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【摘 要】在不增设任何换热设备的情况下,空气源热泵可实现对洁净手术部的排风能量回收。在冬季制热运行时不仅可以回收排风中的显热,而且可以回收一部分潜热,为改进空气源热泵提供了重要的参考。
【关键词】洁净手术部;空气源热泵;排风;显热;潜热
The Heat recovery efficient analysis of air-source heat pump based on clean operation department
Wang Yu-lai1,Li Yong-an2
【Abstract】No adding any heating exchanger, air-source heat pump has recoveried energy of Clean operation department exhaust air. when it has been operating in winter, not only the avalible heating but also the unavalible heating could been recovery. The important reference has been given of the air-source heat pump.
【Key words】Clean operation department;Air-source heat pump;Exhaust air;Avalible heating;Unavalible heating
空气源热泵与其他冷热源型式相比具有效率高、使用方便、不会造成水污染等优点,但空气源热泵也有明显的缺点和不足。普通空气源热泵在室外低温环境下运行时,会随着环境空气温度的降低,出现制热量不足、能效比过小等问题[1]。这些不足之处也限制了其推广和使用,本文的目的就是通过对基于洁净手术部排风空气源热泵的效率进行分析,得出热回收效率的计算方法。
1. 基于洁净手术部排风的空气源热泵机组
空气源热泵和其他型式的冷热源相比,在供暖运行时具有较高的初级能源利用率。其优点是安装方便,省去了一套复杂的冷却水系统和锅炉加热系统,同时无需建设专用机房和锅炉房。从能源和环保的角度来讲,可减少一次性能源如煤炭、石油、天然气等化石燃料的消耗量。
本文分析的基于洁净手术部排风的空气源热泵工作原理是:夏季制冷运行时,把洁净手术部的排风作为其高温热源,把室内的热量传递到排风中;冬季制热运行时,将排风中的热量提取出来,使其升温后输送到室内用来供暖。与传统的空气源热泵相比,不同之处在于:高低温热源不一样。传统空气源热泵的高低温热源是地面上的室外空气,而基于洁净手术部排风的空气源热泵的高低温热源是洁净手术部的排风,而排风的特点是:冬季比室外环境空气温度要高,夏季比室外空气温度要低。
2. 热泵效率分析
热泵的性能系数与运行工况有密切相关,仅强调热泵的性能系数有多高而不考虑运行工况是没有任何意义的。在相同工况条件下,热泵的极限性能系数是逆卡诺循环的热泵性能系数。在制冷运行时,制冷机组的效率是用热力完善度的概念来表示的,同样可将热泵的性能系数与相同条件下的逆卡诺循环的热泵性能系数之比称为热泵的效率。热泵运行的热量损失主要有两个方面:一是热泵循环的内部损失,其中有电动机耗能损失、压缩机的机械损失、工质流动损失和散热损失等;二是在高温热源和低温热源端的两换热器,即:冷凝器和蒸发器在热传递过程中的不可逆损失。传热损失除了与热泵换热器的设计和制造水平有关外,还与换热介质和载热介质的性能有关。如以水为载热介质的冷凝器和蒸发器的传热温差一般为5℃左右,而空气源热泵中的冷凝器和蒸发器与空气之间换热的传热温差需要10～15℃,因此空气源热泵的效率比相同温度范围下工作的水源热泵要低。大型热泵机组由于压缩机效率较高,而且其流程热损失相对较小,因此其效率一般要大于小型热泵。目前常规小型的空气-空气热泵的效率一般仅为30%～40%,较大型的空气-水热泵的效率约为50%,而高效的水-水热泵机组系统的效率可达60%以上[2]。
3. 用热泵对洁净手术部排风热回收的效率计算
