水源热泵设计应用问题

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1、水源热泵设计应用问题1 引言 水源热泵技术是利用地球表面浅层水，如地下水、地表水、海水江水及湖泊水中蕴含的低位能源作为热泵的低温侧热源，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。它利用水源热泵机组代替传统的制冷机组和锅炉或风冷热泵机组，以自然界的水体作为热泵机组冷却水系统的冷却源，以达到调节室内温度的目的通常水源热泵COP值在5左右。水源热泵机组运行时对大气没有废热污染，不需要使用带来飘雾的冷却塔，供热时可代替低温热水锅炉，没有燃烧过程，避免了排烟污染，因此可以建造在居民区内。水源热泵系统可以只作为空调系统的冷热源，也可以作为空调系统和生活热水的制冷与供热设备。现有的锅炉加空调的两套装置系统可以由

2、一套水源热泵系统替换，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵的优越性更加显著。宾馆、商场、办公楼、学校等建筑均可以采用水源热泵，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。但水源热泵应用中有些技术问题应该引起重视的1。 2 水源热泵系统设计2.1 水源热泵空调水循环系统设计 一般的空调水系统，可采用单次泵系统或复式泵系统（一次泵系统与二次泵系统）。系统流量控制可采用定流量控制或变流量控制。复式泵系统中的一次泵、二次泵皆可以采用定流量或变流量控制。为了节约运行费用，二次泵运行应该采用变流量控制技术。深井泵也应采用变流量控制，且最好采用变频控制的方式。北京某公寓闭式地下水水源热泵空调系统

3、运行测试表明2，在冬季供暖期二次循环泵耗电量为水泵耗电总量的80%，夏季供冷也有同样趋势。冬季一次泵与深井泵耗电量非常接近，但夏季一次泵的能耗大于深井泵。如果二次泵24h不间断定流量运行，无论环路中有多少台热泵运行，二次泵总处于满负荷工况，影响整个系统的节能。 2.2 水源热泵用深井水系统设计 地下水是宝贵的资源，地下蓄水层的构造、水质等是影响水源热泵深井水侧系统配置的第一个因素。地下水温是影响水源热泵效率的主要因素。地下水温度既是地下水水源热泵的冷凝温度又是蒸发温度。夏季,地下水作为冷却水,水温越低越好;冬季,地下水作为热泵热源,温度越高越好,但蒸发温度不能过高,否则会使压缩机排气温度过高,

4、压缩机内润滑油可能会炭化。综合考虑,地下水温度20左右时,水源热泵机组的制冷和制热将处于最佳工况点。 当采用板式换热器时，板式换热器冷却水、循环水进出口水温的确定，要根据当地的气象条件（主要是指夏季空调湿球计算温度）及一次投资和运行费用的比较决定。一般情况下，冷却水的供水温度 要比当地的夏季空调室外计算湿球温度高46 ，冷却水的温差为46 ，循环水的出水温度 比冷却水的供水温度 高2 左右，循环水温差取5 左右7-2。 地下水水质是直接影响地下水源热泵机组的使用寿命和制冷(热)效率的第二个因素，也是影响水质处理环节复杂程度的决定因素。要注意水质中的腐蚀性、结垢、混浊度与含砂量 3 。水中杂质在

5、地下属于缺氧状态，与大气接触后会发生改变，必须引起高度注意。 地下水中的2+以胶体形式存在,2+易在换热面上凝聚沉积,促使碳酸钙析出结晶,加剧水垢形成。而且,2+遇到氧气发生氧化反应,生成3+,在碱性条件下转化为絮状物的氢氧化铁沉积而阻塞管道,影响机组的正常运行。 当地下水质不满足要求时，必须进行水质处理3 8。一般深井水在使用前，应进行基本的除砂，去除水中的泥沙等。经过水过滤器和除砂设备后再进入机组。目前多用漩流除砂器,也可用预沉淀池,前者初投资较高,后者较低。空调系统多只采用中间水池作基本的沉淀处理，兼作曝气除铁。地下水也可用电子水处理的方法对其进行处理,通过对水体的上的离子施以电磁影响,

