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EVI變頻變水溫空氣源熱泵是解決寒冷山區(qū)清潔供暖的有效方案
摘要:近年來,空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖技術(shù)得到很大的發(fā)展,從2016年起,在北京周邊地區(qū),空氣源熱泵煤改電清潔供暖技術(shù)得到用戶的認可,對清潔大氣環(huán)境減輕冬季霧霾起到了明顯的作用。寒冷山區(qū)多以散煤燃燒采暖為主,山區(qū)地域廣泛,村莊分散,解決好山區(qū)清潔供暖問題,一方面進一步改善大氣環(huán)境;
同時也提高了山區(qū)人民的生活品質(zhì),符合我國戰(zhàn)略發(fā)展要求。山區(qū)居民消費水平比較低,要求盡可能提高供熱系統(tǒng)COP降低能源消耗;晝夜溫差大,則要求供熱方案能夠在夜間提供高水溫白天提供低水溫實現(xiàn)供水溫度在高溫低溫間的自動調(diào)節(jié),EVI變頻變水溫空氣源熱泵正好具備這一特點,因此從技術(shù)上看是解決寒冷山區(qū)清潔供暖的有效方案。
近年來,空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖技術(shù)得到很大的發(fā)展,從2016年起,在北京周邊地區(qū),空氣源熱泵煤改電清潔供暖技術(shù)得到用戶的認可,對清潔大氣環(huán)境減輕冬季霧霾起到了明顯的作用。寒冷山區(qū)多以散煤燃燒采暖為主,山區(qū)地域廣泛,村莊分散,解決好山區(qū)清潔供暖問題,一方面進一步改善大氣環(huán)境,同時也提高了山區(qū)人民的生活品質(zhì),符合我國戰(zhàn)略發(fā)展要求。
EVI(EnhancedVaporInjection)技術(shù),即噴氣增焓技術(shù),是一種在傳統(tǒng)單級壓縮制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上,在單級壓縮機中間腔增加一個回氣口的冷媒循環(huán)技術(shù),就壓縮機的結(jié)構(gòu)而言,,典型的外部特征是一個排氣口,2個回氣口,下圖是EVI壓縮機實現(xiàn)冷媒循環(huán)的典型圖例之一。
EVI的本質(zhì)是單級壓縮、2級節(jié)流、中間回氣,相比與單級節(jié)流單級壓縮,理論上減小了冷媒循環(huán)的不可逆損失,因此可以提高冷媒循環(huán)的熱效率,由于壓縮機機械結(jié)構(gòu)及中間回氣口實現(xiàn)方式的差易,如轉(zhuǎn)子壓縮機和渦旋壓縮機,在一個壓縮周期內(nèi),中間吸氣口的壓力是再波動的,實驗驗證,EVI技術(shù)在2個方面作用明顯:
1)高壓比情況下,降低壓縮機的排氣溫度;
2)高壓比情況下,提高了蒸發(fā)器的吸熱能力,因此提高了制熱能力,同時提高了制熱COP;
變頻技術(shù)的核心要點在于改變了電機的動力特性,使其可以和負載的阻力特性相匹配,從而提高電機效率和電機對劇烈變化負載的適應性,同時實現(xiàn)“按需輸出”,因此,EVI變頻技術(shù)的應用,非常適合在環(huán)境條件變化范圍大,同時效率要求高的場合應用和發(fā)展。
一、寒冷山區(qū)供暖的現(xiàn)狀及環(huán)境條件特點:
1.北方山區(qū)村落分散,很多房屋順著地勢而建,建筑形式、房屋大小、建筑結(jié)構(gòu)多樣化,各地有各地的風土人情和建筑習慣,在采暖方式上,基本是以散煤燃燒的小爐子、土炕為主,這樣的地理人文條件,決定了清潔供暖解決方案應該是分戶式的供暖方案;
2.山區(qū)居民收入普遍比較低,用戶非常在意運行費用,除了國家提供相應的用能補貼政策外,清潔能源供應方案應該有:可靠性高,運行費用低的特點,所謂的運行費用低,是以和當前散煤燃燒的情況相比;
