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低温空气源热泵机组在北方地区的应用

空气源热泵机组因其节能环保、安全可靠等独特的优点,正被广泛地应用于酒店、宾馆、学校、医院、工矿企业等众多场合,但是它的应用也受到气候条件的约束。

传统空气源热泵机组的局限性:

当环境温度低于-10℃,在实际运行时,会出现以下问题:1)制热量随着环境温度的下降逐步衰减,如果配置的装机容量不充足,会导致在寒冷恶劣低温工况下系统的制热量不能满足要求;2)在低温环境下,吸气压力低、制冷剂循环量小、压缩比大、排气温度高等问题,会使机组的可靠性降低。

为了满足北方市场冬季使用热泵的需求,一些厂家相继开发了低温热泵机组。结合应用最新补气技术及核心专利技术,突破热泵受环境温度等条件约束,同时研制生产出CL-H-系列低温强热型热泵机组,低温空气源热泵机组的应解决了传统空气源热泵机组在低温环境下可靠性差和制热效率低的问题,尤其适用于黄河流域、长江以北、华北、西北等地区,大大扩展了风冷热泵机组的应用区域。目前,该产品已在我国北方地区得到广泛的应用。

一、工程概况

北方某市一医院,每天55℃热水需求量为180T,要求每天定时集中供水。设计采用CL-H系列低温强热型空气源热泵机组提供集中供热水系统。该系统安全可靠,比其它制热水设备大大降低运行成本,即使在寒冷恶劣环境下,也能保证安全、舒适、卫生、环保、高效地给用户提供生活用热水。该系统由高性能风冷低温热泵热水机组、不锈钢保温水箱、自动恒压供水系统、热水输水管道线和自动控制等系统组成,可定时提供恒温、恒压的生活热水。

二、设计思路

按照定时供水特点及用水需求分析结果,须综合考虑热泵热水机组加热缓慢及其制热量随季节气温变化的特点,尤其在冬季寒冷情况下,热泵热水机组必须能保证有足够的时间制备所需热水。

根据各用水点用水需求和供水特点,为了减少加热能耗,同时满足定时供应热水要求,经精心设计、性价比较,采用低温热泵中央热水系统,具体如下:

(1)为了解决定时集中供水问题,结合热泵机组各自加热的特点,对热水系统采用循环加热的方式,储热水箱所补入的水温达不到设定要求时,热泵机组自动根据设定要求随时对其进行加热,保证供水时段内水温相对恒定。

(2)本设计方案综合考虑了当地气候特征及供水特点等因素来优化设计。气温较高情况下,机组可互为备用,即使有一台故障情况下,也不会影响供水。在冬季最不利工况下,系统机组同时运行,即使在个别机组出现故障的情况下,可通过适当延长工作时间来完成制热;并且在供水期间机组仍可进行工作,实现经济运行,安全可靠供水的目的。

(3)系统的补冷水量及时间、供热水时间、供水量、机组循环加热的时间和温度均可以根据不同季节的用热水需求进行适当的调整,也可以调整机组运行的台数适应不同的用热水需求和机组的维护保养。

三、设计依据

1.《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003);

2.《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》(GB/T21362-2008);

3.《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003);

4.《室外给水设计规范》(GB50013-2006);

5.《给水排水制图标准》(GB/T50106-2010);

6.《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB50242-2002);

7.用户的相关要求和意见。

四、设计方案主要考虑的几个问题

(1)空气能热泵热水系统热水供应的可靠性,特别是在恶劣寒冷环境下能否稳定地工作。

(2)机组安装的位置通风效果一定要良好。

(3)水箱安装的位置承重要求是否符合。

(4)按照实际用水要求进行配水,保证最大用水量时的用水要求。

(5)空气能热水系统的控制柜安装位置一定要方便操作和维修。

(6)空气能热泵热水系统运行方式的合理性、先进性、可靠性。

(7)控制系统的全自动化、智能化、先进性、低温运行可靠性。

(8)空气能热泵热水系统的布局与摆放与建筑物的协调性,日常维护检修方便性等。

(9)在保证工程品质的前提下,尽可能降低工程造价,提高工程的性价比。

(10)考虑系统冬季防冻、夏季高温、防雷、防台风、平时防污染等安全问题。

五、设计选型

1、基本数据:

每天需要55℃热水180T;

该地区年平均气温14.3℃,极限低温:-11℃。

2、设备参数:

CL-H-220K/D低温强热型热泵机组基本技术参数:

额定制热量:72kW;

