双源热泵在冷库制冷系统的热回收应用

摘要：通过对双源（水源、空气源）热泵热水机组分析得出，夏季机组从冷库制冷机组的冷却水中吸收热量，通过水源热泵将热量转移到生活热水中去，从而通过降低空调系统的冷凝温度来降低压缩机的压缩比，此方法不仅可降低冷库空调系统的运行功率，增加制冷机的制冷量，延长原有机组的使用寿命；还可产生大量廉价的生活热水，达到节能的效果；冬季冷库制冷机组停止运行，或者制冷机组检修时，机组通过空气源热泵从周围环境中吸热来制取生活热水。

引言

随着我国经济的发展，人们的生活质量要求越来越高，由于反季节消费，食品、饮品等生产企业仓贮等需要冷藏过渡贮存的食物、货物越来越多，为冷藏业发展带来了契机，冷库是冷藏业发展的基础，目前，全国冷库的总容量为700多万立方米。冷库想达到正常的冷藏功能，利用的是空调的制冷功能，从而导致大量的热量通过水以及空气白白排入大气中，没有得到利用.同时随着能源的紧张形势，电热水器以及燃油/气热水器由于能效较低，使得热泵热水器迅速得到了发展，但是人们往往忽视了它的制冷功能。因此，科莱泰克研发的双源热泵热水机组能有效的将热泵热水器与制冷空调系统相结合，提供生活热水的同时，降低了空调系统的冷凝温度，极大地提高了机组的实际利用效率，节省能源，同时有利于减少温室气体的排放。

双源热泵机组介绍

自然界中的水总由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处，从而实现水的由低处向高处流动，制冷循环同样可以把热量从低温传递到高温。所以制冷空调装置实质上是一种热量提升装置，制冷空调装置的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），双源热泵热水机组也是制冷空调装置的一个分支。

科莱泰克双源热泵热水机组（又名空调热水一体机）集成风冷冷热水机组以及热泵热水器两大产品功能，采用一个水冷冷凝器作为热水产生装置，一个风冷冷凝器作为补偿装置，一个蒸发器作为空调冷水产生装置（也可以作为冷却水用途），能够同时提供热水以及空调冷水，具备热水器以及制冷空调的两个功能，因此具有其它空调系统以及热水系统没有的极大优势。机组也可以单独作为热水机或空调机使用。

图2双源热泵热水机组系统原理图

如图2所示，双源热泵热水机组，主要由压缩机、蒸发器、热水冷凝器、翅片换热器、膨胀阀五部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取蒸发器中的热量）---压缩---冷凝（放出热量）---节流---再蒸发的热力循环过程，从而将低温介质里的热量转移到水中，双源热泵热水机组在工作时，与普通的空调以及热泵机组一样，在蒸发器中吸收低温环境介质中的能量ＱA;它本身消耗一部分的能量，即压缩机耗电ＱB，通过工质循环系统在冷凝器中进行放热Ｑc，Ｑc=ＱA＋ＱB，因此双源热泵热水机组的效率为（ＱA＋Ｑc／ＱB，远大于制冷机组的ＱA／ＱB，以及热泵系统的Qc／QB，由此可以看出，双源热泵热水技术可以同时提供制冷以及制热功能，可以节约大量的电能，同时还降低ＣＯ2等污染物的排放量，实现节能减排的效果.

