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谷轮热泵专用压缩机在热泵热水机上应用
发布日期:2013/1/26 14:03:04


  摘 要:压缩机是空气能热泵热水机的心脏,拥有强劲的心脏是空气能热泵热水机保证优质性能的前提条件。作为全球著名压缩机生产商艾默生公司推出谷轮ZW空气能热泵热水机机组的专用压缩机,这款专门根据空气能热泵热水机工况开发的压缩机,一推出市场便受到诸多厂家的追捧。本文通过对谷轮ZW系列热泵专用压缩机和普通压缩机在热泵热水机产品应用时,进行了性能和可靠性对比,并将谷轮ZW系列热泵专用压缩机在热泵热水机上进行技术设计、样机制作和匹配试验、并进行推广应用。

 

  关键词:谷轮ZW系列热泵专用压缩机、排气温度、喷气增焓、制热量、COP

 

  市场上大量推广的普通空气源热泵机使用的是普通压缩机,不能在低温环境(-7℃以下)中长期可靠地工作,国内采用常规压缩机的热泵热水机出水温度设定为55℃。普通型空气源热泵热水机运行性能受到很大影响,主要表现在几个方面:一、制热量随着环境温度的下降而逐步衰减。吸气量的大小与其吸气饱和温度一一对应,吸气饱和温度越高,吸气越大,反之反。随着环境温度逐步下降,系统蒸发温度降低,压缩机吸气比容增大,输气系数减小,导致制热量减少,系统能效比(COP)相应下降, 经济性降低。二、是机组特别是压缩机运行的可靠性问题。低温环境下,蒸发温度过低时,压缩机压缩比增大引起排气温度快速升高,使润滑油黏度急剧下降,影响压缩 机润滑,系统还会出现回液、回油不正常,严重时会导致压缩机损坏等问题。

 

  爱默生公司推出的谷轮ZW系列热泵专用压缩机,根据中国南方区域环境变化太大的特点,推出适应南方型ZWKA型系列和北方型ZWKA型热泵专用压缩机系列,保证了压缩机能在中国大部分区域能安全、高效、稳定运行。

 

一、谷轮ZW热泵专用压缩机和普通压缩机在热泵热水机上应用对比

 

  1、普通压缩机

 

  1)低温工况运行时,压缩机高压缩比、产生过热、润滑油变质、涡旋盘磨损等

 

  高温工况运行时,电机过载、轴承磨损、电机绕组超过极限。

 

  2)高水温运行时,高冷凝温度,电机过载、过热;润滑油变质,涡旋盘磨损、轴承磨损,电机绕组超过极限。

 

  3)在低温工况时,能力不够和能效比低, 经济性差,在-10C以下能力衰减可达40%以上, COP<1.5W/W。

 

  2、 谷轮ZW热泵专用压缩机(见附图1)

 

  1)采用浮动密封设计,适应制高温热水时高压比的需求。

 

  2)定涡旋盘及动态排气阀设计,设计适应高压差的需求。

 

  3)EVI设计,保证机组具有安全的排气温度。

 

 

  3、谷轮ZW热泵专用压缩机和普通压缩机运行范围对比(见附图2、3)

 

  对比图2、3两种压缩机运行工况范围,可以看出ZW热泵专用压缩机蒸发温度-30度时,冷凝温度可以达到65度,而普通压缩机在蒸发温度-10度时,冷凝温度才达到50度。因此ZW压缩机在环境温度-20度以上时,还可以正常制55度热水,而普通压缩机在环境温度0度以下时,制55度热水时,就超出了压缩机运行范围。对比两种压缩机,随着蒸发温度下降时冷凝温度变化曲线,可以看出ZW热泵专用压缩机更能符合热泵热水机在高低环境工况时正常制取55度热水要求。同时ZW热泵专用压缩机蒸发温度最高可达到15度,而普通压缩机只能达到12度,满足了在夏季蒸发温度高时制热水的功能。

 

 

  4、谷轮ZW热泵专用压缩机和普通压缩机运行性能对比(见附图4、5)

 

  对比图4和图5,在出水温度达到55度时,在环境温度高于7度时,ZW热泵专用压缩机和普通压缩机性能相接近,而在7度以下时,普通压缩机排气温度会超出压缩机允许的范围,机组不能可靠的运行,而ZW热泵专用压缩机在环境温度-15度出55度热水时,能效还可以达到1.96,同时排气温度也只有103度。

