探讨最新几种多效空气源冷水(热泵)机组

探讨最新几种多效空气源冷水(热泵)机组引言现今，全球都面临着越来越严重的能源危机，我国虽能源丰富，但也同时是一个耗能大国，尤其是现在日益加速的经济建设，而且能源利用率低，造成每年都进口大量的能源来弥补不足，从表1可以看出日益增加的能源缺口。

空气源冷水(热泵)机组因为其无冷却水系统而带来的安装方便等，所以在许多工程上都得到首选。

但是怎样提高此类机组的效率、怎样应用更节能是我们永远的课题。

表1 1990-2005年中国能源平衡表[1~6]目前国内的宾馆、酒店、大型医院、高档住宅等场所，一般都设有中央空调系统和全天24小时热水集中供应系统；又如大部分食品、医药、化工工厂等场所，一些工段需要反应工艺冷却水和另外一些工段需要热水浴反应等的工艺热水[7]。

这些场所大都采用冷水机组提供空调冷水（或工艺冷水），采用燃油锅炉、电锅炉或热水机组提供洗浴生活热水（或工艺热水）。

这种两套系统的弊处显而易见：供给冷水时机组在制冷时产生的冷凝热散入到大气环境造成能源浪费和环境温度升高的热污染，同时制取低品位的热水又消耗了一定量的高品位电能等。

这种两套系统的使用方式不节能，不符合能源可持续发展的要求。

实际上完全可以利用制冷排出的冷凝热来制取所需要的热水。

本文探讨了几种制冷、制热和制热水多效的机组，其具有更好的能源利用率，以下逐一介绍，系统流程图中冷水以空调冷水为例。

1 回收热水风冷冷水机组1.1回收热水风冷冷水机组（部分热回收）图1 图2系统流程如图1，最大热回收量一般按30%设计。

此类机组可以实现在制冷（冷水）的同时制取热水，热水温度传感器置于热水储桶内，热水温度到达热水要求温度上限时热水循环泵停止运转，随着热水使用消耗、自来水补入储水桶内，热水温度传感器感测到热水温度低于热水要求温度下限时热水循环泵又启动运转开始热回收蓄热。

但是以上热回收都是基于冷水温度未到达冷水设定温度下限、机组仍在制冷，如果到达、机组执行卸载以至停机（停压缩机），此时将无法再回收到热量、热水温度不再上升，当冷水温度上升到高于冷水设定温度上限，压缩机又重新启动后，又可回收到热量。

即此机组在制冷温度到达而停机时无法再回收热量和过渡季节不使用空调制冷时无法再提供热水，此机组不能用来单独制取热水。

1.2回收热水风冷冷水机组（全热回收）系统流程如图2，冷凝热全回收，热回收能力相对大。

控制上按“回收热水”或“不回收热水”可选择设定的要求来设计，设定为“回收热水”时，此类机组同样可实现在制冷的同时制取热水，运转中热水温度到达热水设定温度上限时热水循环泵停止运转，同时电磁阀SV1打开SV2关闭，系统按照风冷冷水机组模式运行，热水温度低于热水设定温度下限时热水循环泵又启动运转、SV2打开SV1关闭，开始热回收蓄热。

同样此机组在停机后无法再回收热量和不使用空调制冷时无法再提供热水，不能单独制取热水。

设定为“不回收热水”时，系统按照风冷冷水机组模式运行。

上两类机组可适用于一年四季有比较恒定冷负荷，同时又需要一些热水的场所。

如食品工厂连续冷却生产设备或冷却流水线上刚出模的热加工食品，同时给流水加工线上清洗原料供温热水及作生活热水使用。

又如全年都需制冷的机房空调，同时提供一些生活热水。

2 回收冷水空气源热水机组2.1回收冷水空气源热水机组（部分冷回收）系统流程如图3，冷回收量一般按50%设计，控制上按“回收冷水”或“不回收冷水”可选择设定的要求来设计，此类机组可实现在制热水的同时制取适量冷水，冷水温度传感器置于冷水蒸发器入水管口，设定为“回收冷水”时，开机后热水泵、冷水泵都启动运转，冷水温度传感器感测到冷水温度高于冷水设定温度上限时，SV3打开SV2关闭（SV1保持打开状态）、开始冷回收，当冷水温度低于冷水设定温度下限时，SV2打开SV3关闭（SV1仍保持打开状态）、停止冷回收、系统按照空气源热水机组模式运行，冷水泵继续运转、控制器继续监控循环冷水温度变化情况。