与普通空调房间相比,洁净手术部单位面积的能耗要大的多。这是由于洁净手术室和其它的辅助功能用房都需要很大的新风量,所以在净化空调系统的各类负荷中,最主要的负荷是新风负荷;而且还要求排除一定数量的室内空气——即排风。因此如何回收排风中的能量,对降低洁净手术部净化空调系统的能耗具有重要意义。但是洁净手术部的排风一般都含有细菌、病毒、麻醉气体挥发物等有害物质,排风不能与新风直接接触,由于采用全热回收存在着交叉感染的风险,所以不采用全热回收系统[3]。只能采用板式换热器、热管换热器等显热交换设备,另外还可选用空气源热泵的方式。
据调查,现在国内生产的一些用于排风能量回收的换热器,其实只能回收排风中的一部分显热,例如其样本标注的热交换效率为70%,实际指的是“显热交换效率”或“温度交换效率”为70%,其全热交换效率要低得多。据测定,当换热器的显热交换效率为70%时,其全热交换效率仅为20%左右,热交换器的显热交换效率可用下式计算[3]:
(1)冬季制热运行的显热交换效率ηH为
ηH =mHs(hHs-hHa)mHp(hHp-hHa)(1)
式中:mHs——冬季制热运行时室外新风的送风质量流量,Kg/s;
mHp——冬季制热运行时的排风质量流量,Kg/s;
hHs——冬季制热运行时室外新风经换热器后送入新风机组时的比焓值,KJ/Kg;
hHa——冬季制热运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hHp——冬季制热运行时排风的比焓值,KJ/Kg。
(2)夏季制冷运行的显热交换效率ηR为
ηR =mRs(hRa-hRs)mRp(hRa-hRp)(2)
式中:mRs——夏季制冷运行时室外新风的送风质量流量,Kg/s;
mRp——夏季制冷运行时的排风质量流量,Kg/s;
hRs——夏季制冷运行时室外新风经换热器后送入新风机组时的比焓值,KJ/Kg;
hRa——夏季制冷运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hRp——夏季制冷运行时排风的比焓值,KJ/Kg
对于用空气源热泵作为其净化空调系统冷热源的洁净手术部来说,有几种选择方式用于对排风中能量的回收,如板式换热器、热管换热器等,但是它们只能对排风中的部分显热进行回收,难以对排风中的潜热进行回收。空气源热泵在冬季制热运行时不仅可以回收排风中的显热,而且可以回收一部分潜热(空气源热泵冬季制热运行时其出风的温度在多数时间里是处于0℃以下的)。可见用基于洁净手术部排风的空气源热泵对排风进行能量回收时,其广义的“热回收量”应为此时基于洁净手术部排风空气源热泵的制热量QHa1与相应的室外空气温度下普通空气源热泵的制热量QHa之差。这主要是因为回收利用了温度较高的洁净手术部排风的因素,会使热泵的运行工况大为改善,使制热量大大增加。
(3)其冬季制热运行的热量回收效率ηHa为
ηHa=QHa1-QHamp(hRa-hRp)(3)
式中QHa1——基于洁净手术部排风空气源热泵在冬季制热运行时的制热量,KW;
QHa——普通空气源热泵在冬季相应的室外空气温度下制热运行时的制热量,KW;
mp——洁净手术部的排风质量流量,Kg/s;
hHa——在冬季制热运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hHp——在冬季制热运行时洁净手术部排风的比焓值,KJ/Kg。
(4)其夏季制冷运行的冷量回收效率ηRa为
ηRa=QRa1-QRamp(hRa-hRp)(4)
式中 QRa1——基于洁净手术部排风空气源热泵在夏季制冷运行时的制冷量,KW;
QRa——普通空气源热泵在夏季相应的室外空气温度下制冷运行时的制冷量,KW;
mp——洁净手术部的排风质量流量,Kg/s;
hRa——在夏季制冷运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hRp——在夏季制冷运行时洁净手术部排风的比焓值,KJ/Kg。
为了分析基于洁净手术部排风的空气源热泵的热回收效率,需在相同的室外环境温度下,对两种条件下的空气源热泵性能参数进行分析对照。具体方法是:把某医院洁净手术部的其中2台空气源热泵当作实验机组,其室外换热器引入洁净手术部的排风作为低温热源,另1台作为参照机组(通常的环境条件);然后是对比普通热泵机组和实验机组,进一步研究基于洁净手术部排风空气源热泵的性能特性。制热量QHa1,QHa,排风的质量流量mp,当t=-7℃时,QHa1=240.2KW(2台),QHa=187.2KW(2台)的数据计算均参照文献[5];由公式(3)可计算出冬季制热运行时的热回收效率ηHa=19.1%;详细计算结果如下表1,(由于条件限制,只验证计算了冬季制热运行的热回收效率):
