串、并联双压缩机海水源热泵空调系统开发与运用

　　近年来， 随着先进的海水处理系统的研制， 海水源热泵的应用正在普及， 大连、天津、青岛等作为试点城市正在大力发展海水源热泵空调系统， 但在应用过程中逐渐暴露出了一些问题。 我国北部沿海地区单位面积冷负荷指标大于单位面积热负荷指标， 导致夏天所需冷负荷往往都大于冬天所需热负荷， 于是出现了冷热负荷与温差不匹配的问题。

　　为了满足冬季所需的较高的冷凝温度， 一般所选的压缩机要求有较高的压缩比， 因此所耗功率较大， 但冬天所需热负荷又较小， 大部分工况下只要一台压缩机工作就能达到工况所需的制热量， 而另一台压缩机长时间处于闲置状态， 从而使系统的供热性能系数 （ COP）大为降低， 造成能源浪费。 因此， 如何解决上述问题， 将是暖通行业的又一研究课题。

　　1 海水源热泵技术的国内外研究现状

　　1. 1 国外研究现状

　　欧洲在 20世纪 70年代曾经出现两次能源危机， 之后瑞士、德国和北欧 4国制定了高舒适度、低能耗住宅的发展战略， 并同时进行新型能源的开发和利用。 海水源及土壤源热泵空调系统真正意义上的商业应用已有近 20年的历史， 且发展相当迅速。

　　如瑞典、瑞士、奥地利、丹麦等国家， 海水源及土壤源热泵的应用较多。 在民用住宅的供热装置中， 热泵所占比例瑞士为 96% ， 奥地利为 38%， 丹麦为 27% 。瑞典在利用海水源热泵集中供热供冷方面尤其发达， 位于瑞典斯德哥尔摩市苏伦图那的集中供热供冷系统是目前世界上*大的集中供热供冷系统， 其制热制冷能力为 250 MW， 可满足斯德哥尔摩市 60% 的制热制冷需求。 该工程建于 20世纪 80年代中期， 位于波罗的海海边， 是利用海水源制热制冷的典范。 近几年， 瑞典利用海水集中供热供冷发展非常迅速， 预计在未来 10 年将突破5. 0 10 8 kW h的能力。

　　1987年， 挪威的 Stokmarknes医院， 建筑面积1. 4 10 4 m 2， 采用了海水源热泵来解决其漫长的冬季供热问题， 该热泵的供热能力为 1. 7 MW. 自运行以来， 每年可节能 1. 235 10 6 kW h， 节约运行费用为 31 743 ， 同时可减少 CO 2排放量 800，t 减少 SO 2排放量 5. 5 .t此外， 北美的加拿大、大洋州的澳大利亚等国的海水源及土壤源热泵也非常发达< 8>。 2000年澳大利亚的悉尼奥运场馆就采用了海水源热泵技术。

　　1. 2 国内研究现状在国内， 20世纪 90年代， 海水的利用主要集中在利用海水进行工业冷却上。 近年来， 海水的用途正在逐渐扩大， 可以利用海水做溶剂、还原剂，也可以用来除尘、冲渣冲灰、洗涤净化、水淬、试漏， 在生活中利用海水冲厕所、冲洗地面、洗涤等。

　　1996年， 针对青岛东部开发区 1. 4 10 5 m 2建筑的冷热源选择， 青岛理工大学 （原青岛建筑工程学院 ）的于立强教授提出了建设海水冷热源大型热泵站的可行性分析。

　　2002年， 天津科技大学陈东博士提出以海水作为冷热源、应用大型的制冷和制热泵系统、为沿海城市进行集中冷暖供应的方案， 并进行了一系列的分析说明。

　　我国**个海水源热泵项目于 2004年在青岛发电厂职工食堂建成使用， 运行效果良好。 2008年， 青岛奥帆委在媒体中心的建设中成功应用海水源热泵技术， 设计建设了海水源热泵空调系统，每年可节约运行资金 12万元， 这在全国已建成的公共建筑中尚属首家。

