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熱泵循環(huán)圖系統(tǒng)的水溫不穩(wěn)定?三種工程設(shè)計(jì)方式搞定_空氣能選哪個(gè)牌子好

空氣能網(wǎng)8個(gè)月前 (10-22)空氣能資訊12
常規(guī)的熱水設(shè)備包括熱水鍋爐、熱水管網(wǎng)二次換熱設(shè)備、電熱水器等。大中型的熱水系統(tǒng)都是蓄熱式系統(tǒng),都是通過水泵循環(huán)將熱量從熱源設(shè)備中轉(zhuǎn)移到蓄熱水箱中,直到水被加熱到設(shè)定溫度為止。一般情況下,除了太陽能設(shè)備通過溫差控制循環(huán)水泵間斷性開停之外,常規(guī)的熱水設(shè)備都是具有較快的熱交換速度,水泵持續(xù)運(yùn)行,能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到制熱水的要求。

具體管路連接方式見圖十四。

冷水常常直接從蓄熱水箱頂部補(bǔ)入,熱水出水從水箱底部接出。

一、常規(guī)單水箱循環(huán)加熱的弊端

循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)組加熱過程與常規(guī)的熱源設(shè)備相仿,需要通過水泵強(qiáng)制循環(huán)將熱能傳遞到蓄熱水箱的水中,此種加熱方法與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)比較一致,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰,控制簡單,便于掌握。所以目前以采用這種配置方式的熱泵熱水工程居多。但如果按照?qǐng)D十四的方式來設(shè)計(jì)熱泵熱水系統(tǒng),到了用水高峰時(shí)段或者到了冬季,系統(tǒng)有效供熱水量往往無法達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,不能滿足客戶的用水需求,客觀上導(dǎo)致“熱泵制熱水有問題”的現(xiàn)象。具體分析有以下兩個(gè)方面原因。

1、熱泵機(jī)組的單位制熱量較小,即熱性能差:因?yàn)樾枰?a target="_blank" href="http://fdbearing.cn/tags-1.html">空氣能源不斷積蓄熱能,所以熱泵設(shè)計(jì)的極限制熱能力往往是按照一天15個(gè)小時(shí)左右或者更長的工作時(shí)間為基礎(chǔ)的。而除了太陽能之外,常規(guī)鍋爐的制熱量主要與能源使用量相關(guān),單位制熱能力往往比空氣源熱泵要高得多,這樣,如果空氣源熱泵不能在高峰用水時(shí)段之前完成足夠的蓄能過程,試圖在用水過程中完成熱水的及時(shí)供給幾乎是不可能的。

2、冷熱水直接混合造成水溫忽低忽高:當(dāng)冷水直接由水箱頂部補(bǔ)入保溫水箱時(shí),必然會(huì)帶來整箱水的混合以及水溫的降低,因?yàn)闊岜弥茻崴俣认鄬?duì)較慢,水箱出水溫度必然會(huì)降低。一般來說,用水量越大,冷水補(bǔ)水后的出水溫度越低;冷水溫度越低,冷水補(bǔ)水后的出水溫度越低;制熱速度越慢,冷水補(bǔ)水后的出水溫度越低。所以單水箱熱泵熱水系統(tǒng)冬季混水問題比夏季嚴(yán)重的多。

當(dāng)然,上述情況也不是一概而論的。對(duì)于簡單的單一時(shí)段的定時(shí)供水、定時(shí)補(bǔ)水的熱水系統(tǒng),單水箱循環(huán)制熱水可以滿足用戶的使用需求。本文重點(diǎn)探討24小時(shí)恒溫供熱水的熱泵熱水系統(tǒng)。

為了改進(jìn)這種冷熱水混合造成實(shí)際用水量不足的情況,技術(shù)人員提出了多種解決方案和優(yōu)化措施。簡單可以分為以下幾種:

二、優(yōu)化水箱進(jìn)出水口設(shè)計(jì)與補(bǔ)水溫度控制

解決冷熱水混合問題的最簡單思路是優(yōu)化水箱進(jìn)出口設(shè)計(jì),同時(shí)控制補(bǔ)水溫度來保證用水舒適性。

1、冷水補(bǔ)水口下移。冷水從水箱底部補(bǔ)水,解決冷熱水直接混合的問題,便于實(shí)現(xiàn)水溫分層。

2、熱水供水口上移。熱水取水口移動(dòng)到水箱中上部,增加浮球取水裝置,保證出水口取用水箱上層高溫的熱水。

基本原理見圖十五。

3、熱泵循環(huán)口布置在水箱底部。熱泵的循環(huán)口布置在水箱底部的兩側(cè),盡量減少熱泵循環(huán)制熱過程中上下水溫的混合。

4、控制補(bǔ)水溫度,當(dāng)水溫低于42度時(shí)停止補(bǔ)水。保證用戶正常用水。但水溫高低不同時(shí)熱泵制熱量是有差別:前文圖二中給出了不同初始水溫的熱泵性能系數(shù)曲線,當(dāng)初始水溫為15℃時(shí),將水加熱到55℃的整體性能系數(shù)為4.07,而當(dāng)初始水溫為35℃時(shí),相應(yīng)整體性能系數(shù)則降為3.3。圖十六給出對(duì)應(yīng)的不同水溫時(shí)瞬間制熱量的曲線,由曲線我們可以看到,20℃時(shí)瞬間制熱量為18.8KW,45℃時(shí)瞬間制熱量降為13.8KW,有25%以上的降幅,所以,采用控制補(bǔ)水溫度的系統(tǒng),熱水實(shí)際供應(yīng)量也會(huì)有超過25%的下降。

三、增加一個(gè)預(yù)熱水箱,變?yōu)殡p水箱系統(tǒng)

控制補(bǔ)水溫度來實(shí)現(xiàn)用水舒適性是以犧牲能效為代價(jià)的。另外,為了要將整箱水加熱到設(shè)定溫度,循環(huán)制熱水的熱泵機(jī)組最終的出水溫度常常要超過設(shè)定溫度3-5度,而這樣高水溫狀態(tài)下熱泵工作效率是很低的。

于是,為了有效提高熱泵熱水系統(tǒng)的能效,減少熱泵熱水機(jī)在中高水溫中運(yùn)行時(shí)間,有了預(yù)熱式定溫出水雙水相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案:基本原理見圖十七,系統(tǒng)采用了一個(gè)容積較小的輔熱水箱來保證熱泵設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn):當(dāng)輔熱水箱中水溫較低、熱泵出口管路中水溫沒有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),三通閥A向?qū)˙向關(guān)閉,確保輔熱水箱中的水被循環(huán)加熱;當(dāng)輔熱水箱中水溫較高、熱泵出口管路中水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),三通閥A向關(guān)閉B向?qū)?,熱泵出來的水直接進(jìn)入蓄熱水箱。這樣循環(huán)工作,直到蓄熱水箱中的水達(dá)到設(shè)定水位為止。

預(yù)熱式循環(huán)制熱系統(tǒng)中,熱泵運(yùn)行時(shí)一方面由于出水溫度有所降低,熱泵的冷凝溫度和冷凝壓力也相應(yīng)降低,提高熱泵系統(tǒng)的效率,延長壓縮機(jī)使用壽命,另一方面達(dá)到設(shè)定溫度后熱泵出來的熱水可以直接進(jìn)入蓄熱水箱,減少了冷熱水混合所的熱損失,所以,雙箱預(yù)熱式定溫?zé)崴到y(tǒng)是比較節(jié)能高效的。

但對(duì)于有回水保溫的熱水系統(tǒng)而言,蓄熱水箱中水溫會(huì)因?yàn)榛厮苈分械牡蜏鼗厮粩嘟档?,甚至低到無法使用。為此,蓄熱水箱需要增加保溫的制熱裝置,或者在熱泵循環(huán)管路中增加三通換向閥,通過三通閥的切換,用預(yù)熱系統(tǒng)的熱泵來直接為蓄熱水箱制熱保溫。

