小型海水源熱泵空調系統的設計

第 1 4卷第 7期2 0 1 4年 3月 1 6 7 1 — 1 8 1 5 ( 2 01 4) 0 7 — 0 1 7 8 - 0 3 科學技術與工程 S c i e nc e Te c hn o l o g y a nd En g i ne e r i n g VoI ．1 4 No ． 7 Ma r ．2 01 4 ⑥2 0 1 4 S c i ． T e c h ． E n g r g ． 動力技術 小型海水源熱泵空調系統的設計 宋祥磊 孟春站 邵理 堂 劉學 東 ( 淮海工學院 ， 連云港 2 2 2 0 0 5 ) 摘要 設計制作 了一臺海水源熱泵空調系統， 該系統以海水作為熱源。制作設計采用功率為 1 1 0 0 W 定速壓縮機， 考慮到 海水的腐蝕性， 海水端換熱器選用不銹鋼材質的板式換熱器。對設計的系統進行實驗， 結果表明： 系統的能量／ 熱量轉換效率 ( c o e ffic i e n t o f p e ff o r me n c e ， C O P ) 和制冷性能系數( e n e r gy e f fi c i e m y r a t i o ， E E R) 分別為4 ． 1 5 9和4 ． 4 1 2 ， 比空氣源的熱泵空調系統 ( 等功率) 的C O P和 E E R分別提高2 6 ％ 和 3 3 ． 6 ％， 并且本系統無結霜現象， 不會產生城市的熱島現象。 關鍵詞 海水源熱泵空調 板式換熱器 換熱效率 毛細管 能效比 中圖法分類號T K 1 1 4 ； 文獻標志碼A 隨著經濟 的發展 ， 人類對能源的需求越來越多 ， 但是石油、 煤及天然氣等能源在 日 益枯竭， 能源問題 已成為各 國經濟發展的瓶頸， 為了獲取更多的能源 ， 許多 國家不惜發動戰爭。另一方面 ， 人們的生活水 平不斷提高 ， 空調的利用幾乎遍及全球 ， 空調的普及 也加劇了能源的短缺問題。節約能源和可再生能源 的利用 日益被人們 重視 ， 很多的也 已經開始開發利 用 ， 如太 陽能、 風能、 潮汐能、 核能等¨ ． 2 J 。 海水的熱能源于太陽且儲量巨大， 是可再生能 源 ， 并且在一定深度下海水的溫度受氣溫影響很小 ， 全年較為穩定 ， 在 1 5℃左右 ， 是空調系統 中理想 的熱冷源 ， 其次海水源熱泵系統造成 的污染物排放 ， 比較空氣源熱泵或 電供暖少許多 ， 夏季不會 向大氣 排放熱量 ， 不會加劇 了城市的“ 熱 島” 效應。據美 國 環保署 ( E P A) 估計 ， 設計安裝 良好 的水 源熱泵可系 統節約用戶 3 0 ％ ～ 4 0 ％的運行費用 。 目前國內外研究和建設的海水源熱泵系統都是 大中型， 例如 ： 國外 ， 如悉尼歌劇院和大阪南港宇宙 廣場區域供熱供冷工程。國內 ， 由青島市環保局 、 青 島新天地環保公 司和青島發電廠合作建造的海水源 熱泵樣板工程 ， 在青 島發 電廠投入使用 ， 項 目投資 2 0 0萬元 ， 是我國第一個 利用海水作 為能源。但是 ， 適合船用或島嶼及臨近海水居民用的小型家用的海 水源熱泵系統市場沒有相關產品。 2 0 1 3年 1 O月 1 0日收到 ， 1 O月 3 0日修改 淮海上學 院 自然科學 項 目 ( Z 2 0 1 1 0 4 5 ) 資助 第一作者簡介 ： 宋祥磊 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 講師 ， 碩士研究生 。研究方 向： 能源動力。E — ma i l ： s o n g x i a n g l e i @t o m． c o n。 