淺談節(jié)能型水源熱泵機組

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，引起了各地的重視。根據(jù)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(chǎn)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)省一百TWh的能源和減少4000萬噸的CO2的排放。

各地城市中心區(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(yīng)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(yīng)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(yīng)用的問題在于要結(jié)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利用水中所蘊藏的能量。目前此類工程的應(yīng)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，同時保證百分百回灌問題，將直接關(guān)系到水源熱泵的應(yīng)用與發(fā)展。因此研究開發(fā)一種節(jié)水的水源熱泵機組有助于水源熱泵的應(yīng)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(shù)問題，我們在機組的結(jié)構(gòu)上進行了研究與探索。其結(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(guān)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(jīng)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。

以下是某單位辦公樓應(yīng)用本新型節(jié)能水源熱泵機組作為冷熱源的設(shè)計實例：辦公樓建筑面積：4600m2，室內(nèi)末端采用嵌入式風盤，經(jīng)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(shè)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(jié)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(jīng)過一個冬季和夏季的運行結(jié)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，制冷及制熱效果可以滿足用戶的要求。減少了初投資和運行費用，收到了很好的經(jīng)濟效益。

采用此結(jié)構(gòu)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)的制熱量提升了10%左右，Cop提升了7%左右。

綜上所述，通過改進熱泵機組的結(jié)構(gòu)，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(jīng)濟效益和社會效益，對水源熱泵在各地的應(yīng)用與發(fā)展將起到推動作用。