3.山區(qū)的氣侯條件是:供暖時間比相鄰城市地區(qū)長1個月左右,總體平均氣溫也比相鄰城市地區(qū)低3~5度,且晝夜溫差大,這要求,供暖設(shè)備有自動調(diào)節(jié)供暖水溫的功能,而且,我們應該關(guān)注系統(tǒng)的綜合能效比SCOP,而不是系統(tǒng)在某一設(shè)計工況下的能效比;
4.山區(qū)的電力基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱,離城區(qū)越遠,戶均電力配套電功率越低,按照北京周邊地區(qū)的數(shù)居,原先山區(qū)居民電力配套,主要考慮了:照明、冰箱、洗衣機、電飯堡等低功耗電器的配電需求,日均電力約2KW,解決這一問題,一方面應該對現(xiàn)有電力設(shè)施升級改造,另一方面要求清潔能源供暖方案的電消耗功率盡可能小,設(shè)備啟動對電網(wǎng)的沖擊要求,設(shè)備運行對電網(wǎng)波動的容錯率要高;在清潔供暖方案中,有2大技術(shù)途徑:天燃氣和電,從能源的輸運、使用的安全行、可靠行等特征分析,采用電供暖方,相比于燃氣,具有如下優(yōu)越性:
1)電力輸送,比燃氣輸送的效率更高;
2)在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上,電網(wǎng)升級改造的投資成本要低于燃氣管網(wǎng)投資成本;
因此,在確立以電能為主的清潔供暖方案后,主要的方向就是提高電能為來源的電供暖效率!在筆者調(diào)查山區(qū)方案的過程中,有個現(xiàn)象特別有意思:即居民在建筑特點和生活習慣上都充分考慮了本地區(qū)的氣侯特點,經(jīng)過幾千年的變遷,當?shù)鼐用癜l(fā)展出了獨特的安全過冬的建筑方式和生活方式,如下圖,是張家口宣化地區(qū)的一坐民宅,院子很大有100多平。
但真正使用的房間面積只有50來平,冬季只給1間房,最多2間房供暖,一個屋子長5米寬3米15平方大,冬季長期供暖面積也就30平米左右,房屋凈層高較矮約2.3~2.4米,尖屋頂,而且冬季在窗戶外和門外都掛上棉簾子,主要目的是不讓窗戶玻璃上結(jié)水或結(jié)冰,同時也起到了對門\窗的保溫作用!這些特點對我們考慮山區(qū)方案都是極有參考價值。
二、EVI技術(shù)能有效提高供水溫度,提升低環(huán)溫下機組的制熱能力和制熱COP
下表,我們對帶EVI和不帶EVI的2類系統(tǒng),進行了對比測試,篇幅所限,此處只各列1組數(shù)據(jù)參考,更多的數(shù)據(jù)表明,所得到的規(guī)律性是一致的!
從上面數(shù)據(jù)可以看到,可以得到如下結(jié)論:
1)EVI對COP的影響:45度以下,水溫不高時,不帶EVI產(chǎn)品的COP比帶EVI產(chǎn)品的高,但水溫到55度時,情況就反過來,帶EVI產(chǎn)品的COP明顯高不帶EVI產(chǎn)品的,大約高20%;
2)EVI對制熱能力的影響:在35度,45度這樣的低水溫下,制熱能力隨環(huán)溫度降低而衰減的趨勢是一樣的,但在55度水溫時,帶EVI后的制熱能力衰減明顯慢過不帶EVI產(chǎn)品的,EVI技術(shù)使得在55度水溫下制熱能力的衰減和35/45度下制熱能力的衰減類似;
3)在低水溫情況下,EVI對制熱能的減緩制熱能力隨環(huán)境溫度的衰減,及制熱COP作用不明顯;
說明EVI技對低環(huán)溫下高水溫供熱,無論從能力上還是效率上都有很大幫助;
三、變頻變水溫供暖,是提高系統(tǒng)全年綜合能效比SCOP、降低能耗的有效途徑
對一已成的建筑物,室內(nèi)熱負荷隨著環(huán)境溫度的變化而變化,室內(nèi)散熱器的類型及布置已經(jīng)完成的情況下,有3類方式來解決供熱量和熱負荷之間的平衡:
1)調(diào)節(jié)供給室內(nèi)散熱器的水流量;
2)調(diào)節(jié)供給室內(nèi)散熱器的水流通斷時間;
3)調(diào)節(jié)供水溫度;