工程概况

本项目是应“真功夫餐饮连锁集团”的邀请，对其在东莞的物流配送中心冷库进行系统化的节能改造。本冷库地处广东省东莞市。东莞市地处我国珠江三角洲地区，属南亚热带典型的季风海洋气候。温暖多雨、光照充足，雨量丰沛，温差较小、夏季长、霜期短。全年平均气温为20℃～22℃，日平均气温均在0℃以上.冷库原本已安装有水冷螺杆机组做冷库空调制冷系统，现雇主本着国家节能减排和降低运行费用考虑，想利用科莱泰克公司的双源热泵热水机组来回收冷库制冷系统冷却塔中的热量提供生活热水，同时降低冷冻机的冷凝温度从而降低运行电耗。

根据科莱泰克热泵与东莞市气温条件，估算机组的能效比：

与锅炉相比，科莱泰克双源热泵热水设备占地面积小，不用建锅炉房，设备利用率高，一机冬夏两用，可安装在任何位置，包括天面、设备房等通风良好的场所。

安全性高：科莱泰克双源热泵热水机组，不同于电、燃油、燃气等常规制冷的热能转换设备，而是热量的搬运设备，完全实现水电分离，不存在漏电、触电的现象，也不存在其它安全隐患。系统采用全面安全保护装置，包括配置避雷及漏电接地保护装置等，无任何危险隐患，性能可靠 。

科莱泰克双源热泵热水机组可全自动运行，平时不需要专门的人员看护。不需专职的锅炉技术人员，节省设备的管理与维护费用。双源热泵热水机组绿色环保产品，空气源一种洁净的可再生能源，对环境的影响较小。

设计思路

原制冷系统采用传统的螺杆机，利用冷却塔对冷凝水进行冷却，存在以下问题：①冷凝水温较高，导致制冷系统的冷凝压力较高，从而使得压缩机的压缩比很大，压缩机的功耗增大，大大缩短了压缩机的使用寿命；②冷却塔会有大量的热量白白的散失到大气中，导致城市的热岛效应；③原使用的锅炉系统供热水，不仅运行费用高，而且对环境污染严重，锅炉系统安全性低，还需专门的人员看管。

热回收系统即通过增加热回收设备（科莱泰克双源热泵热水机组），如图3所示，一边利用水管将热回收设备与制冷系统中的冷却塔连接起来，另一边利用水管将回收设备与水箱连接，当双源热泵热水机组运行时，即可从冷却塔的水中吸热，把吸收的热量传递到卫生热水（水箱）中去，此方法不仅很好的回收了冷却塔中的热量，通过降低空调系统的冷凝温度来降低压缩机的压缩比，从而降低压缩机的运行功率，延长原有机组的使用寿命；避免城实的热岛效应，还可产生大量免费的生活热水，达到节能的效果。

改造前与改造后的经济性比较

根据客户提供的数据，原制冷系统，采用两台螺杆机组，制冷剂为R22，压缩机的制冷量为167KW/台，冷却塔的水流量196m3/h.

改造前：

假设改造前冷凝水进入冷却塔的温度为35℃，流出冷却塔的水温为30℃，冷却塔的温差为△t=5℃。

根据上述条件，制冷螺杆机组的工作温度为：

1）.冷凝温度tc≥tw+△tc=35＋△tc，在此冷凝温度取tc1=40℃；

2).蒸发温度te≤tx-△te=－20－△t，在此蒸发温度取te1=－25℃.

按以上要求得出制冷系统的压焓图如图4所示。

图4压焓图A（冷凝温度降低前）

1）制冷量Qc1=167KW/台，压缩机功率：P1=75.0KW/台，E.E.r1＝2.23，压缩机的排气量：A1=463.0m3/h.

改造后：

假设增加的热回收设备从冷却塔的进水温度为30℃，通过机组热回收后，从双源热泵热水机组流出的水温为24℃，与冷却后的水混合进入螺杆机组，假设混合后的水温为28℃，根据上述条件，增加热回收设备后制冷螺杆机组的。冷凝温度为：tc≥tw+△tc=28＋△tc，在此冷凝温度取 tc1=35℃；

保持蒸发温度和制冷量不变，得出制冷系统的压焓图如图5所示。

图5压焓图B（冷凝温度降低后）

2）冷凝温度：Pk2＝35℃，蒸发温度：Pc2＝－25℃，制冷量：Qc2=167KW/台，压缩机功率：P2=67.0KW/台，E.E.r2＝2.49，压缩机的排气量：A2=443.8m3/h.