　　2 海水源热泵空调系统原理海水源热泵空调系统通常由海水循环管路系统、水环热泵系统和室内空调管路系统 3部分组成。

　　在冬季工况 （供热工况 ）下， 从取水口泵送来的海水通过板式换热器将热量传递给水环系统的循环工质 （本工程取乙二醇溶液 ）， 海水经过换热放出热量后， 温度降低， 经处理后， 由排水口排入大海， 这一过程被称为一次换热过程。 水环系统的循环工质将吸收来的热量送入热泵机组的蒸发器中， 将热量传递给热泵工质， 这一过程被称为二次换热过程。 然后， 通过热泵循环再将热量输送给热泵机组冷凝器， 以加热室内送风。 因此， 海水源热泵空调系统经过两次换热过程， 将从海水中吸收来的热量传递到室内， 达到向室内供热的目的。

　　在夏季工况 （制冷工况 ）下， 从取水口泵送来的海水通过板式换热器将冷量传递给水环系统的循环工质 （本工程取乙二醇溶液 ）， 海水放出冷量后， 温度升高， 由排水口排入大海中。 而水环系统的循环工质将吸收来的冷量在热泵机组的冷凝器中释放出来， 通过热泵循环再将冷量输送给热泵机组蒸发器来降低室内温度。

　　3 串并联混合式海水源热泵空调系统原理

　　针对传统压缩机海水源热泵空调系统存在的一些问题， 我们对该系统进行了改进， 提出了一种串、并联混合式海水源热泵空调系统。

　　该系统与原有系统的不同之处在于： 增加了一个中冷器， 改变了两个压缩机的连接方式。 运行工况如下。 在夏季， 此系统两压缩机并联运行， 此时电磁阀 a， b和膨胀阀 b 开， 制冷剂从蒸发器流出后分别进入两台压缩机， 压缩后统一进入冷凝器进行换热。 换热完成后进入中间冷却器实现过冷， 再经过膨胀阀 b进入蒸发器， 实现系统循环。

　　在冬季， 此系统为二级压缩系统， 此时电磁阀c， d和膨胀阀 a， b开启。 制冷剂从蒸发器中流出，先进入低压级压缩机进行低压压缩， 流经中冷器冷却至饱和蒸汽状态进入高压级压缩机进行二级压缩， 经冷凝器进行换热后的高压液一部分经膨胀阀 a进入中冷器与低压级压缩后的制冷剂混合， 再次进入高压级压缩机， 而另一部分经过中冷器的冷却盘管进行再冷， 获得较大的再冷度， 再经膨胀阀 b节流进入蒸发器。

　　该系统解决了因冷热负荷与温差不匹配所出现的问题， 而且加入中间冷却器， 可使低压级工质被压缩机压缩后， 首先进入中冷器。 由于在中冷器中高低压级工质是直接混合的， 可以将中冷器中的气态工质冷却到中间压力对应的饱和温度， 再进入高压级压缩机， 以降低高压级压缩机的功率，有利于节能。 就其单个压缩机而言， 冬季采用双级压缩， 压缩比很小， 这样压缩机的总效率可以得到很大的提高。 在相同工况下， 改进后的压缩机可以比改进前的压缩机功率小得多， 从而可减少设备的初投资和运行费用。

　　4 两种系统的性能比较

　　以天津市某一公共建筑为例： 该建筑面积为1 000 m 2； 室内设计温度冬季为 18 20 ！ ， 夏季为 24 26 ！ ； 单位面积冷负荷指标为 83. 42 W / m 2， 总冷负荷为 83. 42 kW； 单位面积热负荷指标为 58. 58W /m 2， 总热负荷为 58. 58 kW. 选用 W FI生产的 EKW 090 热泵， 制冷量为 90 kW， 制热量为 120 kW； 采用 R22 为制冷剂， 双涡旋压缩机，制热*大输入功率为 37 kW， 单压缩机功率为18. 5 kW.