6、达到阻垢的作用。 灌抽比是决定回灌井与抽水井数量的重要参数。国内的地下水回灌基本上采用人工回灌,主要有压力回灌和真空回灌两种。真空回灌仅适用于低水位和渗透性好的含水层,现在国内大多数系统都采用这种方式的地下水回灌 4。地下水灌抽比虽然从理论上讲,可以达到100%,但是,目前大多数国家的地下水回灌技术尚不成熟,特别在含水层砂粒较细的情况下,回灌井极易被堵,回灌的速度大大低于抽水的速度。对于砂粒较粗的含水层,由于孔隙较大,相对而言,回灌比较容易。表1列出了国内针对不同地下含水层情况典型的灌抽比、井的布置和单井出水量情况。 表1不同地质条件下的地下水系统设计参数含水层情况灌抽比%井的布置井的流量/(

7、/h)砾石80一抽一灌200中粗砂5070一抽二灌100细砂3050一抽三灌50在国内，回灌井的维护,通常采用回扬清洗的方法来维持地下水的回灌。回扬次数和回扬的时间视含水层的透水性大小而定, 其次要考虑井的特征、水质、回灌量和回灌技术方法。对于中、细砂的含水层,压力回灌每天需回扬23次,真空回灌每天需要回扬1次。回扬时间的确定,以每次抽完浑浊水后出清水为限,一般需要1530min。在停用期,2030天回扬1次。对于一般轻度堵塞的回灌井,可直接用连续回扬的方法处理,直至井的单位开采量和动水位恢复,方可继续进行回灌。在回扬过程中需按时测定井的回扬量、静动水位,取水样分析化学成分等。对于堵塞严重的回

8、灌井,可用回扬与间歇停泵反冲的处理方法,或用回扬与压力灌水相结合的处理方法。为了清除滤水管的沉淀物和铁细菌,一般对水进行化学处理。用(浓度10%,加酸洗抗蚀剂)处理滤水管的沉淀物,通过水中加药或提高值(加石灰)使之变为碱性水,以抑制铁细菌的生长。回扬和清洗处理都是非常专业化的工作,大大增加了用户的维护工作量。另外,这种操作对井的损害也很大,会造成系统寿命的降低。 2.3 空调与生活热水同时使用的设计时的系统运行设计 现在有人看好空调与生活热水联用的水源热泵应用方式，并大力推广。据笔者了解，一般冷水机组运行时，只能控制蒸发器侧水温或冷凝器侧水温，二者很难同时控制。市场上的常规水源热泵机组(高温机

9、组除外)，其制冷工况下的冷凝器侧水温一般为35左右，难以达到60水温，要达到60水温，必然需要降低机组的COP值，其下降程度不低。制热工况下的冷凝器侧水温，当采用R134a时一般为55左右。因此，两者共用时，将会存在下述问题。 在夏季，当常规水源热泵机组工作于制冷工况时，热水出水温度就会偏低。随着空调负荷与热水负荷的变化，二者之间存在不同步现象，导致空调的除热量不等于热水系统的需热量，而二者水温又必须同时控制，这造成了水系统运行管理上的许多麻烦，如加辅助热源，固定一侧负荷等控制措施。 在冬季，当常规水源热泵机组工作于制热工况时且无冷负荷时，所有空调设备皆需供应热水，空调水与生活水变成一个系统，

10、这样空调系统的供水温度必为热水温度，空调系统设备的放热量就偏大。为了节能，冬季空调水流量应当设计成不等于夏季空调水流量的变流量系统。这一要求导致水泵的初投资增加以及水温差的变化。 在过渡季，空调系统停止工作，热水系统依然要工作。因为环境水温度的变化，热水系统的需热量比较小，当热水循环所需的热量不到热泵主机制热量的10%时，极可能引起机组的自我保护而停机，造成机组系统频繁启动。 分析过渡节、夏季、冬季时水温、冷热负荷、不同的水路连接等因素，可以看出，空调与热水联供的系统水路的工况转换是比较麻烦的，甚至需要很高的自动控制水平，对转换阀门与主机的使用寿命可能产生不利的影响。如武汉某大厦，选用二台上海

