水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【摘要】以地下水為低位熱源，通過熱泵機(jī)組將低位熱能轉(zhuǎn)換成高位熱能，為用戶提供冷熱源的水源熱泵系統(tǒng)，配套智能、節(jié)能的控制系統(tǒng)，可使系統(tǒng)大大降低能耗。

【關(guān)鍵詞】水源熱泵；節(jié)能自控技術(shù)

1、水源熱泵夏季制冷優(yōu)勢(shì)分析

夏季冷水機(jī)組、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)制冷，系統(tǒng)余熱散向大氣，水-空氣通過換熱器進(jìn)行熱交換的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水-水換熱，且冷水機(jī)組、風(fēng)冷熱泵的效率容易受室外干球、濕球溫度影響；而水源熱泵系統(tǒng)向地下水散熱，效果明顯，同時(shí)地下水溫相對(duì)恒定，機(jī)組運(yùn)行較平穩(wěn)，機(jī)組能效比大大提高。

2、水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)房設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用水源熱泵系統(tǒng)作為冷熱源，如果選用地下水作為低位熱源，首先要調(diào)研當(dāng)?shù)氐牡叵滤辞闆r，包括地下水溫、水位、出水量、地下水流走向、地質(zhì)情況、冬季最冷季不同深度的地下水溫，可以針對(duì)該項(xiàng)目打試驗(yàn)井，進(jìn)行一系列的勘察，取得詳實(shí)數(shù)據(jù)，作為熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)；如果項(xiàng)目地污水較多，或者有江、河、海水作為低位熱源，應(yīng)詳細(xì)勘察以獲取真實(shí)的數(shù)據(jù)。

針對(duì)項(xiàng)目地的低位熱源水溫，確定熱泵機(jī)組的蒸發(fā)、冷凝溫度，測(cè)算出標(biāo)準(zhǔn)工況下的機(jī)組供熱量；依據(jù)建筑負(fù)荷情況，確定所需要的熱泵機(jī)組型號(hào)及臺(tái)數(shù)，潛水泵的水流量、揚(yáng)程、功率、臺(tái)數(shù)等；依據(jù)地質(zhì)情況確定供水井?dāng)?shù)量及回灌井?dāng)?shù)量，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況繪制設(shè)備分布、管線布置圖。

2.2機(jī)房電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱泵系統(tǒng)能否真正高效、節(jié)能運(yùn)行，須設(shè)計(jì)智能節(jié)能的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

水源熱泵與空調(diào)水泵、潛水泵的耦合控制

2.2.1夏季控制分析

空調(diào)水泵與水源熱泵的耦合控制

對(duì)于效率稍高的滿液式螺桿水源熱泵，名義工況蒸發(fā)器側(cè)供回水溫度一般為12℃/7℃，蒸發(fā)溫度為5℃，過熱度2℃，但當(dāng)建筑負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)機(jī)組需要部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷凍水的流量亦需要發(fā)生變化，筆者曾對(duì)一滿液式水源熱泵機(jī)組進(jìn)行運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試過程中潛水泵變頻器設(shè)置為50Hz頻率運(yùn)行，通過改變空調(diào)側(cè)水泵的運(yùn)行頻率測(cè)試水源熱泵主機(jī)的性能。冷凍水流量減小時(shí)，機(jī)組的制冷量降低（冷水流量的減少導(dǎo)致蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的降低，使得制冷量降低），但降低的幅度有限（流量降低造成進(jìn)出水溫差的提高，對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)對(duì)數(shù)平均傳熱溫差產(chǎn)生影響，導(dǎo)致制冷量提高），冷凍水由100%流量降低至60%流量時(shí)，制冷量降低了28.9%，機(jī)組輸入功率降低；冷凍水由100%降至70%時(shí)，機(jī)組COP值先短暫下降，然后上升；冷凍水量繼續(xù)降低，機(jī)組COP值降低，機(jī)組COP值在冷凍水降至70%時(shí)升至最高，因此當(dāng)末端負(fù)荷減少時(shí)，如何智能控制冷凍水泵與水源熱泵機(jī)組的耦合運(yùn)行，且盡量使得水源熱泵機(jī)組保持在高效段運(yùn)行尤為關(guān)鍵。

（1）井水泵與水源熱泵的耦合控制

對(duì)于水源熱泵，冷凝器傳熱面積和傳熱系數(shù)為固定值。以恒溫差變流量控制為例，設(shè)夏季水源側(cè)名義工況進(jìn)水溫度Tb=18℃，冷凝溫度Tk=34℃，過冷5℃條件下，定流量名義工況出水溫度Ta=29℃，平均傳熱溫差△t =9.46℃；由 Q（1+1/cop）=CpG（t2-t1）， Cp為水的定壓比熱容，COP為熱泵機(jī)組的能效系數(shù)，因該系數(shù)趨于定值，因此負(fù)荷Q與潛水泵供水量近于比例變化。當(dāng)水泵功率相對(duì)于主機(jī)功率小于10%時(shí)，多用此種方法進(jìn)行控制。

