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1、前言

在我國嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)“鐵腕治霾”的背景下，“推進(jìn)清潔采暖，減少霧霾天氣”的任務(wù)重大，現(xiàn)有的各種采暖技術(shù)都存在各自的適用范圍和條件，蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)，通過綜合技術(shù)創(chuàng)新有效地突破了單一技術(shù)運用的客觀限制，使北方寒冷地區(qū)因水資源匱乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆積嚴(yán)重”而無法使用水地源熱泵、地埋管熱泵系統(tǒng)的項目有了新的技術(shù)選擇。

蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)利用空氣能和相變蓄能技術(shù)耦合水水熱泵系統(tǒng)，打造“不打井、不埋管”的清潔采暖系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)暖氣片供暖，蓄能平臺使壓縮機(jī)的壓縮比降低近一半，有效解決了極端寒冷天氣壓縮機(jī)容易故障損毀的難題，蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠、大大節(jié)省維護(hù)費用、運行節(jié)能，還可利用峰谷電價差節(jié)約電費。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)是政府禁止打井、地埋管成本高、空氣源熱泵不穩(wěn)定的不利條件下，開創(chuàng)了“清潔采暖、節(jié)能降霾”的新思路。

2、蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)原理

蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)由一次側(cè)空氣源動力模塊、二次側(cè)變工況水水熱泵和相變蓄能模塊組成，通過一次側(cè)空氣源動力模塊和相變蓄能的技術(shù)耦合，實現(xiàn)空氣中所蘊含的低品位熱能的采集和儲存，為二次側(cè)水水熱泵系統(tǒng)提供有效熱源。相變蓄能模塊充分發(fā)揮了相變蓄能、冷熱均流和調(diào)節(jié)蓄放的功能，采用高密度相變儲能溶液（PCM）灌裝的蓄能球，相變溫度為5℃，單位體積儲能密度高達(dá)69.1KWh/立方米。一次側(cè)空氣源熱泵模塊采集能量和二次側(cè)水水熱泵模塊提升能量，其熱力循環(huán)示意如圖1。

蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)：1-2為制冷劑在壓縮機(jī)等熵壓縮過程，壓力由蒸發(fā)壓力P0升高到冷凝壓力PK；2-3為制冷劑在冷凝器中冷卻冷凝過程，制冷劑壓力不變，且等于冷凝溫度Tk下的飽和壓力PK，冷凝過程中制冷劑在等溫等壓下凝結(jié)為飽和液體；3-4為等焓節(jié)流過程，與外界無功量傳遞且忽略熱量交換，節(jié)流前后比焓相等，但節(jié)流后的壓力和溫度都降低，且進(jìn)入兩相區(qū)；過程線4-1表示制冷劑在蒸發(fā)器中氣化的過程，這一過程是在等溫等壓下進(jìn)行的，液體制冷劑吸收被冷卻介質(zhì)的熱量而不斷氣化，兩相區(qū)內(nèi)制冷劑的狀態(tài)沿蒸發(fā)壓力P0的等壓線向干度增大的方向變化，指導(dǎo)全部變?yōu)轱柡驼羝?。按照此循環(huán)，制冷劑的狀態(tài)又重新回到吸入壓縮機(jī)前的狀態(tài)點，從而完成一個完整的循環(huán)。對于一個制冷循環(huán)系統(tǒng)，工況條件主要包括冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、節(jié)流前制冷劑液體的溫度和壓縮機(jī)的吸氣溫度，四個工況參數(shù)中，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對制冷系統(tǒng)的性能影響最大。

在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，一次側(cè)空氣源熱泵在制熱工況下，出水溫度由常規(guī)的供暖45℃變?yōu)?5℃，冷凝溫度大大降低，當(dāng)蒸發(fā)溫度保持不變（環(huán)境溫度不變的條件下），冷凝溫度由tk’降低到tk，循環(huán)由原來的1-2’-3’-4-1，變?yōu)?-2-3-4-1，對性能參數(shù)的影響包括：①制冷劑冷凝壓力由PK’降低到PK；②單位質(zhì)量制冷量（蒸發(fā)量）由q0’增大到q0，單位理論功耗由w0’降低到w0，使得能效比大幅提高；③壓縮機(jī)的吸氣比體積未變，但單位質(zhì)量制冷量（蒸發(fā)量）增大，導(dǎo)致單位容積制冷量隨著冷凝溫度的降低而增大。所以，蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中一次側(cè)空氣源熱泵僅在一定的蒸發(fā)溫度下運行，超過一定的蒸發(fā)溫度熱泵主機(jī)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，由于出水溫度15℃，使得冷凝溫度降低，都能夠使得設(shè)備發(fā)揮良好的技術(shù)性能，使得低環(huán)溫情況下設(shè)備可靠運行能力提升。