能连续制取冷水的前提是此段时间内热水温度未到达热水设定温度上限、压缩机未卸载停机，当到达、压缩机卸载停机，此刻起制取不到冷水、直到热水温度低于热水设定温度下限时压缩机再启动。

设定为“不回收冷水”时，开机后热水泵启动运转、冷水泵不运转，系统按照空气源热水机组模式运行。

图3 图42.2回收冷水空气源热水机组（全冷回收）系统流程如图4，冷回收量为100%，控制设计同2.1，运行方式亦同2.1。

此类机组可实现制热水同时制取全量冷水。

此两类机组适用于美容、美发和洗浴中心等四季都不停使用热水的场所，同时可在夏季提供空调和除湿用冷水，也适用于食品工厂连续使用温热水解冻原料的同时使用冷水冷却设备等。

3 回收热水空气源冷水（热泵）机组3.1回收热水空气源冷水（热泵）机组（部分热回收）系统流程如图5，最大热回收量一般按30%设计。

此类机组可在制冷的同时制取生活热水、也可在制热的同时制取生活热水，但制冷、制热时的热水制取能力不同。

而且在制冷（热）温度到达而停机时无法再回收热量和过渡季节不使用空调制冷（热）时无法再提供热水，不能单独制取热水。

此类机组适用于常规空调系统，在开机运行的同时蓄存适量生活热水。

图5 图63.2回收热水空气源冷水（热泵）机组（全热回收）系统流程如图6，冷凝热全回收。

此类机组设计为在制冷（冷水）的同时制取生活热水、也可在冬季制热的闲时制取生活热水，可单独制取空调冷水、空调热水或生活热水三者任一。

控制上按“回收热水”或“不回收热水”可选择设定的要求来设计，设定为“回收热水”后，自动进入下一级菜单：“使用中＋闲时”、“只使用中”或“只闲时”三者设定只能选一，机组用于白天上班空调系统时，建议夏季选择“只使用中”、冬季选择“只闲时”，这样夏季回收免费热量，冬季利用谷电制热水，比较节省电费。

夏季制冷时，选择“使用中＋闲时”或“只使用中”，在白天开机使用中，生活热水温度到达热水设定温度上限时热水循环泵停止运转，同时电磁阀SV1打开SV2关闭SV3关闭，自动停止热回收、按风冷冷水机组模式运行，生活热水温度低于热水设定温度下限时热水循环泵又启动运转、SV3、SV2打开SV1关闭，又自动转入热回收。

冬季制热时，选择“使用中＋闲时”或“只使用中”，在白天开机使用中空调热水温度到达设定值时电磁阀SV2打开SV1关闭，自动转入只制生活热水，空调热水温度低于设定值时SV1打开SV2关闭，又自动转入空调热水制热。

不论制冷制热时，选择“只闲时”，可以手动或自动在晚上谷电时单独制取生活热水蓄热，设置为“不回收热水”时，系统按照风冷冷水（热泵）机组模式运行。

此类机组适用于常规空调系统，在开机运行的同时或夜间谷电时蓄存适量生活热水。

4 空气源冷热水随用机组系统流程如图7、图8。

本机组可以实现只制冷水、只制热水或同时制取冷水和热水三者任一使用工况。

图7是利用四通换向阀实现三用工况切换，图8是利用电磁阀实现。

此机组的一个优势是在冷热水同出的使用工况时能力相对提升，因为此工况比只制冷名义工况下的冷凝温度有所降低，比只制热名义工况下的蒸发温度提高许多；另一个优势是可以将冷水蒸发器制作为满液式或降膜式高效蒸发器，提高整机效率，当然这需要好的回油技术。

