱泵。
這樣的選型方法最為保守,可能會導致熱泵選型過大,在商業用途上尤為突出。

以使用 R410A  (圖 29)的熱泵的功率曲線和下面的建筑設計數據為例 :

所需熱功率 = 6.5 kW
室外溫度 = -7 °C

得出可以選擇額定功率為9 kW的熱泵。而實際上,額定功率為7 kW的熱泵設計選型有點低。

 

與相同設計數據匹配,如果使用R32制冷劑的熱泵(圖 30),可以選擇額定功率為7 kW的熱泵,規格比使用 R410A制冷劑的熱泵低。

 

家用規格的熱泵從一個功率過渡到另一功率會對其耗電量和電氣系統的成本產生很大影響。如果設計條件正處于兩個不同功率大小的中間位(如圖29中),建議評估不同的選型方法,考慮建筑物的實際功率曲線或熱容量。 

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根據所需的實際功率曲線選型

 

在住宅的實際耗熱中,有一部分能量不是由供暖系統提供的,而是來自家電和照明的正常使用、居住成員以及陽光照射。這些免費的熱負荷解釋了圖31中實際功率曲線與建筑物所需的理論功率曲線之間的差異。

 

在設計條件下,免費熱源的貢獻非常有限(主要是因為與陽光照射有關的部分大幅減少),不過評估范圍在0.5至1.5kW內。如果把免費熱源考慮在內,可以根據實際熱功率 (P REALE ) 選型,即設計功率(P PROGETTO ) 減去屆時條件下的免費熱源 (P GRATUITA ) 。

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此類選型中,最好有一個附助電加熱:在沒有免費熱能(內部熱源)的情況下,可以通過打開電加熱來補充熱泵功率。如果用的很少,這種以備不時之需的技巧不會影響電氣系統。因此,重要的是不要對免費能源的貢獻寄予過高期望,要盡量限制緊急電加熱的干預,因為干預的能源成本高(COP = 1),對供暖系統的整體性能有不利影響。

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考慮熱容量的設計選型

 

這種方法比以前的更先進,它是基于這樣的觀念:現代或最近翻新住宅熱惰性高,因為屋頂和墻體的保溫措施更好,室內熱量散發更慢。

 

建筑結構的熱惰性與電池效果類似:在較熱時段里,建筑內會將系統提供的熱量積蓄起來,然后在較冷時段里釋放出來。通過這種方式可減少熱泵所需最大功率而獲得一種功率峰值阻尼效應。

 

圖32說明了典型的惰性效應,模擬了一周內所需功率的趨勢,室外溫度與設計溫度(最低-7°C)相當。

 

曲線顯示出住宅內溫度為20°C±0.5°C所需功率趨勢,分別對比低惰性住宅和高熱惰性住宅??梢钥吹?,低惰性住宅(僅需要6.5 kW功率)的熱泵所需的峰值功率與設計相當;而在具有高熱惰性住宅中,熱泵所需功率減少了15%。

 

根據圍護結構熱容量設計選型是動態的,須借助適當計算軟件,考慮到建筑圍護結構隨著室外溫度和其供暖系統變化時的表現。

 

這種選型方法主要用于優化高能效住宅中的系統計算。對于持續供暖的系統,這種方法很有效。事實上,如果系統在夜間關閉(例如辦公樓),建筑物本身惰性功率峰值阻尼效應會顯著降低。

