淺談節(jié)能型水源熱泵機組

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　日益增長的能源消耗和環(huán)境污染是困擾人類社會的兩大難題，引起了世界各國的高度重視。根據國際能源熱泵組織(IEAHeatPumpCentre)和歐洲熱泵協(xié)會(EHPA)統(tǒng)計的資料表明，目前歐洲有450萬臺熱泵用于住宅，150萬臺熱泵用于第三產業(yè)，2.5-3萬臺熱泵用于工業(yè)。EHPA的目標是到2010年在歐洲至少有1500萬臺熱泵用于住宅，這相當于每年節(jié)省100TWh的能源和減少4000萬噸的CO2的排放。至2002年瑞士熱泵在新住宅的占有率超過1/3，日本建筑物的熱泵占有率達到20%，而我國熱泵的應用在1990年之后才得到了迅速發(fā)展，至1997年已安裝1140萬臺，而且呈迅速發(fā)展的勢頭。

　　我國的城市中心區(qū)域正在逐步禁止使用燃煤鍋爐，燃油鍋爐的使用也正在受到一定程度的限制，這樣就給熱泵機組的應用提供了巨大的發(fā)展空間。熱泵機組主要分為空氣能熱泵和水源(地源)熱泵，由于空氣能熱泵受環(huán)境、氣候的影響較大，其應用受到了很大程度限制，而地下水溫度冬夏變化不大，因此以地下水做冷熱源的水源熱泵系統(tǒng)使這一問題得到了有效的解決。它以耗能少，利用可再生能源，不消耗水資源，不污染環(huán)境，符合可持續(xù)化發(fā)展的要求等諸多優(yōu)勢受到社會各界的廣泛歡迎。

　　水源熱泵的現(xiàn)狀

　　水源熱泵應用的最大問題在于要結合實際情況，提供一個穩(wěn)定的水源，同時要解決地下水的回灌問題以及冬季如何最大限度的利用水中所蘊藏的能量。目前此類工程的應用一般采取自然回灌，由于自然回灌只是重力做功，而取水是動力做功，要維持水系統(tǒng)的平衡，確保取出的水全部回灌，取水井與回灌井數(shù)比例一般采取1：2或2：3。這不僅增加投資，而且在部分負荷時回灌井利用率低。因此能否解決既要減少投資，又能節(jié)約運行費用，同時保證100%回灌問題，將直接關系到水源熱泵的應用與發(fā)展。因此研究開發(fā)一種節(jié)水、高能效比的水源熱泵機組有助于水源熱泵的應用與推廣，并且會具有很好的市場前景。

　　節(jié)能型水源熱泵機組

　　為了克服熱泵工況增大傳熱溫差所帶來的諸多技術問題，我們在機組的結構上進行了研究與探索。其結構是機組采用兩個小型蒸發(fā)器，每個蒸發(fā)器與一臺或幾臺壓縮機及冷凝器、膨脹閥等組成各自獨立的制冷循環(huán)系統(tǒng)。兩個蒸發(fā)器的進出水管之間通過閥門控制來實現(xiàn)兩個蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。夏季制冷工況運行時兩個蒸發(fā)器水管之間的閥門打開，空調末端系統(tǒng)的回水分兩路同時進入兩個蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的出口合流后進入空調末端，也就是說冷水并聯(lián)流過兩個蒸發(fā)器。系統(tǒng)的冷量是通過兩個蒸發(fā)器實現(xiàn)的，每個蒸發(fā)器的進出口水溫都是12/7℃(進出水溫差Δt=5℃);冬季熱泵工況運行時，兩個蒸發(fā)器水管之間的閥門關閉，作為熱源的地下水依次流過兩個蒸發(fā)器，也就是說兩個蒸發(fā)器的水串聯(lián)，作為熱源的地下水通過兩個蒸發(fā)器來實現(xiàn)Δt=10℃的溫降。與水并聯(lián)流過蒸發(fā)器相比，串聯(lián)時水流過蒸發(fā)器的流通面積減小，彌補了水流量減小對流速的影響，這樣流經每個蒸發(fā)器的水流量、流速與夏季工況運行時一致，對傳熱性能的影響較小，既達到了節(jié)約地下水的目的，又不影響換熱性能。

　　工程應用實例

　　以下是某單位辦公樓應用本新型節(jié)能水源熱泵機組作為冷熱源的設計實例：辦公樓建筑面積：4600m2，室內末端采用嵌入式風盤，經計算需要的冷負荷Q0=460kW，需要的熱負荷Qh=506kW。水源條件：單井水量50~60m3/h，水溫：夏季16℃，冬季15℃。選用四臺40HP半封活塞壓縮機，每兩臺壓縮機與一臺蒸發(fā)器、一臺冷凝器組成兩個獨立的系統(tǒng)。

　　設計工況：制冷工況：蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨立，其進出水溫度12/7℃，蒸發(fā)溫度2℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨立，其進出水溫度16/26℃，冷凝溫度31℃。制熱工況：蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)串聯(lián)，氟系統(tǒng)獨立，蒸發(fā)器1進出水溫度15/9.5℃，蒸發(fā)溫度5.5℃;蒸發(fā)器2進出水溫度9.5/5℃，蒸發(fā)溫度1℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨立，其進出水溫度40/45℃，冷凝溫度50℃。

　　計算結果如下：①制冷工況：系統(tǒng)總制冷量：Q0=466kW，系統(tǒng)總功率：Pi=89.5kW，系統(tǒng)制冷系數(shù)：Cop=5.2，井水(水系統(tǒng)并聯(lián))取水量：47.2m3;②熱泵工況：系統(tǒng)總制熱量：Qk=511kW，系統(tǒng)總功率：Pi=121.7kW，系統(tǒng)制熱系數(shù)：Cop=4.2，井水(水系統(tǒng)串聯(lián))取水量：34m3。經過一個冬季和夏季的運行結果表明，在當?shù)厮礂l件下兩口井就可以實現(xiàn)機組安全可靠運行，制冷及制熱效果完全滿足用戶的要求。減少了初投資和運行費用，收到了很好的經濟效益。

　　結論

　　采用此結構使蒸發(fā)器的進出水無論是在制冷時的5℃溫差，還是在制熱時的10℃溫差，蒸發(fā)器的換熱性能基本一致，也就是說蒸發(fā)器的換熱面積在冬、夏兩種工況下得到了充分利用。同時熱泵工況運行時，水量減少20%，系統(tǒng)的制熱量提高了10%左右，Cop提高了7%左右。

　　綜上所述，通過改進熱泵機組的結構，改變蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)，既實現(xiàn)了節(jié)約地下水的取水量，減少取水井與回灌井的數(shù)量，又合理使用了蒸發(fā)器的換熱面積，同時提高了系統(tǒng)的制熱量及能效比。這樣既減少了初投資，又降低了運行費用，具有顯著的經濟效益和社會效益，對水源熱泵在我國的應用與發(fā)展將起到推動作用。