四、采用一次加熱式機(jī)組,將冷水加熱后補(bǔ)入水箱

國標(biāo)GB21362-2008定義一次加熱式熱水機(jī)為:使用側(cè)進(jìn)水流過熱泵熱水機(jī)一次就達(dá)到設(shè)定終止溫度的熱水機(jī)。利用這種機(jī)型,如圖十八,熱泵熱水系統(tǒng)可以方便的將冷水制熱后放入水箱,保證水箱中的水都是熱水,冷熱水不會(huì)混合,補(bǔ)水特別方便;另外,一次加熱式熱泵機(jī)組的冷凝溫度和冷凝壓力比較低,熱泵的出水溫度與系統(tǒng)的冷凝溫度基本相等,增強(qiáng)熱泵機(jī)組的可靠壽命。

一次加熱式熱水機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)在于流量調(diào)節(jié)。為了保證不同環(huán)境溫度、不同進(jìn)水溫度時(shí)熱泵出水溫度的穩(wěn)定性,選擇合適的流量調(diào)節(jié)閥,設(shè)計(jì)合適的控制邏輯,對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。目前主要有兩種方案:一種是直接通過出水溫度來反饋水流量的大小,發(fā)出脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)流量閥的開度,保證出水溫度的穩(wěn)定性。另外一種思路是通過出水溫度與冷凝溫度、冷凝壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過冷凝壓力的反饋來調(diào)節(jié)流量閥的開度,實(shí)現(xiàn)出水溫度恒定。無論哪種調(diào)節(jié)方法,都需要解決特殊情況下流量調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定問題,避免出水溫度的反復(fù)震蕩,同時(shí)需要解決閥體反復(fù)啟閉動(dòng)作的可靠性,保證長期可靠運(yùn)行。

一次加熱式熱泵熱水機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很明顯,但一次加熱式熱水機(jī)并不能“包治百病”,具體問題還是需要具體分析:

1、蓄熱水箱的循環(huán)保溫:蓄熱水箱水溫降低時(shí),需要制熱保溫。在一次加熱式機(jī)組中增加循環(huán)加熱功能,通過同一個(gè)機(jī)組實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水加熱和循環(huán)保溫加熱,可以提高機(jī)組使用效率,簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),如圖十八所示。因?yàn)檠h(huán)加熱機(jī)組與一次加熱機(jī)組的設(shè)計(jì)要求不一致,為了保證兩者兼容,需要做全面的系統(tǒng)優(yōu)化和性能測試,保證產(chǎn)品能效。

2、低溫氣候中補(bǔ)水速度衰減:無論是以一次加熱式熱水機(jī)還是循環(huán)加熱式熱水機(jī),低溫氣候下制熱量的衰減規(guī)律是相似的,如果循環(huán)制熱式機(jī)組配置不足的話,其現(xiàn)象是水溫升不高;如果一次加熱式機(jī)組配置不足的話,其現(xiàn)象將是熱水不夠用,水箱中水被用光。為了解決低溫補(bǔ)水速度衰減問題,設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中需要匹配足夠匹數(shù)的一次加熱式熱水機(jī),同時(shí)預(yù)留輔助加熱裝置,以備氣溫惡化、提高出水量之需。

3、太陽能系統(tǒng)配套工程中,一次加熱式熱水機(jī)在能效和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面不一定有什么優(yōu)勢。采用24小時(shí)恒溫供水的太陽能熱水系統(tǒng)一般采用雙水箱系統(tǒng),用太陽能集熱器對(duì)預(yù)熱水箱中的水進(jìn)行預(yù)熱,用空氣源熱泵機(jī)組對(duì)蓄熱水箱進(jìn)行二次加熱和保溫。由于太陽能預(yù)熱水溫的不確定性,采用一次加熱式熱水機(jī)直接對(duì)預(yù)熱水箱中水進(jìn)行二次加熱有一定技術(shù)難度,一般采用循環(huán)加熱式熱水機(jī)結(jié)合控溫補(bǔ)水來實(shí)現(xiàn)蓄熱水箱的工作過程。

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