室外空气温度/℃ 基于排风热泵的制热量(QHa1/KW) 普通空气源热泵的制热量(QHa/KW) 排风焓差热损失mp(hHp-hHa)/KW 热回收效率ηHa/(%)
通过计算可知,基于洁净手术部排风空气源热泵的热回收效率在不同的室外空气温度下其数值是非常接近的。在室外空气温度为-7℃时,热回收效率为19.1%,-3℃时热回收效率为18.1%,3℃时热回收效率为17.5%,7℃时热回收效率为18.1%,个别数据偏差较大是由于数据采集过程中的误差造成的。
4. 结语
基于洁净手术部排风空气源热泵的热回收效率也接近20%,但是不需要增设其他动力设备和体积庞大的换热器,因此不存在动力消耗。而热管等换热器的全热交换效率也仅为20%左右,而且需设置制冷剂动力循环设备和体积庞大的换热设备,需要消耗动力,其总效率是低于全热交换效率的。
可以得出用空气源热泵对排风进行热量回收的效率,是要高于其他换热设备的热回收总效率的。因此在洁净手术部这种特殊环境里,在其他热回收装置不易布置应用的情况下,空气源热泵是一种不错的选择。
通过对洁净手术部的排风进行热回收,有效地解决了普通空气源热泵冬季制热量衰减的难题,使空气源热泵作为洁净手术部的独立冷热源成为可能,从医院的整个空调系统的运行情况来看是可行的,其节能效果也是十分明显的。
参考文献
[1] 制冷空调新技术及进展,刘卫华 主编,机械工业出版社,2004,9。
[2] 周湘江 连之伟 王群:热泵低位热源和工质替代的发展及热泵技术的应用分析,暖通空调,2005,1。
[3] 郑钢:热回收节能在空调系统中的应用,能源技术,2005年6月。
[4] 徐选才 彭荣:夏季工况使用显热回收新风换气机中的几个问题,暖通空调,2005,6。
[5] 王玉来:基于洁净手术部排风的空气源热泵工程应用研究,西安建筑科技大学硕士学位论文,2007年6月。
[文章编号]1006-7619(2009)08-26-780
[作者简介]王玉来(1970.12- ),男,硕士,工程师,动力科科长。
【关键词】洁净手术部;空气源热泵;排风;显热;潜热
The Heat recovery efficient analysis of air-source heat pump based on clean operation department
Wang Yu-lai1,Li Yong-an2
【Abstract】No adding any heating exchanger, air-source heat pump has recoveried energy of Clean operation department exhaust air. when it has been operating in winter, not only the avalible heating but also the unavalible heating could been recovery. The important reference has been given of the air-source heat pump.
【Key words】Clean operation department;Air-source heat pump;Exhaust air;Avalible heating;Unavalible heating
空气源热泵与其他冷热源型式相比具有效率高、使用方便、不会造成水污染等优点,但空气源热泵也有明显的缺点和不足。普通空气源热泵在室外低温环境下运行时,会随着环境空气温度的降低,出现制热量不足、能效比过小等问题[1]。这些不足之处也限制了其推广和使用,本文的目的就是通过对基于洁净手术部排风空气源热泵的效率进行分析,得出热回收效率的计算方法。
1. 基于洁净手术部排风的空气源热泵机组
空气源热泵和其他型式的冷热源相比,在供暖运行时具有较高的初级能源利用率。其优点是安装方便,省去了一套复杂的冷却水系统和锅炉加热系统,同时无需建设专用机房和锅炉房。从能源和环保的角度来讲,可减少一次性能源如煤炭、石油、天然气等化石燃料的消耗量。