通过以上数据比较得出，通过双源热泵机组降低螺杆机组的冷凝水进水温度，在保持制冷量不变的情况下，可减少螺杆机组压缩机的排气量，从而降低其冷凝压力和压缩比，同时降低了压缩机的运行功耗，有效的提升了机组的能效比，延长螺杆机组的使用寿命.

热水工程设备选型

珠三角地区，全年冷水计算平均温度15℃，热水计算参数55℃，最高升温40℃，

每天热水用量为40m3，每吨水最高升温40℃，所 需热量为：

40m3×40℃×1000Kcal/T·℃=1600000Kcal

折算为电当量kWh为：1600000kcal÷860kcal/kWh=1860.46kWh，

充分考虑机组抗疲劳，机组每天工作时间按12小时计算，机组所需制热功率为：1860.46KWH÷12H=155.04KW，

该冷库的热回收设备共选用科莱泰克双源热泵热水机组2台25匹机组（型号为CAM-100XB，每台制热量90.0KW，平均输入功率18.86KW），作为冷库热回收系统主机.

经济性分析

科莱泰克双源热泵热水机组经济性比较

每吨热水成本比较(见表1)：（以15℃的冷水，加热至55℃的热水，需要40000千卡的热量为例）：

表1各种加热装置的成本比较

表1各种加热装置的成本比较

投资评估

根据该冷库实际情况和当地气候条件等综合估算，使用“科莱泰克热泵机组加热”或“燃气锅炉加热”从下表可以对比出未来热水加热费用情况：

加热设备名称按每天用40吨热水计算年运行费用累计(元)

科莱泰克热泵机加热费用14.25万元/年（还可降低冷库螺杆机组的运行费用）

燃气锅炉加热费用37.46万元/年

从上面估算结果可以看出：科莱泰克热泵机组与燃气锅炉比较，在设备投资额基本相等的情况下；其他方面相比，科莱泰克热泵机组的优势非常明显，主要体现为三个方面：

1）、适用范围广：热泵适用温度范围在-5～43℃，并且一年四季全天候使用，不受阴、雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚的影响，都可正常使用.

3）、运行成本低：在此方案中，与常规的锅炉加热相比，科莱泰克热泵热水机组的热效率远远高于锅炉系统.全年平均下来，常规锅炉辅助加热系统全年耗能比热泵产品全年总耗能要高出很多.

4）、安装方便：热泵占地空间很小，外形与空调室外机相似，可直接接保温水箱或与供暖管网连接，适合于大中城市的高层建筑，对于大型中央供热问题，热泵是最好的选择.

经综合对比采用了科莱泰克热泵机组作为该冷库中央热回收工程的主机；每天加热40吨水估算；使用1.0年内(37.46万元/年-14.25万元/年＋3.02万元/年)×1.0年=26.23万元，直接节省的运行费用相当于初期投资成本.

结论：通过对上述工程实例分析，我们可以看出双源热泵热水机组是一种新型的高效、环保、安全的节能产品.该产品可以作为空调机和热水机一体化运行，也可作为双源热泵进行热回收制取热水.该产品可以有效地解决目前国内有关部门对节约能源、环保、安全等各方面较棘手的问题，可广泛应用于传统的中央空调的冷却水冷凝热热回收，解决了冬季无冷凝废热（空调停运）的制取热水问题，利国利民，值得大力推广应用.

参考文献：

[1]、科莱泰克实用新型专利.[P]2.9冷凝空调与卫生热水一体化的模块式制冷机组

[2]、科莱泰克实用新型专利.[P]2.3从中央空调冷却水中回收热量制取高温热水的热泵机组

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[5]、李松寿，徐世琼等.制冷原理与设备.上海：上海科学技术出版社，1988

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[7]、陈沛霖，岳孝方主编.空调与制冷技术手册.上海：同济大学出版社，1990[9].

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