在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，二次側(cè)水水熱泵在穩(wěn)定制熱工況（不含極端天氣狀況）下，相比常規(guī)地源熱泵工況，源側(cè)水溫從10℃提升至15℃～25℃，蒸發(fā)溫度大大提高，當(dāng)冷凝溫度保持不變是，蒸發(fā)溫度由t0’升至t0，對性能參數(shù)的影響包括：①制冷劑的蒸發(fā)壓力由p0’升至p0；②單位質(zhì)量制冷量由q0’提升至q0，單位理論功耗由w0’降低至w0,循環(huán)制熱系數(shù)增大；③由于壓縮機(jī)吸氣比體積減小，單位質(zhì)量制冷量由q0’增大到q0,使得單位容積制冷量隨著蒸發(fā)溫度的升高而迅速增加。

3、一次側(cè)空氣源熱泵技術(shù)性能分析

一次側(cè)空氣源熱泵模塊，在環(huán)境溫度較好時，采集空氣中所蘊含的低品位熱能，為二次側(cè)水水熱泵系統(tǒng)提供溫度在15℃～25℃的有效熱源，并將相對高環(huán)溫低熱負(fù)荷時的高效運行區(qū)間產(chǎn)生的富余熱能儲存在相變蓄能模塊。在環(huán)境溫度過低時，即使在一次側(cè)空氣源動力模塊處于全面自我保護(hù)、無法運行的狀態(tài)下，蓄能模塊依然可為水水熱泵系統(tǒng)提供溫度在0℃至25℃之間潛熱相變加顯熱熱能，使得二次側(cè)水水熱泵保持穩(wěn)定供熱。在這個控制過程中，一次側(cè)空氣源熱泵的技術(shù)性能優(yōu)化體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）空氣源熱泵模塊在不同出水溫度和環(huán)境溫度條件下，壓縮機(jī)的制熱量/制冷量不同，任意選取一款谷輪渦旋式壓縮機(jī)為例，由下圖2可知，在低溫環(huán)境條件下，制取高溫?zé)崮艿哪芰ρ杆偎p，制熱量小，能耗高；高溫環(huán)境下，制冷能力下降。在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，由于水水熱泵蒸發(fā)溫度決定一次側(cè)空氣源熱泵15℃的出水溫度，使得壓縮機(jī)的制熱能力充分發(fā)揮出來。在在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，-20℃低溫環(huán)境運行時，空氣源熱泵出水溫度15℃時能效比為3.64，與常規(guī)空氣源熱泵壓縮機(jī)出水溫度45℃時能效比僅為1.78?？紤]中間水泵和二次水水熱泵耗能，在此條件下的整體能效比為2.33，提升31%。

（2）空氣源熱泵模塊在不同環(huán)境溫度、出水溫度條件下，壓縮機(jī)吸排氣壓力不同、壓縮比不同。在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，任意選取一款R22谷輪渦旋式壓縮機(jī)為例，由下圖3可知，空氣源熱泵壓縮機(jī)吸排氣壓力在不同的環(huán)境溫度、出水溫度條件下，其對應(yīng)的壓縮比變化較大。在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，-20℃低溫環(huán)境運行時，空氣源熱泵壓縮比僅為12.625，與常規(guī)空氣源熱泵壓縮機(jī)壓縮比28.391相比，降低55.5%，使得設(shè)備可靠性大幅提升，故障率降低，后期維修費用降低。

（3）空氣源熱泵模塊在不同工況條件下，壓縮機(jī)運行邊界不同、故障率不同。增汽補(bǔ)焓渦旋式壓縮機(jī)運行包絡(luò)線如圖4所示，工況點①②，能夠穩(wěn)定可靠運行；工況點③④⑤⑥，出水溫度45℃時，壓縮機(jī)均處在零界點運行（出水溫度55℃時，工況點⑦，壓縮機(jī)已經(jīng)超出運行邊界），故障率增高，控制不當(dāng)容易燒毀壓縮機(jī)，增加維修支出。普通渦旋壓縮機(jī)運行包絡(luò)線如圖5所示，蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)的工況點①⑥⑥⑦⑧⑨，都能夠穩(wěn)定運行；當(dāng)環(huán)境溫度過低時，工況點③都處在零界點運行；當(dāng)出水溫度高于45℃，工況點②已經(jīng)超出運行邊界。在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，普通空氣源熱泵在15℃的出水工況下，即便是普通渦旋壓縮機(jī)也始終處在安全、高效、穩(wěn)定的運行區(qū)間。