　　4. 1 状态参数的确定夏季： 蒸发温度为 0 ！ ， 冷凝温度为 31 ！ ； 海水温度为 25. 2 ！ ； 负荷侧进出水温度为 10 ！ / 4. 5 ！ ； 水源侧进出水温度为 21. 1 ！ /27. 7 ！ .

　　冬季： 蒸发温度为 - 8 ！ ， 冷凝温度为 60 ！ ；海水温度为 3. 7 ！ ； 负荷侧进出水温度为 50 ！ / 55 ！ ； 水源侧进出水温度为 3. 7 ！ /1. 3 ！ .蒸发器取过热为 8 ！ .

　　在夏季， 该系统两压缩机并联运行， 制冷量能完全得到满足。 本文将重点讨论冬季情况下的制热性能， 尽量减少机组过剩的制热能力， 以实现改进机组与建筑物的需求相互匹配。

　　根据已知工况条件， 可查出各个点的状态参数。

　　4. 2 两种系统压缩机的制热循环性能系数比较

　　4. 2. 1 串并联双压缩机制热循环的性能系数流经高压级的质量流量为：m g = Q 0 h 4 - h 5 = 58. 58 436. 7- 244. 6 = 0. 368 kg /s高压压缩机的功率消耗为：N g = m g（h 4 - h 3） = 0. 386 （ 436. 7- 412. 7） = 8. 832 kW流经低压级的质量流量为：m d = m g（h 3 - h 5）h 2 - h 6 = 0. 368 135. 1 204 = 0. 244 kg /s低压压缩机的功率消耗为：N d = m d（h 2 - h 1） = 0. 244 （ 432. 9- 407. 6） = 6. 173 kW压缩机总功率为：N =N d + N g = 8. 832+ 6. 173= 15. 005 kW串、并联双压缩机制热循环的性能系数为：CO P = Q 0 N d + N g = 58. 580 15. 005 = 3. 904 4. 2. 2 传统双压缩机制热循环的性能系数在制热量为 Q 0时流经压缩机的质量流量为：m = Q 0 h B - h D = 58. 58 461. 5- 277. 6 = 0. 319 kg /s压缩机的功率消耗为：N =m （h B - h A） = 0. 319 （ 461. 5- 407. 6） = 17. 194 kW

　　传统双压缩机制热循环的性能系数为：COP = Q 0 N = 58. 58 17. 194 = 3. 407经过详细的计算可知， 就单个压缩机来说， 采用串、并联双压缩机海水源热泵空调系统， 压差比远小于传统制热循环的压差比， 压差越大越容易造成泄漏， 使容积效率降低， 性能下降。 采用双级压缩后， 随着中冷器的加入， 高压压缩机的排气温度大幅降低， 可以提高系统的可靠性。 经过改进的串、并联双压缩机海水源热泵空调系统的制热性能系数较传统的双压缩机海水源热泵空调有了很大提高， 新热泵系统的性能系数为传统系统的1. 15倍， 在热负荷相同的条件下所耗功率大大降低， 表明该系统较传统系统更加节能。

　　5 结论

　　（ 1）双压缩机海水源热泵系统从海水中汲取低品位能， 效率高， 无污染， 使用安全可靠， 适应于北部沿海地区使用， 冬天为用户供暖或提供生活用热水， 夏天可用于空调制冷。

　　（ 2）中冷器的引入， 可将低压级压缩机的排气温度冷却至饱和状态， 降低高压级压缩机工质的进口温度， 因其内部设有液体冷却盘管， 可使来自冷凝器的高压液获得较大的再冷度， 既有节能作用， 又利于系统的稳定运行。

　　（ 3）通过对这两种系统进行的性能分析表明， 本文提出的串、并联双压缩机海水源热泵空调系统较原有系统更加节能， 适合在我国北部沿海应用。