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      行業動態

      低溫氣侯為什么需要使用輔助能源

      文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020/11/24     瀏覽次數:    

        熱泵熱水機搬運能量的多少決定著熱泵產品的經濟性能。一定能耗時空氣源熱泵熱水機搬運的能量越多,節能效果就越好,經濟價值就越大。反之,如果空氣能產品在一定能耗時獲得的熱能很少,甚至沒有直接用電加熱產生的能量多,那么這樣的產品沒有節能價值,也就沒有什么經濟價值了。我們用性能參數(俗稱“能效比”)的數值來衡量這個產品的能效。


        許多宣傳空氣源熱泵不用輔助電加熱的人強調:熱泵的“能效比”超過1,比電加熱高很多,要節能當然就不能用電加熱。于是,一方面那些不用電加熱的熱泵熱水機冬季故障不斷,另一方面,許多廠商和經銷商在“悄悄”使用著輔助電加熱。


        在此,本文想從技術層面為熱泵配備輔助電加熱正名,并且理直氣壯地提出:熱泵熱水機欲成為成熟的推廣的產品,離不開輔助熱源的支持,輔助電加熱是使用方便的清潔能源,自然是系統配套輔助熱源的選擇對象之一。實際上,在熱泵型空調系統中,采用電加熱作為補充能源幾乎成為常規配置,并沒有見到多少客戶或者專家學者提議取消這個配置。


        配備輔助熱源的理由有三:    


        理由一:低溫氣侯中空氣源熱泵制熱量不足,往往無法保證熱水需求。


        空氣源熱泵制熱量與能效比都會隨著環境溫度的降低而下降。環境溫度20℃時制熱量17.2kW(冷熱水溫差40度),到了環境溫度5℃時制熱量降為11.23kW(冷熱水溫差51度),比20℃的數值降低了1/3左右;到了環境溫度-5℃時制熱量降為5.75kW(冷熱水溫差51度),比20℃的數值降低了2/3左右。相關測試數據表明,即使是采用優化電機性能曲線、補氣增焓、變頻等改善壓縮機的手段,與名義工況相比,空氣源熱泵機組冬季制熱量依舊會有一半以上的衰減。且氣溫越低,制熱量越少。


        另一方面,熱水使用的常規是,環境溫度降低,自來水溫度降低,冬季熱水使用量往往會比春秋季多使用1/4以上。 如果按照滿足冬季特殊情況下-5℃時的熱水負荷、空氣源熱泵熱水系統24小時連續工作來設計,那么,春秋天的機組工作時間往往還不到6個小時,而每天熱水供應量與熱泵機組的配置比需要達到1噸水配置2匹高能效熱泵機組。囿于工程人員經驗、市場競爭和投資回報期等方面因素,目前國內95%以上的熱水工程無法做到這一點。


        并且,哪怕能夠保證-5℃時的熱水供應,遇到特殊情況氣溫更低或者熱水使用量超量,1噸水配置2匹高能效熱泵機組的配置還是顯得不足的。如何處理此矛盾呢?我們還是應該從工程設計思路中找答案。


        集中熱水工程設計有兩種方法:一種是冬季極限負荷法,要求設計的熱水系統能夠保證冬季特殊氣候狀況下的熱水負荷需要。另一種是冬季平均負荷法,要求設計的熱水系統能夠保證冬季平均氣候條件下的熱水負荷需要,在無法保證熱水負荷的低溫氣候下,該熱水系統通過配備其他熱源的方法保證需求。很顯然,一般情況下,冬季極限負荷法設計的系統要比冬季平均負荷法的熱泵選型要大,成本要高,節能效果也會好一些。


        無論如何設計,熱源供熱量要能夠保證熱水的需求。如果系統中制熱量不足,那么談能效比已經沒有價值,雖然環境溫度-5℃時系統能效比還可以達到1.5,但如果制熱量無法滿足把水制熱的需求,就難免出現“水溫上不去”、“省電不省錢”、“冬天沒法用”這樣惡劣的后果,客戶如何滿意呢。


        理由二:低溫氣候中壓縮機常常超限運行,長期如此將縮短機器壽命。


        常規空調壓縮機的溫度工作范圍比較窄,熱泵熱水機工作的溫度范圍要大很多,所以,用空調壓縮機制造熱泵熱水機就會超限運行。有銷量的經銷商都知道,熱泵熱水機在冬季容易壞壓縮機。冬季壓縮機損壞主要有以下幾種原因:


        1、電機卷線溫度過高


        不同電機有不同的性能曲線,壓縮機一般在一段電機性能范圍中運行,在此范圍內,電機效率高,電機卷線溫度低,一般不超過120℃。但如圖十所示,水溫55℃時,當干/濕球溫度為43℃/26℃時,空調壓縮機卷線溫度達到125℃以上,當干/濕球溫度為-7℃/-8℃時,空調壓縮機卷線溫度達到134℃左右。卷線溫度過高帶來的問題常常是致命的:一方面潤滑油黏度降低,壓縮機潤滑狀態惡化,嚴重情況下導致潤滑油碳化,壓縮機卡殼;另一方面電機卷線漆包線、絕緣材料高溫老化,容易直接造成電機短路、壓縮機燒毀。


        2、過熱度差引起的液擊故障


        壓縮機吸氣口前面帶有一個汽液分離器,用以將管道中的液體沉淀下去,保證壓縮機吸的都是氣體。同時,技術上提出了一個過熱度的概念,把壓縮機吸氣管中冷媒的溫度與翅片管換熱器中冷媒蒸發溫度的差值定義為過熱度,要求系統運行過程中有一定的過熱度,保證壓縮機不會因吸進液體冷媒而產生液擊葉片的故障。在不合理的熱泵系統中,夏季過熱度特別高,而冬季過熱度為負值,液體冷媒混入壓縮機,這就很容易產生液擊故障,導致壓縮機工作能力下降,噪音增大,甚至直接報廢。


        3、潤滑油中溶解冷媒過多


        常規空調系統中,潤滑油和冷媒的充注量在一定范圍內相對穩定,所以潤滑油中的冷媒溶解度也比較容易確定。在水箱內或者內膽外壁纏繞銅管的熱泵熱水器系統中,由于在熱泵停機期間水箱側管道溫度高,冷媒自然向低溫側流動,壓縮機往往成為積蓄液態冷媒比較多的地方,客觀上造成了潤滑油中液態冷媒溶解量過大、潤滑油被稀釋的現象,帶來再次啟動過程中潤滑油失效的問題。


        理由三:合理開啟輔助能源不僅不會降低系統能效,反而可以提高熱水供應量。


        對于循環加熱式熱泵熱水機而言,整體性能參數是各個時段瞬間性能參數的疊加,分析瞬間性能參數的規律和發展變化有助于進一步全面了解整體性能參數。前文中給出不同環境溫度下整體性能參數的數值,其中環境溫度-5℃時的數值是1.5;前文中給出了環境溫度-5℃時50℃水加熱的瞬間性能參數是0.7。這表明整體性能系數的數值的高低并不能說明系統運行過程中每一個瞬間性能系數的大小。    


        進水溫度越高,瞬即性能參數越低。當進水溫度高于43℃時熱泵瞬間性能參數值均低于1,且越來越低,這種情況下,43℃-55℃范圍內熱泵的整體性能參數肯定是小于1的。如果把43℃以上的部分不用熱泵制熱,而采用輔助電加熱工作,43℃-55℃范圍內系統性能參數不會低于熱泵相應過程的性能參數值。


        -3℃時熱泵熱水機將水由9℃加熱到55℃的整體性能參數值是2.2,這個整體性能參數值是由各個時段瞬間性能參數值疊加而來的,可以將此疊加過程分為兩個階段:高能效階段(9℃-43℃)和低能效階段(43℃-55℃),如果低能效階段不用熱泵來制熱而采用輔助電加熱,只要輔助電加熱加熱過程的性能參數不低于低能效階段熱泵加熱的性能參數,那么,整個“熱泵+輔助電加熱”制熱水的整體性能參數就不會低于單獨熱泵工作的整體性能參數。


        用輔助電加熱來替代熱泵熱水機完成低能效階段的加熱過程的優點是顯而易見的:


        1、熱泵此時單位制熱量太小,制熱水速度太慢,不利于保證熱水供應速度。采用電加熱輔助時可以適當配置功率較大的電加熱設備,從而可以在不降低系統整體能效比的情況下提高熱水供應速度。(此時電加熱的功率大小與性能參數無直接關系)


        2、熱泵此階段的工作過程已經偏離其出力范圍,工作效率低,使用壽命短,減少其在此階段的工作運行過程,可以更加有效地保證產品運行壽命。


        3、通過配置功率較大的電加熱設備,提高熱水供應速度,可以適當減少熱泵機組配比,降低工程造價,有利于熱泵產品的市場推廣。


        可能有人會問:配置多大的輔助電加熱為合適?是否輔助電加熱越大越好?如何保證電加熱僅在低能效階段運行而不是全程運行呢?一次加熱式的熱泵熱水系統能否添加電加熱輔助呢?如何保證系統中的水是有序的由高能效部分變為低能效部分而不是總是在低能效部分反復呢?這些有關熱泵系統優化的問題且另作論述。

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