11、开利生产的350A-HP2双螺杆水源热泵机组作为空调冷热源，首期工程投入一台。该机组名义制冷量为1135kw,名义制热量为1288kw，输入电源为三相交流电，制冷工况下工作电流为486A,制热工况下工作电流为649A,总运行重量为5553kg,采用R134a为制冷工质。制热工况下热水最高温度达60度，一般为55度，温差为5度。机组同时作为生活热水的热源。为了减少成本，提高能量利用系数，系统采用空调与热水分供的方式，在夏季空调运行时，热水加热系统停止，生活热水靠热水箱的水供应，当热水温度偏低时，关闭空调，主机切换至制热工况，15分钟后切换回制冷工况，切换相应阀门后，进入空调模式。可见，系统转换频

12、繁，温度必产生波动。水流程图如图1。 2.4 水源热泵系统可能出现的故障调查 水（地）源热泵系统在工程中的常见有冷天气问题、舒适性抱怨、装置问题、频繁自动保护、泄漏、噪声、运行费用、回水井堵塞溢出、装置不合适、防冻问题、建筑密封、控制、地源换热器设计、地源换热器安装、热泵压缩机、热泵换热器、热泵内部控制、水流泵、系统机械设计共19项5。通过对29个实例工程调查后，发现冷天气问题占1.1%,舒适性抱怨0.18%,装置问题0.18%,频繁自动保护1.45%,泄漏0.9%, 噪声0.9%, 运行费用1.45%, 回水井堵塞溢出0.18%, 装置不合适0.36%, 防冻问题0.54%, 建筑密封1.1

13、%, 控制问题1.63%, 地源换热器设计0.72%, 地源换热器安装0.54%, 热泵压缩机0.36%, 热泵换热器0.36%, 热泵内部控制0.72%, 水泵1.1%, 系统机械设计2.18%。 可见，控制问题、频繁保护、系统产品质量问题比较突出。 3 结论 水源热泵是一种高效节能的设备，用它组建的系统，初投资与常规空调系统相差不大7，标准煤能耗与火电及水电相比耗量少6，是一个值得大力推广的技术。应该从水系统设计上充分发挥它的技术优势，采用变流量控制技术减少运行费用，针对不同的水源特点进行不同的处理。当采用深井水时，水质处理与回灌带来的影响不可忽略。同时提供生活热水时，一定要详细了解热泵不

14、同状态下的温度参数与调节能力，否则将会导致系统运行管理不善，问题多多。图1 水系统流程图 参考文献1 田刚,李晓东,陈申迅.水源热泵在空调系统中的设计与应用.哈尔滨商业大学学报（自然科学版）,2004.20(2):230-233 2 陈超,倪真,李小军,等.住宅建筑中闭式水源热泵空调系统的应用研究.暖通空调，2004.34(6):72-77 3薛玉伟,李新国,赵军,等.地下水水源热泵的水源问题研究.能源工程，2003(2):10-13 4邬小波.地下含水层储能和地下水源热泵系统中回路与回灌技术现状.暖通空调,2004.34(1):19-23 5张群力,王晋.地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的总是分析.流体机械，2003.31(5):50-54 6姚镝,王建华,李波.水源热泵供冷（供热）系统的能量评价.矿冶，2004.13(1):117119 7郎四惟,徐伟,冯铁栓,等.水源热泵中央空调系统设计应用若干问题探讨.暖通空调,1996(1)：15-19 8高湘,张建锋.给水工程技术工程实例.北京:化学工业出版社,2002.5 9王增长,曾雪华.建筑给水排水工程.北京，中国建筑工业出版社,1998.6