當(dāng)井水減少時(shí)，機(jī)組的制冷量和COP值隨之降低，由于排氣壓力升高，壓縮機(jī)的輸入功率功率升高，當(dāng)井水側(cè)流量低于額定流量70%以后，機(jī)組的制冷量和COP值衰減加快，機(jī)組的能效比系數(shù)下降，由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)單位時(shí)間安內(nèi)熱泵機(jī)組功率增加值△N主機(jī)≤井水泵功率降低值△N井水泵，若熱泵機(jī)組+井水泵的功率和仍在降低，說明系統(tǒng)可通過智能控制存在節(jié)能空間。

當(dāng)冷凍水流量減少時(shí)，熱泵機(jī)組的制冷量和耗功率將減小，但冷凍水流量對(duì)熱泵機(jī)組的COP值影響較小。當(dāng)井水流量降低時(shí)，機(jī)組的制冷量隨之下降，同時(shí)COP值亦下降，且下降幅度大于因冷凍水流量的減少導(dǎo)致的熱泵COP值的降低。

當(dāng)水泵功率相對(duì)于主機(jī)功率大于10%時(shí)，可采用控制主機(jī)冷凝側(cè)溫度的方法提升熱泵主機(jī)與潛水泵的節(jié)能空間。此時(shí)可選用井水回水溫度t2作為控制目標(biāo)量，將此溫度與設(shè)定上限制（比如30℃）進(jìn)行比較，在保證冷凝器內(nèi)水流為紊流的前提下控制潛水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及運(yùn)行頻率。當(dāng)設(shè)定井水回水溫度30℃，平均傳熱溫差△t =8.66℃。冷凝器的傳熱溫差減少8.46%.導(dǎo)致COP下降。從傳熱特性可知，水側(cè)吸熱系數(shù)與流速的0.8次方成比例，流速的降低會(huì)造成冷凝器傳熱系數(shù)降低。

水源側(cè)潛水泵變流量并不能使得冷機(jī)的運(yùn)行工況或者是制冷系數(shù)COP得以優(yōu)化，只是維持當(dāng)前COP盡量逼近水源熱泵的當(dāng)前工況狀態(tài)下的最佳COP值，消減系統(tǒng)冗余的水量和系統(tǒng)損失，盡可能多的獲取主機(jī)和輔機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效益。

其次，若水中含有機(jī)物或鹽分，則在流速小于lm/s時(shí)，就會(huì)造成管壁腐蝕，因此，系統(tǒng)要求水系統(tǒng)須在一定的安全且經(jīng)濟(jì)的流量下運(yùn)行。

（2）部分負(fù)荷時(shí)機(jī)組性能

在實(shí)際運(yùn)行過程中，熱泵機(jī)組在70%～100%負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間約為30%～45%，25%～70%負(fù)荷段運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間約在55%～70%，研究部分負(fù)荷時(shí)段機(jī)組性能變化較為關(guān)鍵。

因此，相同的冷量輸出采用最優(yōu)的主機(jī)運(yùn)行組合方式，獲得最佳的系統(tǒng)綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV。合理的主機(jī)負(fù)荷分配策略可使主機(jī)運(yùn)行IPLV提高，同時(shí)須依據(jù)不同的主機(jī)性能曲線和主機(jī)數(shù)量制定對(duì)應(yīng)的主機(jī)負(fù)荷的分配方案。

2.2.2冬季控制分析

冬季水源側(cè)名義工況進(jìn)水溫度Tb=15℃，蒸發(fā)溫度Tk=5℃，過熱2℃條件下，定流量名義工況出水溫度Ta=7℃，冷凝側(cè)進(jìn)入機(jī)組水溫40℃，供水水溫45℃，Tk=50℃，過冷5℃，控制分析類同（1），井水供水溫度不變時(shí)，蒸發(fā)器側(cè)流量增加，則提升蒸發(fā)器的出水溫度，提高了熱泵的蒸發(fā)溫度，增加制熱量和熱泵能效比。供熱循環(huán)側(cè)系統(tǒng)水回水溫度不變，冷凝器側(cè)流量升高，則降低冷凝器的出水溫度，優(yōu)化了熱泵的冷凝溫度，增加了熱泵的制熱量，提升了熱泵能效。

結(jié)語：

本文針對(duì)已實(shí)施的項(xiàng)目進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)高效合理的水源熱泵智能控制系統(tǒng)系統(tǒng)較常規(guī)控制系統(tǒng)可節(jié)約能耗20%至45%左右，因此研發(fā)高效可行的控制系統(tǒng)，也許是暖通空調(diào)系統(tǒng)今后發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

陳焰華.地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行工況分析[J].武漢市建筑設(shè)計(jì)院