本文分析的基于洁净手术部排风的空气源热泵工作原理是:夏季制冷运行时,把洁净手术部的排风作为其高温热源,把室内的热量传递到排风中;冬季制热运行时,将排风中的热量提取出来,使其升温后输送到室内用来供暖。与传统的空气源热泵相比,不同之处在于:高低温热源不一样。传统空气源热泵的高低温热源是地面上的室外空气,而基于洁净手术部排风的空气源热泵的高低温热源是洁净手术部的排风,而排风的特点是:冬季比室外环境空气温度要高,夏季比室外空气温度要低。
2. 热泵效率分析
热泵的性能系数与运行工况有密切相关,仅强调热泵的性能系数有多高而不考虑运行工况是没有任何意义的。在相同工况条件下,热泵的极限性能系数是逆卡诺循环的热泵性能系数。在制冷运行时,制冷机组的效率是用热力完善度的概念来表示的,同样可将热泵的性能系数与相同条件下的逆卡诺循环的热泵性能系数之比称为热泵的效率。热泵运行的热量损失主要有两个方面:一是热泵循环的内部损失,其中有电动机耗能损失、压缩机的机械损失、工质流动损失和散热损失等;二是在高温热源和低温热源端的两换热器,即:冷凝器和蒸发器在热传递过程中的不可逆损失。传热损失除了与热泵换热器的设计和制造水平有关外,还与换热介质和载热介质的性能有关。如以水为载热介质的冷凝器和蒸发器的传热温差一般为5℃左右,而空气源热泵中的冷凝器和蒸发器与空气之间换热的传热温差需要10～15℃,因此空气源热泵的效率比相同温度范围下工作的水源热泵要低。大型热泵机组由于压缩机效率较高,而且其流程热损失相对较小,因此其效率一般要大于小型热泵。目前常规小型的空气-空气热泵的效率一般仅为30%～40%,较大型的空气-水热泵的效率约为50%,而高效的水-水热泵机组系统的效率可达60%以上[2]。
3. 用热泵对洁净手术部排风热回收的效率计算
与普通空调房间相比,洁净手术部单位面积的能耗要大的多。这是由于洁净手术室和其它的辅助功能用房都需要很大的新风量,所以在净化空调系统的各类负荷中,最主要的负荷是新风负荷;而且还要求排除一定数量的室内空气——即排风。因此如何回收排风中的能量,对降低洁净手术部净化空调系统的能耗具有重要意义。但是洁净手术部的排风一般都含有细菌、病毒、麻醉气体挥发物等有害物质,排风不能与新风直接接触,由于采用全热回收存在着交叉感染的风险,所以不采用全热回收系统[3]。只能采用板式换热器、热管换热器等显热交换设备,另外还可选用空气源热泵的方式。
据调查,现在国内生产的一些用于排风能量回收的换热器,其实只能回收排风中的一部分显热,例如其样本标注的热交换效率为70%,实际指的是“显热交换效率”或“温度交换效率”为70%,其全热交换效率要低得多。据测定,当换热器的显热交换效率为70%时,其全热交换效率仅为20%左右,热交换器的显热交换效率可用下式计算[3]:
(1)冬季制热运行的显热交换效率ηH为
ηH =mHs(hHs-hHa)mHp(hHp-hHa)(1)
式中:mHs——冬季制热运行时室外新风的送风质量流量,Kg/s;
mHp——冬季制热运行时的排风质量流量,Kg/s;
hHs——冬季制热运行时室外新风经换热器后送入新风机组时的比焓值,KJ/Kg;
hHa——冬季制热运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hHp——冬季制热运行时排风的比焓值,KJ/Kg。
(2)夏季制冷运行的显热交换效率ηR为
ηR =mRs(hRa-hRs)mRp(hRa-hRp)(2)
式中:mRs——夏季制冷运行时室外新风的送风质量流量,Kg/s;
mRp——夏季制冷运行时的排风质量流量,Kg/s;
hRs——夏季制冷运行时室外新风经换热器后送入新风机组时的比焓值,KJ/Kg;
hRa——夏季制冷运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hRp——夏季制冷运行时排风的比焓值,KJ/Kg