名义产水量:1550L/h;

额定功率:17kW;

温度范围:-20℃~45℃。

注:本技术参数是在工况:环境干球温度20℃、湿球温度15℃、进水温度15℃、出水温度55℃条件下测得。

3、热量计算与机型选择:

(1)热水需热量计算

a、应用数据

1L水温升1℃需要1kcal热量,消耗1kW·h电能可以产生860kcal热量。

b、日用热水需热量计算

自来水平均温度15℃,热水要求温度55℃。

标况下日需热量:

Q=1kcal/kg·℃×180000kg×(55-15)℃=7200000kcal。

冬天,自来水平均温度10℃,热水要求温度55℃。

低温工况下日需热量:

Q=1kcal/kg·℃×180000kg×(55-10)℃=8100000kcal。

(2)机组选型及数量计算

空气源热泵特性,高温条件下热效率高,低温条件下热效率低。因此,机组配置应满足冬季最冷天气条件下的热水供应,其它季节便可轻松满足需求。

根据低温环境下热水需求量及楼顶承重情况,设计采用低温强热型CL-H-220K/D热泵机组进行加热,加热时间以10小时/天计算。

机组数量计算:7200000千卡÷860千卡/kW·h÷72kW÷10h≈12台

标准工况下,用12台CL-H-220K/D机组实际每天加热时间:

7200000千卡÷860千卡/kW·h÷72kW÷12=9.69小时

在该地区冬季低温(-11℃)下,机组实际制热量为40.8kW,用12台CL-H-220K/D机组实际每天加热时间:

8100000千卡÷860千卡/kW·h÷40.8kW÷12=19.23小时

根据以上计算,本案例选择12台CL-H-220K/D机组可保证在寒冷恶劣环境下每天180吨热水供应。

六、储热水箱及循环泵设计

1、水箱设计

每日需热水量为180T,根据楼顶承压情况,水箱设计在楼顶,高度不应太高,必须制作基础放置水箱。设计采用矩形保温水箱,每个水箱容积30m3,一共6个,底座采用工字钢和槽钢制造。水箱为双层保温水箱,内胆采用304不锈钢材料制作,中间保温层采用厚90mm聚胺脂发泡保温,外壳为不锈钢制作。

2、循环泵

根据实际需要,水泵的选取本着在满足流量及扬程的情况下,尽量选取一些小功率、低噪声、高寿命的水泵。本系统全部采用著名品牌“威乐”水泵。

七、循环加热系统介绍

1、空气源热泵加热控制

空气源热泵机组受恒温供水水箱的水温、水位控制。当水箱内的水温达不到设定使用温度,热泵机组就通过设在恒温水箱底部的测温探头所探测的水温来进行加热,则热泵机组和循环泵开启工作,储热水箱或恒温水箱的水通过热泵机组循环加热,直至达到设定的使用温度时循环停止,空气源热泵机组和循环水泵也停止工作。循环工作,以确保任何气候条件下储热水箱中的水在各供水时段开始供水前或供水期间水温恒定,即使因回水或热损等原因导致水温下降,也能及时得到加热,控制供水温度相对恒定。

2、供、回水控制

热水供水系统采用电动阀由时间控制器自动控制,可自动实现定时集中供水。

同时为保证各个用水点供水的温度(即开水龙头出热水),系统还配套设置1套定时回水装置,即在每次定时供水前20min(可根据实际情况设定时间),先后打开回水电磁阀和回水泵,把楼下管网内的冷水输送回到水箱,以保证打开水龙头就出热水,也避免了频繁回水的能源浪费。

3、补冷水控制

冷水补水系统根据水箱水位,通过控制电磁阀自动进水和停水。可实现定时补水,并具备手动上水和停水功能,水位上下限可根据天气情况和自己所需水量任意设定。也可设定温度,实现恒温补水,保持水箱设定的温度。

4、防冻控制

冬季为防止水管﹑水泵冻裂,机组在满足以下条件时自动进入防冻工作中:机组待机状态下,当出水温度≤3℃且持续5秒,则机组进入防冻结模式运行。在停电时,可通过手动排空机组和循环管道里的水,以防止换热器和管路冻裂。

5、其它控制

系统对空气热泵机组、水箱及水泵等还设有相应的保护程序包括压缩机延时启动保护、排气温度过高保护、系统高低压力保护、水流不足温差保护、出水温度过高保护、压缩机过电流保护、缺相逆相保护、传感器故障报警保护等,完全按设定要求全自动工作,运行安全可靠,无须专人管理。