 

 

二、ZW热泵专用压缩机在天舒热泵热水机上设计和应用

 

  1、产品在设计时的主要技术应用

 

  1)针对使用环境区域,使用不同压缩机的热泵热水机,在环境温度-5℃ 到 +43℃区域内使用时,使用ZWKA系列压缩机,而在环境温度-20℃ 到 +43℃,则使用ZWKS系列压缩机。

 

  2)针对ZW热泵专用压缩机运行范围,制定特定的控制逻辑,如在不同环境温度时,压缩机的停机水温也不一样,高低压保护、排气温度保护、压缩机过载保护等保护功能也进行针对性的设计,保证热泵热水机既能工作在允许的工作范围之内,同时还有具有较高的能效和制热量。

 

  3)对应用ZWKS系列化热泵产品进行创新型设计,精确地控制了补气量,满足低环境温度下大幅提高制热量和能效的要求,同时也保证了高环境温度时,机组不会出现过载运行。控制了进行节流部件时,制冷剂处于有效过冷,杜绝了节流前或节流前期中有气体产生,从而出现气堵,制冷剂循环不畅通的严重故障发生。同时采用了防应力、防共需技术,解决了产品在不同水温、不同环境温度时,部分工况会出现的共振和共鸣的技术难题。

 

  2、产品测试和分析(见天舒公司检测数据图6和图7)

 

  通过改变环境工况、试验水温来验证产品在变工况条件下性能和可靠性,通过43度环境温度时抽取55度热水的高温工况,用来检验产品在高温运行时,机组压缩机是否过载、排气温度是否过高;20度和7度两个环境温度时,检测机组的制热量、能效和功率;-15度环境温度55度进水温度时,检测机组低温制热性能。通过检测数据可以看出,在-15度环境温度时,进水温度40度,机组的制热量还能达到6.8Kw,能效达到1.76,在进水温度55度时,排气温度也只有103度,此时油温为3度,没有回液现象发生。

 

  对检测数据和ZW61KS热泵压缩机性能进行对比,产品的性能和压缩机的能力相接近,产品达到了设计的要求。

 

 

   3、产品设计验证

 

  为了检验产品性能,公司送部分样机,到国家压缩机检测中心进行产品性能检测,检测的结果见下扫描件,普通型名义工况和低温型名义工况都满足GB/T 21362-2008国家标准中规定的要求,同时也检测了在环境温度-12度时,水温由9度升到55度时,产品的制热量、功率和性能系数。产品性能满足设计要求,设计验证通过。

 

 

三、产品工程实际应用

 

  根据ZW热泵专用压缩机分为南方和北方两个区域的特性,现以选择了两个工程作为产品应用推广和验证的核心工程,南方区域工程为广东揭阳市人民医院太阳能和热泵结合的热水工程,北方区域工程为甘肃省天水市清真寺热水工程。

 

  1、广东揭阳市人民医院太阳能和热泵结合的热水工程

 

  1)项目说明

 

  揭阳市人民医院是当地实力最强的一所综合性三级医院,(见图片11)前身是创建于1890年的“真理医院”,到现在已有110多年的历史。现已发展为一所集预防保健、教学科研、医疗急救和肿瘤防治为一体的综合医院。一期新住院大楼共有436个床位和67间医务室,提供24小时热水,系统采用太阳能+热泵方式,采用了天舒8台DKFXRS-64Ⅱ空气源热泵和皇明180台太阳能集热器加热;二期外科住院楼共为320个床位,提供24小时热水,采用了天舒3台DKFXRS-64Ⅱ空气源热泵和皇明70台太阳能集热器加热。

  2)设计介绍

 

  为了能够充分利用太阳能,系统水箱分为加热水箱和恒温水箱,太阳能循环系统单独与加热水箱连接,在运行过程中,太阳能集热器能够不断地对水箱进行加热。恒温水箱的水来自加热水箱,保证进入恒温水箱的水都是经过太阳能系统预热的,热泵与恒温水箱连接,如果水温达到供水要求,那么热泵系统不再启动,如果水温达不到供水要求,热泵启动继续加热。