在熱泵供暖系統(tǒng)里面,調(diào)節(jié)供水溫度是最有效率的控制方式,如上節(jié)中所舉的臺機器的試驗參數(shù)所顯示的,供水溫度對熱泵的COP有明顯影響,供水溫度越高,COP越低,從上面的數(shù)據(jù)看,溫度每升高1度,COP下降約2%;下圖,是空氣源熱泵制熱能力和建筑物所需負載在不同環(huán)溫下,對比變化的一對交叉曲線,在80%以上的時間,機組工作在部分負荷狀態(tài),變頻變水溫機組,在如下幾個因素上,能大幅提高機器的綜和季節(jié)能效比SCOP:
1)在部分負荷的狀態(tài)下,降低供水溫度,降低熱泵的冷凝壓力,提高機組COP;
2)在部分負荷狀太下,降底機器的頻率,減小機組冷媒循環(huán)流量,在特定的水溫和特定的環(huán)溫下,提高媒媒循環(huán)的蒸發(fā)溫度,降低冷媒循環(huán)的冷凝溫度,提高機組的制熱COP;在北方山區(qū),普遍情況晝夜溫差超過10度,建筑物的保溫不標準,采用地暖為末端的很少,多數(shù)使用散熱器作為采暖末端,要求機組供水溫度隨著環(huán)境溫度自動調(diào)整,以提高全年縱合能效比SCOP,降低全年使用費用;
我國現(xiàn)有標準IPLV(H)不能反應機組在變水溫下的能效狀況,我們在另一篇文章《基于設(shè)計熱負荷的空氣源熱泵變水溫運行能效評估方法》中介紹了基于房屋設(shè)計溫度/設(shè)計水溫的的變水溫全年季SCOP計算方法,讀者很容易計算出在設(shè)計供暖水溫為55度時,空氣源熱泵全年季變水溫季節(jié)效率,這個結(jié)果,和機組真正運行的結(jié)果,應該可以做大最大程度相近!大家可以參考!
四、EVI變頻變水溫空氣源熱泵分戶供暖典型方案
以北京延慶地區(qū)120平方米農(nóng)村居民的常用戶型為例(如圖一)
(圖一)
室外氣象設(shè)計計算參數(shù):
經(jīng)負荷計算可得熱負荷計算書(如圖二):
(圖二)
由上表可知北京延慶地區(qū)120平方米的農(nóng)村居民常用戶型采暖所需熱負荷約為7.5KW,室外環(huán)境溫度為-12℃時,其制熱量約為8.65KWd的EVI變頻變水溫機組,額定制熱輸入功率為3.73KW,冬季可在-25℃的環(huán)境中正常供暖,確保山區(qū)農(nóng)戶冬季采暖需求。系統(tǒng)原理圖:
采暖季運行費用預估:以北京地區(qū)采暖季120天計算;采暖季運行費用預估:以北京山區(qū)采暖季135天計算。
案例運行效果分析:
以上表格信息由遠程監(jiān)控測試得出,該戶型平均每天耗電量約為42.9kw.h,平均每天每平方米耗電量約為0.23kw.h;系統(tǒng)節(jié)能效果顯著,運行穩(wěn)定,運行效果良好,用戶滿意。
上述例子表名,在北方寒冷山區(qū),采用EVI變頻變水溫空氣源熱泵分戶式供熱方案,具有如下優(yōu)點:
1)在環(huán)境溫度很低情況下,制熱能力衰減量較小,且可以提供55度以上的高水溫,既可適用如地暖\低水溫散熱器等新型散熱末端,,也可適應暖氣片;
2)變頻變水溫技術(shù),可以明顯提高供熱系統(tǒng)運行能效比,相比于定水溫供熱,綜合能效比提高30%以上,降低了用戶的運行費用,山區(qū)晝夜溫差大,一天之內(nèi)也應該不斷變化供水溫度以達到最佳運行能效比,這一點,對經(jīng)濟能力較低的山區(qū)用戶尤為重要;
3)EVI變頻變水溫空氣源熱泵,啟動電流小,對電壓波動的容錯率高,適合山區(qū)電網(wǎng)狀況,最大程度上確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行;
當然,由于山區(qū)農(nóng)村居民供熱事關(guān)百姓生命財產(chǎn)安全,近年各種極端天氣頻現(xiàn),我們在推進以電能為主的高效率清潔供暖方案時,應該做好預備措施,在歐洲,遠離城區(qū)居民家庭必備燃柴用的壁爐,以備極端天氣造成電網(wǎng)中斷的突發(fā)狀況,這一方法,值得我們借鑒!