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低温气 侯为什么需要使用辅助能源

文字:[大][中][小] 2015-4-3    浏览次数:402    

  热泵热 水机搬运能量的多少决定着热泵产品的经济性能。一定能 耗时空气源热泵热水机搬运的能量越多,节能效果就越好,经济价值就越大。反之,如果空 气能产品在一定能耗时获得的热能很少,甚至没 有直接用电加热产生的能量多,那么这 样的产品没有节能价值,也就没 有什么经济价值了。我们用性能参数(俗称“能效比”)的数值 来衡量这个产品的能效。

  许多宣 传空气源热泵不用辅助电加热的人强调:热泵的“能效比”超过1,比电加热高很多,要节能 当然就不能用电加热。于是,一方面 那些不用电加热的热泵热水机冬季故障不断,另一方面,许多厂商和经销商在“悄悄”使用着辅助电加热。

  在此,本文想 从技术层面为热泵配备辅助电加热正名,并且理直气壮地提出:热泵热 水机欲成为成熟的全面推广的产品,离不开 辅助热源的支持,辅助电 加热是使用方便的清洁能源,自然是 系统配套辅助热源的首选对象之一。实际上,在热泵型空调系统中,采用电 加热作为补充能源几乎成为常规配置,并没有 见到多少客户或者专家学者提议取消这个配置。

  配备辅 助热源的理由有三:    

  理由一:低温气 侯中空气源热泵制热量不足,往往无 法保证热水需求。

  空气源 热泵制热量与能效比都会随着环境温度的降低而下降。环境温度20℃时制热量17.2kW(冷热水温差40度),到了环境温度5℃时制热量降为11.23kW(冷热水温差51度),比20℃的数值降低了1/3左右;到了环境温度-5℃时制热量降为5.75kW(冷热水温差51度),比20℃的数值降低了2/3左右。相关测试数据表明,即使是 采用优化电机性能曲线、补气增焓、变频等 改善压缩机的手段,与名义工况相比,空气源 热泵机组冬季制热量依旧会有一半以上的衰减。且气温越低,制热量越少。

  另一方面,热水使用的常规是,环境温度降低,自来水温度降低,冬季热 水使用量往往会比春秋季多使用1/4以上。 如果按 照满足冬季极端情况下-5℃时的热水负荷、空气源热泵热水系统24小时连续工作来设计,那么,春秋天 的机组工作时间往往还不到6个小时,而每天 热水供应量与热泵机组的配置比需要达到1吨水配置2匹高能效热泵机组。囿于工程人员经验、市场竞 争和投资回报期等方面因素,目前国内95%以上的 热水工程无法做到这一点。

  并且,哪怕能够保证-5℃时的热水供应,遇到特 殊情况气温更低或者热水使用量超量,1吨水配置2匹高能 效热泵机组的配置还是显得不足的。如何处理此矛盾呢?我们还 是应该从工程设计思路中找答案。

  集中热 水工程设计有两种方法:一种是 冬季极限负荷法,要求设 计的热水系统能够保证冬季极端气候状况下的热水负荷需要。另一种 是冬季平均负荷法,要求设 计的热水系统能够保证冬季平均气候条件下的热水负荷需要,在无法 保证热水负荷的低温气候下,该热水 系统通过配备其他热源的方法保证需求。很显然,一般情况下,冬季极 限负荷法设计的系统要比冬季平均负荷法的热泵选型要大,成本要高,节能效果也会好一些。

  无论如何设计,热源供 热量要能够保证热水的需求。如果系 统中制热量不足,那么谈 能效比已经没有价值,虽然环境温度-5℃时系统 能效比还可以达到1.5,但如果 制热量无法满足把水制热的需求,就难免出现“水温上不去”、“省电不省钱”、“冬天没法用”这样恶劣的后果,客户如何满意呢。

  理由二:低温气 候中压缩机常常超极限运行,长期如 此将缩短机器寿命。

  常规空 调压缩机的温度工作范围比较窄,热泵热 水机工作的温度范围要大很多,所以,用空调 压缩机制造热泵热水机就会超极限运行。有销量 的经销商都知道,热泵热 水机在冬季最容易坏压缩机。冬季压 缩机损坏主要有以下几种原因:

  1、电机卷线温度过高

  不同电 机有不同的性能曲线,压缩机 一般在最佳的一段电机性能范围中运行,在此范围内,电机效率高,电机卷线温度低,一般不超过120℃。但如图十所示,水温55℃时,当干/湿球温度为43℃/26℃时,空调压 缩机卷线温度达到125℃以上,当干/湿球温度为-7℃/-8℃时,空调压 缩机卷线温度达到134℃左右。卷线温 度过高带来的问题常常是致命的:一方面 润滑油黏度降低,压缩机润滑状态恶化,严重情 况下导致润滑油碳化,压缩机卡壳;另一方 面电机卷线漆包线、绝缘材料高温老化,容易直 接造成电机短路、压缩机烧毁。

  2、过热度 差引起的液击故障

  压缩机 吸气口前面带有一个汽液分离器,用以将 管道中的液体沉淀下去,保证压 缩机吸的都是气体。同时,技术上 提出了一个过热度的概念,把压缩 机吸气管中冷媒的温度与翅片管换热器中冷媒蒸发温度的差值定义为过热度,要求系 统运行过程中有一定的过热度,保证压 缩机不会因吸进液体冷媒而产生液击叶片的故障。在不合 理的热泵系统中,夏季过热度特别高,而冬季过热度为负值,液体冷媒混入压缩机,这就很 容易产生液击故障,导致压 缩机工作能力下降,噪音增大,甚至直接报废。

  3、润滑油 中溶解冷媒过多

  常规空调系统中,润滑油 和冷媒的充注量在一定范围内相对稳定,所以润 滑油中的冷媒溶解度也比较容易确定。在水箱 内或者内胆外壁缠绕铜管的热泵热水器系统中,由于在 热泵停机期间水箱侧管道温度高,冷媒自 然向低温侧流动,压缩机 往往成为积蓄液态冷媒比较多的地方,客观上 造成了润滑油中液态冷媒溶解量过大、润滑油被稀释的现象,带来再 次启动过程中润滑油失效的问题。

  理由三:合理开 启辅助能源不仅不会降低系统能效,反而可 以提高热水供应量。

  对于循 环加热式热泵热水机而言,整体性 能参数是各个时段瞬间性能参数的叠加,分析瞬 间性能参数的规律和发展变化有助于进一步全面了解整体性能参数。前文中 给出不同环境温度下整体性能参数的数值,其中环境温度-5℃时的数值是1.5;前文中 给出了环境温度-5℃时50℃水加热 的瞬间性能参数是0.7。这表明 整体性能系数的数值的高低并不能说明系统运行过程中每一个瞬间性能系数的大小。    

  进水温度越高,瞬即性能参数越低。当进水温度高于43℃时热泵 瞬间性能参数值均低于1,且越来越低,这种情况下,43℃-55℃范围内 热泵的整体性能参数肯定是小于1的。如果把43℃以上的 部分不用热泵制热,而采用 辅助电加热工作,43℃-55℃范围内 系统性能参数不会低于热泵相应过程的性能参数值。

  -3℃时热泵热水机将水由9℃加热到55℃的整体性能参数值是2.2,这个整 体性能参数值是由各个时段瞬间性能参数值叠加而来的,可以将 此叠加过程分为两个阶段:高能效阶段(9℃-43℃)和低能效阶段(43℃-55℃),如果低 能效阶段不用热泵来制热而采用辅助电加热,只要辅 助电加热加热过程的性能参数不低于低能效阶段热泵加热的性能参数,那么,整个“热泵+辅助电加热”制热水 的整体性能参数就不会低于单独热泵工作的整体性能参数。

  用辅助 电加热来替代热泵热水机完成低能效阶段的加热过程的优点是显而易见的:

  1、热泵此 时单位制热量太小,制热水速度太慢,不利于 保证热水供应速度。采用电 加热辅助时可以适当配置功率较大的电加热设备,从而可 以在不降低系统整体能效比的情况下提高热水供应速度。(此时电 加热的功率大小与性能参数无直接关系)

  2、热泵此 阶段的工作过程已经偏离其最佳出力范围,工作效率低,使用寿命短,减少其 在此阶段的工作运行过程,可以更 加有效地保证产品运行寿命。

  3、通过配 置功率较大的电加热设备,提高热水供应速度,可以适 当减少热泵机组配比,降低工程造价,有利于 热泵产品的市场推广。

  可能有人会问:配置多 大的辅助电加热为合适?是否辅 助电加热越大越好?如何保 证电加热仅在低能效阶段运行而不是全程运行呢?一次加 热式的热泵热水系统能否添加电加热辅助呢?如何保 证系统中的水是有序的由高能效部分变为低能效部分而不是总是在低能效部分反复呢?这些有 关热泵系统优化的问题且另作论述。

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