水源熱泵的工程應用探討

沈 艷 張曉瓊

（西南電力設計院，四川 成都 610021）

水源熱泵的工程應用探討

沈 艷 張曉瓊

（西南電力設計院，四川 成都 610021）

本文通過分析水源熱泵系統(tǒng)的工作原理、主要優(yōu)點及應用的限制條件，結合其在工程中的應用，對水源熱泵技術的應用要點進行探討，總結歸納水源熱泵技術應用中的技術特點，了解水源熱泵技術的節(jié)能性。

水源熱泵 主要特點 技術思路 節(jié)能

1 序言

水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源的低溫熱源為能源，并采用熱泵原理，通過高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調的運行費用。所以，開發(fā)、推廣應用水源熱泵技術對建筑節(jié)能和環(huán)保工作都有著非常重要的意義。

2 工作原理

如圖 1[1]所示，在夏季制冷模式下，熱泵機組遵循卡諾循環(huán)原理，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來后，進入水/制冷劑，經壓縮機壓縮后，進入冷凝器，放出凝結潛熱后,變成液態(tài)，再經蒸發(fā)器調整閥,進入蒸發(fā)器，吸收用戶水汽化潛熱，最后流回壓縮機中，這樣，周而復始地循環(huán)，使客戶端循環(huán)水系統(tǒng)的水溫降低20～24℃，達到空調制冷的目的。制熱原理與制冷原理相同，只是將用戶水循環(huán)切換成在冷凝器流過，將水源水循環(huán)切換成在蒸發(fā)器流過，達到制熱目的，如圖2[1]所示：

圖1 制冷原理

圖2 制熱原理

3 主要性能優(yōu)點及應用限制

3.1 水源熱泵機組的主要性能優(yōu)點[2]

水源熱泵具有高效、節(jié)能、運行費用低、無任何污染、機房占地面積小、維護費用低、運行維護十分簡便、屬可再生能源利用技術的優(yōu)點。

3.2 水源熱泵機組的應用的限制條件

當然，和所有事物一樣，水源熱泵也并非是十全十美的，其應用也會受到制約。由于可利用的水源條件限制、水層的地理結構的限制及投資的經濟性等方面的原因，水源熱泵的應用也受到相應限制。

4 技術思路

對于工程地點是否適合采用水源熱泵系統(tǒng)，首先得了解工程所在地的水文數(shù)據(jù)等相關信息，包括水溫、水量、水質、取水點與工程地點的位置等參數(shù)[3]。因此，在進行系統(tǒng)設計之前，需要對取水點的水溫與水量進行詳細的現(xiàn)場測試。

4.1 水溫與深度的關系

圖3和圖4為某水庫在過渡季節(jié)和夏季的不同深度的實地測試水溫情況[2]。

圖3 過渡季節(jié)不同深度與溫度的變化關系圖

從上圖中可知：水溫隨著深度的變化出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，水下1米處的溫度在21℃～22℃范圍內波動，在水下2米，3米，4米的溫度分別在19℃～20℃，16℃～17℃，15℃～16℃的范圍內波動。很顯然，如果將水源熱泵機組的取水口放在這些深度范圍內，水溫分層的現(xiàn)象很容易引起機組的運行工況很不穩(wěn)定，導致壓縮機不斷地載入和卸載，從而使機組的運行效率降低，機組的使用壽命縮短。在5m以下的水溫受氣溫的影響很小，波動不是很明顯，大都在 13℃～14℃的范圍內變化，在這種深度下的水體很適合作為水源熱泵的冷卻水，從而帶來巨大的節(jié)能效益。

圖4 夏季不同深度與溫度的變化關系圖

從圖 4[2]可以看出：相對于過渡季節(jié)來說，由于太陽輻射強度的增加從而導致夏季的氣溫和水溫都有明顯地上升。在夏季，該地區(qū)的氣溫都在35℃左右變化，而水面的溫度則達到了30℃以上，比過渡季節(jié)的水面溫度升高了將近10℃。夏季由于雨水充沛，水庫的水位也有1米左右的升高。水面以下3米范圍內的水溫也比較高，都在30℃左右變化。而3米以下的水溫隨著深度的增加而降低，且降低幅度很明顯。到水下7米時，其溫度在17℃左右，與大氣的溫差高達18℃。很顯然，在夏季采用水源熱泵空調系統(tǒng)相對于風冷熱泵來說存在著巨大的節(jié)能優(yōu)勢。

4.2 水質要求

水源熱泵系統(tǒng)對水質的基本要求是：水質澄清穩(wěn)定、不腐蝕、不滋生微生物和不結垢等。水源中對水源熱泵機組的有害成分有：鐵、錳、鈣、鎂、二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等[2]。目前我國對水源熱泵所用水源的水質尚無明文規(guī)定。參考國家冷卻水水質標準(GB50050-1995)[4]及某些水質的有關規(guī)定，提出水源熱泵用水水質參考標準，如表1所示。

表1 水源熱泵用水水質參考標準

對于系統(tǒng)的取水處理應進行仔細的考慮。除要選取合理的取水構筑物外，還應在系統(tǒng)中設置除砂器和高效過濾器，用以除砂、降低水體濁度等，并設置綜合水處理器，用以實現(xiàn)防垢、除銹、殺菌、滅藻、過濾等作用，從而使水經過初步處理后進入空調熱泵機組。

4.3 取水構筑物

取水點與工程地點的相對位置直接決定了地表水水源熱泵空調系統(tǒng)中的取水方式，它是影響系統(tǒng)投資經濟性和運行可靠性的重要因素。取水構筑物按結構形式可分為活動式和固定式兩種。取水構筑物受水源流量、流速、水位影響較大，施工較復雜，要針對具體情況選擇施工方案。

5 結語

水源熱泵系統(tǒng)充分利用地下水儲熱量大、換熱效果好的特點，可以廣泛應用于生活、生產、工礦企業(yè)等領域，特別是火力發(fā)電廠，可極大的社會效益和經濟效益。但是水源熱泵的推廣應用需要更多的各個專業(yè)各個領域的人共同努力共同配合, 從政府政策、主機設計制造系統(tǒng)的設計和運行管理等各個方面都來共同參與, 才能使水源熱泵廣為應用。

G322

B

1007–6344（2015）01–0350–01

女，1983.1.1，工程師，從事電力勘察設計