严寒地区CO2 空气源热泵机组供暖设计及能耗分析

刘洋

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院,黑龙江 哈尔滨150006）

普通的空气源热泵在严寒地区使用时,容易出现能效比降低以及结霜现象,对其推广应用造成了阻碍。本文提出的一种使用CO2作为空气源的热泵供暖方案,配合使用辅助电加热设备,可以在零下20℃的环境下正常运行,且运行监测表明供热正常、能耗较低,未出现蒸发器结霜现象。试验表明,在北方严寒地区,基于CO2空气源热泵机组的供暖系统具有良好的应用效果。

1 CO2 空气源热泵供暖系统设计

1.1 系统设计方案

某工业厂房所在城市属于严寒地区,冬季最低气温可达-21.5℃。传统冷媒空气源热泵在实际应用过程中,因为外界温度较低会造成效率明显降低,因此该工业厂房决定使用CO2空气源热泵代替传统设备进行供暖。新供暖系统主要涵盖了3 个模块,分别是CO2空气源热泵机组,封闭式水循环模块,以及柔性布袋送风模块。整个供暖系统均由一台工业PLC 进行全面控制。该系统共计6 条风道,其中5 条为普通风道,1 条为CO2风道。在循环水箱内安装1 台额定功率为180kW 的辅助电加热装置。配合测温元件,当寒冷天气下温度降低至0℃以下后,由系统控制电加热装置提供热量,避免低温结霜或是冻坏设备。

1.2 CO2 空气源热泵机组

该系统中选用的热源设备是辽宁海安鑫机械设备公司生产的80CY 型号的CO2空气源热泵,整个系统中共计6 台。该设备在10℃以上环境中,制热量为60kW；在-10℃以下的环境中,制热量为30kW。另外严寒环境下还必须考虑因为低温导致的效率损失,以5%的融霜系数计算,单台空气源热泵的制热量为28.5kW。在设备的具体组成上,核心元件有转子压缩机、蒸发器、轴流风机、油分离器、过滤器等。空气源热泵采用采用螺丝固定的方式,两台为一组,固定在钢质底座上。两台设备共用一条排气管,在排气管的一侧有一条排水管,负责将空气源热泵排出的热水输入到循环水箱中,实现循环流动。为了避免在低温情况下出现结霜的现象,该系统中采用“压缩机+蒸发器”组合的方式,自动调控换热管温度,这样就可以减少换热管与外界环境之间的温度差,达到融霜效果。融霜产生的水汇集到底部的集水槽,最后集中处理。

1.3 末端散热设备

供暖系统中的末端散热设备采用吊顶式空调机组,为了保证散热效果,同时安装2 台空调机,主机的风量为10000m3/h,副机的风量为6000m3/h。在末端设备的出口处,连接一条柔性布袋风道,可以根据系统的实际运行情况,灵活调节送风口的开闭程 度来改变送风量。整个末端散热设备共有6 条风道,其中1-5#条为常规风道,6#为CO2风道,具体设计指标如表1 所示。

表1 不同风道的基本指标

2 运行监测与分析

2.1 CO2 空气源热泵机组运行状态监测

在启动运行时,在变频控制器的作用下,6 台机组按照次序相继投入运行。试验时间为7 天,采用7×24h 监测模式,观察试验周期内是否发生运行问题。运行期间改变环境温度,调节范围从-15℃-10℃。监测数据表明,在最低温度下排气压力为7.7MPa,出水温度是52℃；在最高温度下排气压力为9.6MPa,出水温度是66℃。试验过程中发现蒸发器有轻微结霜现象,但是很快融化,融霜时间为8-12 分钟。另外,监测还发现排气管有不同程度的振动情况,与外界温度有一定的关联。分析认为,当温度较低时,压缩机运行功率较高,产生共振导致排气管的振动频率增加。采取减震措施后,排气管振动情况得到明显改善。

2.2 送风温度与风速监测

试验中选择了DT8897 温度风速仪,T 型热电偶,以及一台大容量的数据存储设备。在正式开展试验前,技术人员需要对各台设备进行校正,以消除测量误差。选择系统中的2#、4#和6#管道分别开展测量,结果表明：在出水温度相同的情况下,随着风速的降低,送风温度也呈现出下降趋势。以4#管为例,实际检测数据如表2 所示。

表2 4#送风温度与风速监测结果

2.3 送风温度与风速分析

结合表2 中4#管道的监测数据,在送风管道的0m 处（即管道与送风口相接部位）,风管芯部的实际温度要比出水温度低3-4℃；随着送风管道长度的增加,在距离送风口5m 处时,出水温度为40℃的情况下,芯部温度只有30.5℃；在距离送风口20m 处,芯部温度只有22.8℃。风管长度越长的情况下,风速也会相应的减小,送风温度相应的降低。并且送风温度与风速的对应关系,还会受到出水温度和监测位置的影响。例如,在出水温度相同的情况下,工位温度随着风速的减小,送风温度更低；在监测位置相同的情况下,出水温度越高,则风速衰减对送风温度变化的影响较小。

3 严寒地区CO2 空气源热泵供暖系统应用的能耗分析

3.1 建筑模型参数设置

3.2 能耗分析

当系统的外设温度检测仪检测到环境温度低于10℃时,后台PLC 将根据温度检测仪反馈的信号自动发出启动指令,空气源热泵运行并开始进行供暖。室外空气温度与建筑热负荷、热泵制热量的关系如图1 所示。

图1 不同室温下热负荷与制热量的变化

从图1 可以发现,随着室外温度逐渐上升,建筑热负荷相应的减小,并且两者呈明显的线性关系；相反,热泵制热量则稳步上升,两条线在-4℃的时候出现了交点,此时即为制热量与热负荷的平衡点。以该点为分界线,如果制热量超过热负荷,则说明热泵供热能力超出建筑使用需求,此时会出现能源浪费的情况。如果制热量达不到热负荷,则需要同时启动辅助加热器,此时能耗就会增加。因此,在室外温度处于-4℃时,该系统可以获得最佳节能效益。

另外,在制热量超过热负荷时,可以尝试降低热泵机组运行功率的方式,适当降低能耗。同样的,如果制热量达不到热负荷,则需要使用辅助热源。在选择辅助热源时,也要优先考虑那些能耗较低的类型。结合严寒地区的环境特点,选择太阳能集热器进行辅助加热是一种节能效果较好的选择。空气源热泵+太阳能辅助供热的系统组成如图2 所示。

图2 空气源热泵+太阳能集热器系统

试验结果表明,相比于传统的电加热器辅助供暖,替换为太阳能集热器之后能耗可降低20%-25%,节能效益明显。

4 结论

CO2空气源热泵是一种适合严寒地区供暖系统的常用设备,在使用过程中必须考虑能耗问题。为了解决结霜问题,保证制热量达到建筑热负荷要求,需要使用辅助加热措施。采用太阳能集热器代替传统的电加热辅助,节能效果明显。