对于用空气源热泵作为其净化空调系统冷热源的洁净手术部来说,有几种选择方式用于对排风中能量的回收,如板式换热器、热管换热器等,但是它们只能对排风中的部分显热进行回收,难以对排风中的潜热进行回收。空气源热泵在冬季制热运行时不仅可以回收排风中的显热,而且可以回收一部分潜热(空气源热泵冬季制热运行时其出风的温度在多数时间里是处于0℃以下的)。可见用基于洁净手术部排风的空气源热泵对排风进行能量回收时,其广义的“热回收量”应为此时基于洁净手术部排风空气源热泵的制热量QHa1与相应的室外空气温度下普通空气源热泵的制热量QHa之差。这主要是因为回收利用了温度较高的洁净手术部排风的因素,会使热泵的运行工况大为改善,使制热量大大增加。
(3)其冬季制热运行的热量回收效率ηHa为
ηHa=QHa1-QHamp(hRa-hRp)(3)
式中QHa1——基于洁净手术部排风空气源热泵在冬季制热运行时的制热量,KW;
QHa——普通空气源热泵在冬季相应的室外空气温度下制热运行时的制热量,KW;
mp——洁净手术部的排风质量流量,Kg/s;
hHa——在冬季制热运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hHp——在冬季制热运行时洁净手术部排风的比焓值,KJ/Kg。
(4)其夏季制冷运行的冷量回收效率ηRa为
ηRa=QRa1-QRamp(hRa-hRp)(4)
式中 QRa1——基于洁净手术部排风空气源热泵在夏季制冷运行时的制冷量,KW;
QRa——普通空气源热泵在夏季相应的室外空气温度下制冷运行时的制冷量,KW;
mp——洁净手术部的排风质量流量,Kg/s;
hRa——在夏季制冷运行时室外空气的比焓值,KJ/Kg;
hRp——在夏季制冷运行时洁净手术部排风的比焓值,KJ/Kg。
为了分析基于洁净手术部排风的空气源热泵的热回收效率,需在相同的室外环境温度下,对两种条件下的空气源热泵性能参数进行分析对照。具体方法是:把某医院洁净手术部的其中2台空气源热泵当作实验机组,其室外换热器引入洁净手术部的排风作为低温热源,另1台作为参照机组(通常的环境条件);然后是对比普通热泵机组和实验机组,进一步研究基于洁净手术部排风空气源热泵的性能特性。制热量QHa1,QHa,排风的质量流量mp,当t=-7℃时,QHa1=240.2KW(2台),QHa=187.2KW(2台)的数据计算均参照文献[5];由公式(3)可计算出冬季制热运行时的热回收效率ηHa=19.1%;详细计算结果如下表1,(由于条件限制,只验证计算了冬季制热运行的热回收效率):
室外空气温度/℃ 基于排风热泵的制热量(QHa1/KW) 普通空气源热泵的制热量(QHa/KW) 排风焓差热损失mp(hHp-hHa)/KW 热回收效率ηHa/(%)
通过计算可知,基于洁净手术部排风空气源热泵的热回收效率在不同的室外空气温度下其数值是非常接近的。在室外空气温度为-7℃时,热回收效率为19.1%,-3℃时热回收效率为18.1%,3℃时热回收效率为17.5%,7℃时热回收效率为18.1%,个别数据偏差较大是由于数据采集过程中的误差造成的。
4. 结语
基于洁净手术部排风空气源热泵的热回收效率也接近20%,但是不需要增设其他动力设备和体积庞大的换热器,因此不存在动力消耗。而热管等换热器的全热交换效率也仅为20%左右,而且需设置制冷剂动力循环设备和体积庞大的换热设备,需要消耗动力,其总效率是低于全热交换效率的。
可以得出用空气源热泵对排风进行热量回收的效率,是要高于其他换热设备的热回收总效率的。因此在洁净手术部这种特殊环境里,在其他热回收装置不易布置应用的情况下,空气源热泵是一种不错的选择。
通过对洁净手术部的排风进行热回收,有效地解决了普通空气源热泵冬季制热量衰减的难题,使空气源热泵作为洁净手术部的独立冷热源成为可能,从医院的整个空调系统的运行情况来看是可行的,其节能效果也是十分明显的。
参考文献
[1] 制冷空调新技术及进展,刘卫华 主编,机械工业出版社,2004,9。
[2] 周湘江 连之伟 王群:热泵低位热源和工质替代的发展及热泵技术的应用分析,暖通空调,2005,1。
[3] 郑钢:热回收节能在空调系统中的应用,能源技术,2005年6月。
[4] 徐选才 彭荣:夏季工况使用显热回收新风换气机中的几个问题,暖通空调,2005,6。
[5] 王玉来:基于洁净手术部排风的空气源热泵工程应用研究,西安建筑科技大学硕士学位论文,2007年6月。
[文章编号]1006-7619(2009)08-26-780
[作者简介]王玉来(1970.12- ),男,硕士,工程师,动力科科长。