图7 图8图7、图8对应的三种工况各阀切换状态如表2和表3。

表2 图7不同使用工况对应的各阀件状态（电磁阀为常闭电磁阀，下同）表3 图8不同使用工况对应的各阀件状态作者在2005年底按照图8的系统流程图制作了样机，制冷剂采用R22，并在环境试验室进行了各种工况的测试，效果良好，测试结果见表4。

此类机组的设计必须考虑以下两个问题：一、高环境温度下制热水时的系统安全运行控制，在夏季高环境温度（35到40℃甚至以上）机组制热水时会蒸发压力偏高、吸气过热度偏大，严重时带来压缩机过载、线圈过热等后果，以致压缩机烧毁，所以必须控制高环境温度下蒸发压力和吸气过热度，使用带MOP功能的热力膨胀阀或限制电子膨胀阀最大开启步数和调节室外盘管风机的风量，设置液旁通是可以很好解决这一问题的，而且压缩机电机的容量裕度要稍大。

表5中35.8℃环境温度下的能力是进行自动调节限制的试验值，不作限制测得的制热量为140.9kw，制热消耗功率为29.9kw。

二、低环境温度下制热水时的系统安全运行控制，同风冷热泵一样，结霜不可避免，要求必须有良好的除霜控制功能，同时由于蒸发压力低、冷凝压力高，压缩比大引起压缩终了排气温度过高，劣化润滑系统，分解润滑油、烧毁润滑面、动密封面。

所以必须设置排气温度过高停机保护，出水温度过高保护和防频繁启停保护，以及系统设置适量的液旁通控制等。

此机组可适用于四管制、双盘管的空调系统（除湿＋再热）和有热岛效应的空调系统，机组出冷热水的水管不需要互相切换。

也适用于前面所述各类的使用场所。

5 说明热水热回收量一般按40℃入水，45℃出水为基准，本文的1.1和3.1中的30%是基于这一温度，同时是相对制冷名义工况的制冷量而言。

制冷剂按R22，冷凝温度t c＝50℃，取蒸发温度取t e＝2℃，过冷度SC＝3℃，过热度SH＝5℃，在此工况下机组排气温度取t2＝85℃。

图9参考文献[8]，排气焓值h2＝417.03＋1.129×35＝456.545 kJ/kg节流后焓值h5＝h4＝263.27－1.414×3＝259.028 kJ/kg蒸发后焓值h1＝405.59＋0.753×5＝409.355 kJ/kg单位质量制冷量q c＝h1－h5＝409.355－259.028＝150.327 kJ/kg考虑系统的稳定运行，热回收名义工况下热回收后的制冷剂气体含液量最大按5%设计，即干度X＝0.95，尤其对于3.1的系统，热回收器后是四通阀，含液太多会导致四通阀切换不灵敏、甚至损坏四通阀，同时此机组中四通阀应高压管垂直向上或电磁导阀向上、阀体水平安装。

则热回收器出口制冷剂的焓值h R＝417.03×0.95＋263.27×0.05＝409.324 kJ/kg单位质量热回收量q R＝h2－h R＝456.545－409.324＝47.203 kJ/kg热回收率y R＝q R/ q c＝47.203/150.327≈30%本文中的几类机组制热水时，使用中不可一味追求高出水温度，尤其是2.2和4中的机组，在冬季低温制热水时，循环终了水温设定太高时，机组不可避免发生排气温度超高保护，压缩机间歇启停，而且压缩机超范围运行，长时间会缩短压缩机寿命，烧毁压缩机。

低温高湿地区和冬季低温期长的地区，不利于空气源热泵工作，不推荐使用空气源热泵为主来制热水，如使用，热泵出水温度不可太高，可配置燃气锅炉对热水再升温后送到用户。

在模拟恒定热负荷试验中，环境温度降低时，出水温度也降低，实际使用中环境温度降低时用热量会增加，必须配置辅助加热设备。