基于冷却塔逆用的热泵制热系统火用分析

2.2 2.2.1
螺杆式热泵机组制冷剂回路 压缩机 方程 功率：
分析
1) 外部输入压缩机
EX in,com Wcom
式中： EXin,com —— 外部输入 2) 压缩机获得的 功率， J/s
（ 4）
功率 ：
（ 5）
EX com mr [(h2 h1 ) T0 ( s2 s1 )]
膨胀阀处节流降压，成为低温低压下的湿蒸汽，进 入蒸发器中，在蒸发器中，低温低压的制冷剂与通 过循环泵输送进来的载冷剂进行换热，制冷剂液体 在压力不变的情况下，吸收载冷剂的热量而汽化， 形成的低温低压蒸汽再回到压缩机，如此反复循环。 载冷剂通过循环泵在 RUWCT 中进行循环喷淋，与 空气进行显热和潜热交换，不断吸收外界大气环境 中热量。
进行进一步分析，采用
分析方法，分析过程中采
用 4 项评价指标进行综合评价，结合实验测试数据 分析系统运行过程中主要设备的能源利用率，诊断 出系统主要设备的薄弱环节，并能对系统的节能潜 力做出判断，为进一步优化系统指明方向。
1 实验台工作原理
开式横流冷却塔逆用的热泵制热系统实验台的 工作原理如图 1 所示，主要由三部分组成：空调末 端热水 循环系统、螺 杆式热泵制冷 剂循环系统和 RUWCT 载冷剂（水）循环系统。
1 Q W T

T0
s
EX L
（ 3）
EX 2 mr [(h2 h0 ) T0 ( s2 s0 )]
2) 制冷剂传递给空调末端热水的 功率：
（ 10）
EX cr mr [(h2 h3 ) T0 ( s2 s3 )]
式中： EX cr —— 制冷剂传递给末端热水的 h3 —— 冷凝器出口制冷剂比焓， J/kg s3 —— 冷凝器出口制冷剂比熵， J/kg oC 3) 空调末端热水所获得的 功率：
文章编号：
基于冷却塔逆用的热泵制热系统 分析
吴加胜 1 周晋 1* 张国强 1 张泉 1
1
湖南大学土木工程学院 湖南省长沙市 410082
摘
要：冷却塔逆用已经在热泵制热系统中得到实际应用并取得了一定的节能效果。本文从热力学第二定律的角
度，对冷却塔逆用作为低温热源的热泵制热系统进行了 分析。构建了系统各部件 分析数学模型，并结合实验 系统现场测试数据进行分析，分析过程中采用 损失、 效率、 损失率、 损失系数评价指标综合评价。结果 表明在系统制热工况下，末端空气处理机组与压缩机 损失、 损失率明显高于整个系统中其他设备及部件， 损失率分别为 14%和 12%，是整个系统改进的主要对象。该研究有助于诊断出系统主要设备的薄弱环节，并能对 系统的节能潜力做出判断，为进一步优化系统指明方向。 关键词：冷却塔逆用；热泵；制热； 分析
图1
实验台工作原理图
I: 螺杆式热泵 II: 冷凝器 III: 膨胀阀 IV: 蒸发器 V: 逆用式冷却塔 VI: 水泵 VII: 空调末端 AHU VIII: 流量计
实验系统制热运行时，从压缩机排出的高压气 态制冷剂进入冷凝器，在冷凝器内，高压气态制冷 剂与通过空调循环泵输送进来的空调用水进行换 热，加热空调用水，在压力不变的情况下，冷凝器 内制冷剂蒸汽温度降低，凝结成液体从冷凝器流经
3) 压缩机
h0 —— 系统所在环境的比焓， （ J/kg ） s0 —— 系统所在环境的比熵， （ J/kg oC） 2) 系统过程 的变化值：
（ 2）
com EX com EX com,in
4) 压缩机不可逆 损失 ：
EX com,L EX com,in EX com
5) 压缩机 功率损失率 ：
（ 7）
EX (hout hin ) T0 ( sout sin )
式中： Ex——系统过程单位质量
EX,com EX com,L EX sys
的变化量， （ J/kg ） 式中： EXsys ——系统制热工况不可逆 6) 压缩机 损系数 ：
（ 8）
hin —— 系统过程中始点的比焓， （ J/kg ） hout —— 系统过程中终点的比焓， （ J/kg ） sin —— 系统过程中始点的比熵， （ J/kg oC） sout —— 系统过程中终点的比熵， （ J/kg oC） 3) 循环系统的 平衡方程
功率损失， J/s
com EX com,L EX sys,in
式中： EXsys,in —— 系统制热工况总输入功率， J/s 2.2.2 冷凝器 方程 功率：
（ 9）
对于整个热泵循环系统而言，由于工质完成循环而 作为状态参数的 并没有变化， 根据 平衡方程的一
般关系式，故而有：
1) 压缩机输入冷凝器
Exergy analysis of a heat pump heating system with a reversibly used cooling tower
Jiasheng Wu1 Jin Zhou 1* Guoqiang Zhang1 Quan Zhang 1