 

  a)系统初始运行时,手动补水至水箱溢流水位后,停止补水转由系统自动控制。

 

  b)太阳能水箱补水采用液位控制,水位低于设定液位时水箱补水直到水满。热泵水箱根据水箱液位和水箱水温控制,当低液位信号和水箱内部高温信号同时送至电磁阀时,补水电磁阀和倒水泵同时打开进行补水;当高液位信号和水箱内部温度开关低温信号任一送至电磁阀时,补水电磁阀和倒水泵关闭停止补水。水箱液位、温度的设定可根据实际情况调整。

 

  c)太阳能集热系统采用温差循环。当集热器内的水温比水箱内水温的高出值大于设定温度时,集热器循环泵启动;当集热器内的水温比水箱内水温的高出值小于设定温度时,集热器循环泵关闭。

 

  d)热泵的启停受水箱温度控制,也可以手动控制。当水箱温度低于设定温度时,热泵启动加热;当水箱温度高于设定温度时,热泵关闭。

 

  e)热水供水分2个区,1-10层为一个供水分区,11-20层为一个供水分区。11-20层采用变频增压供水。回水受回水管网内的水温控制,当回水管网内水温低于设定温度时,开启回水电磁阀回水;当回水管网内水温达到设定温度时,关闭回水电磁阀。1-10层采用自然压力供水,在供水末端设有回水泵,回水泵受回水管网内的水温控制,当回水管网内水温低于设定温度时,开启回水泵回水;当回水管网内水温达到设定温度时,关闭回水泵。

 

  f)热泵水箱和太阳能水箱均设低液位保护,当液位低于SL1低液位时,停止所有系统工作,补水电磁阀打开,强制补水;当液位达到SL1高液位时,系统恢复正常。

 

  g)太阳能集热器管路设有防冻循环措施。当循环管路水温低于设定温度时,开启集热器循环泵;当循环管路水温达到设定温度时,关闭水泵。

 

  3)工程设计原理图(见下图)

 

  4)运行效果

 

  采用热泵+太阳能热水系统:太阳能可年均日产60吨水(不包括阴雨天气),那么在阴雨天气仍然需要热泵加热。揭阳地区每年约有120天的阴雨天气,在这段时间内,热泵运行费用为:

 

  4200000kcal÷860kcal/kW·h÷81.03kW/h×18.21kW/h×0.53元/kW·h×120天=69803元。由于太阳能只生产60吨热水,那么剩下的40吨水仍然需要热泵加热。40吨水所需热量为1680000kcal,除去阴雨天气热泵运行费用为:1680000kcal÷860 kcal/kW·h÷81.03kW/h×18.21kW/h×0.53元/kW·h×(365-120)天=57006元年运行费用为:69803+57006=126809元,每吨水费用为:3.47元。

 

  采用电锅炉:4200000kcal÷860kcal/kW·h×0.53元/kg×365天=944756元,每吨水费用为:25.88元。

 

  2、甘肃省天水市清真寺热水工程

 

  甘肃省天水市共有近20座清真寺(见图13),到寺内朝拜的人,每天一小净,每人每次热水用量为5升,三天一大净,每人每次热水用量为35升。热水加热设备在2010年前用的是燃气锅炉,现在改为我公司的超低温热泵热水机组,根据寺的大小不同,每个寺安装2-3台DKFXRS-17IIB产品,每天产5-15吨55度热水。整个天水市清真寺现已经安装了30多台DKFXRS-17IIB。产品在2011年最低环境温度-25度时都能正常运行,通过2010年和2011年两年长期运行跟踪测试,产品性能稳定,节能效果优越。从燃气锅炉改为热泵热水机后,年总节约运行15万元左右,一年半左右就能回收投资的设备费用。

 

 

  四、结论

 

  通过从理论对谷轮ZW系列热泵专用压缩机研究、实际样机制作测试和分析、工程应用中跟踪和验证,谷轮ZW系列热泵专用压缩机能满足热泵热水机在南北方区域-20度~45度的环境温度范围内都能抽取55度热水,解决了普通压缩机在热泵热热水机上低温时不能正常运行的问题,同时在低境温度时,制热量提高达到40%。因此谷轮ZW系列热泵专用压缩机是高效的热水制取解决方案。

 

(戎马传媒·《热泵市场》杂志社 订阅热线:0755-26781737)
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