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運行參數

除了熱源,系統中所有元件都需要正確地選型。因此,了解和評估諸如流量和供水溫度等主要運行參數非常重要。

流量

額定流量通常是指蒸發器進出口之間平均溫差約5℃時的流量。

最大允許流量是最小溫差約3℃時的流量,而最小流量對應的則是最大溫差約8℃時的流量。

如果流量不足(低于最小流量),蒸發溫度過低,這種情況會導致安全裝置的干預和熱泵停機,蒸發器可能會結冰,從而導致制冷回路出現嚴重故障。

水流開關可以驗證系統內最小循環流量:當低于制造商所示限制時,裝置會向設備發出警報,停止運行以避免可能的損壞。

運行溫度

在供暖模式下,熱泵的最佳運行溫度通常在 35°C 系統側)生活熱水的供應則在 50到60°C 。需要隨時考慮的是熱泵效率,所需溫度越高,其能效比越低。

因此,必須在設備熱水生產溫度(應盡可能低)和終端所需供水溫度(應盡可能高)之間找到折衷方案。有時有必要設計更大的散熱系統,以便其以低于額定供水溫度運行。要綜合考慮的是在增加的額外成本、制熱效率和與最高運行溫度方面的物理限制之間找到折衷方案。

此外,雖然可以降低技術用水的生產溫度,來提高設備性能,但要同時考慮到使用低于標準溫度的末端可能帶來的舒適度損失。例如對于風機盤管,建議在輸送溫度高于40°C情況下工作,以免影響舒適度:否則,人的皮膚會有冷感(人體溫度約在36°C)。

在制冷模式下,通常產生的冷水最低溫度為 7°C 。但是,在某些特殊的系統內,產生的技術用水還可以達到5°C。

夏季,制冷產生的冷水溫度越低,設備制冷效率 (EER) 就越低,與冬季情況類似。制造商對設備有可以達到的物理溫度上的限制,這是為了避免制冷裝置的交換器結冰。通過將乙二醇與水混合來,改變流體的熱性能,就可以克服這一障礙。而把制冷系統與除濕機結合使用,比如輻射制冷系統,可以使供水溫度提高到 15–18°C  。

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除霜循環 
 
在氣-水式熱泵中,特定運行條件下,蒸發器中的制冷劑氣體比外部空氣低10-15°C。當設備在制熱模式下運行時,蒸發器從空氣中吸取熱量,當溫度降至露點以下時,與盤管接觸的潮濕空氣會發生冷凝。
溫度在 -5 °C和+7 °C之間會出現冷凝霜:這種現象會顯著減少通過設備換熱單元的空氣流量,從而導致運行受限。隨著設備繼續運行,熱泵性能顯著降低,但耗電卻沒有降低。
此外,空氣濕度越大,結霜越多。
要使熱泵繼續高效運行,必須定期除霜。在除霜過程中,制冷劑循環通過四通換向閥暫時逆轉,讓熱泵從制熱模式切換到制冷模式。暫時將系統水的熱量引導至蒸發器(與外部空氣換熱單元)。因此,在除霜期間,必須保證熱泵在系統一定水容量下的最小流量。這些參數始終由制造商提供。
要開啟除霜,熱泵會通過以下方式自動檢測室外單元的凍結狀態:
 
計時器,根據傳感器測量的外部溫度,以固定的時間間隔逆向循環。
更精細的控制系統,監控外部空氣流量和溫度以及蒸發器的精確狀態(冷凍狀態)。

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第二種方法最有效,因為它避免了不必要的除霜。但是,一些制造商更喜歡前者,因為它實施起來更簡單且成本更低。

除霜時,化霜產生的水從室外機底部排水管排出;因此,最好通過排水和集水系統來防止凍結??梢杂脦щ娂訜岬氖占P,或將排水管直接排入下水道。最后還可以通過一層礫石排水,地面與設備之間保持最小距離(圖35)。

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除霜會對熱泵性能帶來不利影響,因為冷媒循環部分功率用于外部單元除霜,而不是傳輸到流體中。事實上,與額定性能相比,除霜過程會導致:

 

能效比降低;

熱功率下降。

 

外部單元結冰條件(外部溫度低和絕對濕度高)出現越頻繁,這兩種現象就越明顯。令這兩個因素雪上加霜的最糟糕組合在-4°C和+4°C溫度范圍內。

除霜現象也屬無奈,因為它僅取決于外部空氣的溫濕度條件。但是,在熱泵的選擇和選型時應考慮到這一點,特別是當外部空氣的設計溫度恰好在處于受這種現象影響最大的范圍內時。為此,制造商在技術資料中給出了包括除霜循環的熱泵性能圖表。

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除霜循環的熱能從何而來?