Abstract: A mechanical draft cooling tower may be reversibly used, as part of a heat pump system for service hot water, to extract free heat from ambient air. It is advantageous in minimizing the total installation and operating cost. The research focused on the analysis and the evaluation of the exergy performance of the heating system and its components. The second law of thermodynamics performance analysis, also called the exergy performance analysis, can point out the inefficient components of the system with great improvement potential more accurately. And experimental study of a heat pump system is presented, and the analytical formulas of exergy loss, exergy efficiency, exergy loss rate and exergy loss coefficient were derived, respectively. According to the comparison, the most exergy is consumed by the AHU and the compressor, whose exergy destruction ratios are about 14% and 12%, respectively. To achieve better whole system's exergy performance, the recommend improvements should focus on these two kind of components, Furthermore, the results can draw an engineer's attention towards the components where the most availability is being destroyed and quantify the extent to which modification of one component affects, favorably or unfavorably, the performance of other components of the system. Key words: Reversibly used cooling tower; Heat pump; Heating; Exergy analysis
引言
冷却塔作为传统的散热冷却设备，其研究工作 在我国始于上世纪七十年代末，鼎盛于九十年代中 末期，在此期间，我国的冷却塔技术的理论与实践 的基础得以奠定并开始迅速发展。但是，将冷却塔 作为吸热设备（ RUWCT 或热源塔） ，国内外在这方
周晋 副教授 博士 † E-mail: zhoujin_y@
（ 11）
式中： EX4——输出膨胀阀的 3) 膨胀阀的不可逆 功率， J/s 损失 ：
（ 19）
功率， J/s
EX exp,L EX 3 EX 4
EXexp,L ——膨胀阀不可逆 4) 膨胀阀的 损失率 ： 损失
EX cw mcw [(h2w h3w ) T0 ( s 2w s3w )]
h1 —— 压缩机入口制冷剂比焓， J/kg h2 —— 压缩机出口制冷剂比焓， J/kg s1 s2 —— 压缩机入口制冷剂比熵， J/kgoC —— 压缩机出口制冷剂比熵， J/kgoC 效率 ：
（ 6）
—— 系统中任意一点的比焓， （ J/kg ） —— 系统中任意一点的比熵， （ J/kg oC）
2 热泵制热系统 分析
2.1 系统 分析物理基础 值可定义为：
（ 1）
式中： EXcom —— 压缩机获得的 mr 功率， J/s
1) 系统中任意一点的
—— 制冷剂质量流速， J/kg
EX i (hi h0 ) T0 ( si s0 )
式中： EX i —— 系统中任意一点的 hi si 值， （ J/塔在过渡季节 逆用已经在一些空调制热系统中得到实际应用并取 得了良好的节能效果 [1]。 文献 [2, 3]分析了开式热源塔的结构特点及工作 原理，认为热源塔设备应用于空调热泵系统中可使 得冷热源合一，且该冷热源方案非常具有前景。