4、二次側(cè)水水熱泵技術(shù)性能分析

二次側(cè)水水熱泵主機(jī)的特殊設(shè)計使其具備變工況恒定水溫輸出的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，源側(cè)熱源溫度在0℃至25℃之間變化時設(shè)備保持穩(wěn)定運行。水水熱泵機(jī)組配置高壓比半封閉雙螺桿壓縮機(jī)，根據(jù)用戶負(fù)荷需求精確匹配冷熱輸出。機(jī)組吸排氣管的彎道全部為大彎徑設(shè)計，有效減少制冷劑的流動阻力。機(jī)組采用自排污蒸發(fā)器，獨特的供回水管切面設(shè)計，避免雜質(zhì)和污垢滯留在筒體內(nèi)影響換熱效率，無需多次清洗。針對暖氣片采暖大溫差的技術(shù)要求，機(jī)組采用單流程雙冷凝器設(shè)計，通過管道連接和閥門切換實現(xiàn)熱泵機(jī)組大溫差提溫，流量減半，減小了水泵功耗、提升了系統(tǒng)的綜合能效比。在蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，二次側(cè)水水熱泵的技術(shù)性能優(yōu)化體現(xiàn)在以下幾個方面：

嚴(yán)寒地區(qū)蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)技術(shù)性能分析

（1）源側(cè)水溫提升使得水水熱泵主機(jī)高效運行，任意選取一款漢鐘螺桿式壓縮機(jī)，常規(guī)地源熱泵工況下，壓縮機(jī)性能計算結(jié)果如圖6所示，壓縮機(jī)能效比為3.95；蓄能互聯(lián)熱泵工況下，壓縮機(jī)性能計算結(jié)果如圖7所示，壓縮機(jī)能效比為4.48，相比之下，水水熱泵能效比提升13.4%。

（2）水水熱泵具備極端天氣變工況高能效穩(wěn)定運行能力，在環(huán)境溫度過低時，一次側(cè)空氣源動力模塊處于全面自我保護(hù)、無法運行的狀態(tài)下，蓄能模塊為水水熱泵系統(tǒng)提供相變熱能，二次側(cè)水水熱泵主機(jī)具備變工況恒定水溫輸出的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，源側(cè)熱源溫度在0℃至25℃之間變化時設(shè)備保持穩(wěn)定運行。水水熱泵在出水溫度45℃條件下，不同水源溫度的能效比變化如圖8所示。

5、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

經(jīng)過實測和對比，蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)相比常規(guī)的空氣源熱泵系統(tǒng)，技術(shù)性能方面，空氣源熱泵能效比提升51%、壓縮比降低55.5%，水水熱泵能效比提升13.4%；主設(shè)備投資方面，如圖9所示，最高可減少32.32%、相應(yīng)的配電功率減少29.57%、運行能耗節(jié)電23.56%。系統(tǒng)運行可靠性提升，壓縮機(jī)壽命提高，維護(hù)費用大大降低。

6、結(jié)論

蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)是由水水熱泵技術(shù)，空氣源熱泵技術(shù)通過相變蓄能技術(shù)的交叉互聯(lián)、綜合利用形成的應(yīng)用技術(shù)，是成熟的蓄能技術(shù)和熱泵技術(shù)的綜合利用！通過蓄能模塊的介入，拓展了水源熱泵和空氣源熱泵的使用條件，克服各自的限制和性能弱點，該系統(tǒng)可有效利用自然界空氣中蘊含的太陽熱能（晝夜氣溫差現(xiàn)象）及各種其它低品質(zhì)熱能，系統(tǒng)增加了熱能供應(yīng)的穩(wěn)定性。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)，通過綜合技術(shù)創(chuàng)新有效地突破了單一技術(shù)運用的客觀限制，打造“不打井、不做地埋管”的清潔能源熱泵系統(tǒng)。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)作為技術(shù)創(chuàng)新，打破了水地源熱泵的使用限制，解決了北方寒冷地區(qū)水資源匱乏且政府禁止打井取水、地埋管熱泵系統(tǒng)成本高占地大，冷熱不平衡的弊端！降低了空氣源熱泵壓縮機(jī)的壓縮比，緩解了空氣源熱泵低溫環(huán)境能效比低、運行費用高、結(jié)霜嚴(yán)重、故障率高、空置率高的難題。