1 小型海水源空調 系統設計 小型海水源熱泵空調系統的組成 由室 內機組與 室外機組構成 ， 其工作原理如圖 1所示。流經室外 和室 內換熱器的介質分別為海水和空氣 ， 通過 電動 的四通換 向閥來進行換熱器功能的切換 ， 以使房 間 獲得熱量或冷量。制熱循環時 ， 室外海水流過蒸發 器而室內的空氣流過冷凝器 ； 在制冷循環時， 室外海 水流過冷凝器而室內空氣流過蒸發器 。室內機采用 空氣源空調系統 的室 內機 。室外機 的組 成主要包 括 ： 壓縮機 、 四通 閥、 板式換熱器 、 干燥過濾器 、 毛細 管 、 循環水泵 。壓縮機采用 1 1 0 0 W 定速壓縮機 ； 干 燥過濾器根據管道尺寸要求采用一端 1 1 c m另一端 5 c m的干燥過濾器 ； 毛細管尺寸為內徑 1 ． 6 m m， 長 度為 5 9 c m( 具體將另文計算得出) 。 棠 圖 1 海水 源熱 泵空調原 理圖 1 ． 1 板式換熱器面積計算 設計采用 的不銹鋼材質 的板式換熱器 ， 由一系 列相互平行 、 具有波紋表面的薄金屬板相疊而成 ， 在 相同的金屬耗量下板式換熱器 比其他換熱器的傳熱 面積大 ， 流體在換熱板之問的波紋 形槽道 中流動能 7期 宋祥磊， 等 ： 小型海水源熱泵空調系統的設計 1 7 9 夠產生強烈的擾動， 因此傳熱系數增大 。板式換 熱器換熱總量 ≥ 3 5 0 0 W ( 本文設計功率參照格 力型號為 K F R 一3 5 G W，／ K( 3 5 5 5 6 ) K 1 C —N 2的定速 空氣源熱泵空調 ， 其 制冷量為 3 5 0 0 W， 能效 比為 3 ． 3 ) 。根據計算公式( 1 ) 、 式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 可以計 算出所需板式換熱器的換熱面積 A 。 = k A A t ( 1 ) O L靠Og (2 ) —— + —— + rJl + rJ， + —— A “ 。 設計選擇 B P型板片 ， 板間距 S=4 ． 8 mm， 流道 寬 6=4 3 0 mm， 板厚 6=0 ． 8 mm， 根據產品規格的 參數 ， o ／ l、 A、r d 1 、r d 2和 2分別 取 7 0 2 0 、 1 6 ． 3 、 0 ． 0 0 0 0 1 7 、 0 ． 0 0 0 0 0 9 和 8 6 3 7 _ 5 。 求 的 = 3 0 0 0 W／ ( m · K) ， 因此得到換熱面積為 A = = _0 ． 2 3 ( mk A t 3 00 0 )( 3 ) ～ ×5 ～ 、 據此選擇 的換熱器尺寸為 ： 2 0 X 1 4 X 1 0 ( 長 × 寬 X高) 板片 ， 制冷功率為 3 ． 8 k W， 板 片數量為 2 0 片 ， 換熱總面積為 0 ． 2 5 m ， 工作壓力為 3 M P a ， 工作 溫度為 一1 6 0～2 2 5℃。板式換熱器的焊管接 口為 1 9 i l l m， 管牙接 口為 2 0 mi l l 。 1 ． 2水泵的匹配 水泵供給的海水流量必須足夠與換熱工質換 熱 ， 則在換熱時會 出現管道結 霜甚至壓縮機工作 失常的現象。從板式換熱器的換熱量推算 ， 可得換 熱器 巾的換熱J 二 質與海水之間的換熱應平衡。 根據公式 = △ _ 5 j ， 可得海水的流量 = ( 4 ) 式( 4 ) 中 ( f ) 為換熱量 ， =3 5 0 0 W； C為海水 比熱 容 ， C=4 2 0 0 J ／ ( k g· ℃)； P為海水