除霜循環需要一定熱能,根據不同的系統,熱能可以來自用戶供熱回路或緩沖罐。

高惰性系統

如果系統具備足夠熱惰性,可以暫時冷卻管道中的水,保持設備良好運行而不會降低用戶的舒適度(圖37)。

設計上需要讓一部分供熱系統回路始終處于運行狀態。例如,在小型住所如兩居室,最好通過開關熱泵直接調節系統,而無需在設備和散熱終端之間有任何調節或截止裝置(如地板輻射回路的熱電閥控制)。

低惰性系統

在低熱惰性系統(例如風機盤管系統)或可用流量低于制造商要求的最小流量時,必須將一次系統(熱泵的)通過旁通閥或水力分壓器(圖37)與二次系統(用戶供暖回路)分離開來。

如果使用的是旁通閥,則必須在主回路的回水上加一個緩沖罐。也可以連接緩沖罐作為水力分壓器。后一種方案在利用儲熱除霜模式下可以保證環境連續供熱。

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生活熱水生產

 

熱泵通常沒有足夠的功率實現即熱式生活熱水。因此,必須通過儲熱形式生產熱水。由于物理限制以及避免熱泵效率過低,熱泵在衛浴熱水生產過程中的供水溫度不能太高,這在設計時都必須給予特別注意。與鍋爐相比,熱泵配備的儲熱水箱容量更大且換熱面積更大。它還必須能夠滿足高峰段生活熱水的全部需求,因為熱泵可用功率有限,儲水罐再次儲熱需要更長時間。
 
儲水量要充足,儲水溫度在45°C和50°C之間。需要注意的是,熱泵所需溫度每增加一度,效率就會降低約3%。 
 
相對于鍋爐配套的換熱器,熱泵換熱器的設計選型規格要大,以限制衛浴熱水溫度與熱泵出水溫度間的差異。規格偏小的換熱器會導致儲熱水箱加載時間過長,供暖停止時間更長。
 
儲熱水箱保溫要好,盡可能減少熱損失以確保大幅節省運營成本。
 
通常,儲熱水箱采用面積較大的換熱盤管,熱泵的一次熱量通過盤管將儲熱水箱加熱到舒適溫度,或者使用輔助電加熱達到更高溫度。儲熱水箱可以是外置的,也可以集成在熱泵模塊上。
 
還有一些型號的熱泵,為了進一步優化熱交換,使用了技術儲水和外部板式交換器來生產即熱式生活熱水。熱量不儲存在生活水系統中,而是儲存在技術用水水箱中,溫度分層保證了衛浴熱水的生產。使用這種解決方案,衛生用水通過不銹鋼板換即時加熱,保障了用水衛生無污染。
 
衛浴熱水生產通過一個三通閥將水從系統中分流。三通閥由熱泵控制,因為設備除了操作分流外,必須提高輸送溫度而且,如果它正在制冷狀態就要逆向循環。當衛浴熱水的生產由外部儲熱水箱控制時,分流可以通過設備內部或外部的三通閥。無論如何,分流閥都由熱泵電子設備控制,通過合適的溫感檢測水箱溫度。

 

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最后,在某些應用中,將生活熱水的生產與供暖分離更加合適。這種情況可能發生在:翻新改造中,原來就有集中或獨立的生活熱水供水系統,或熱泵沒有熱水功能(例如氣-氣式)。在這些情況下,可以考慮氣-水式熱泵熱水器。

 

熱泵熱水器通過兩個通往外部的管道(進氣和排氣)工作,或者從環境空氣中吸氣,然后通過管道排到外部。還有一些型號配備有內外機(兩部分)。

 

氣-水式熱泵熱水器雖然采購成本較高,但可以避免熱泵在制冷功能時由冷轉熱,從而提高設備性能。

 

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