環(huán)境變化對水源熱泵的影響及應(yīng)對措施

李 巖

（河南廣播電視臺104 臺，河南鄭州 450018）

0 引言

某發(fā)射臺建筑面積約4600 m2，現(xiàn)有兩套西亞特LWP1800中央空調(diào)水源熱泵機組，供發(fā)射臺辦公區(qū)域供暖/制冷、供熱水使用。近年來，供暖/制冷效果漸差，無法滿足辦公區(qū)域夏季26 ℃、冬季22 ℃要求。本文對機組運行環(huán)境、運行相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提出相關(guān)解決措施。

1 水源熱泵工作原理

水源熱泵是以地下水為冷熱源，采用熱泵原理，以電為動力將地下水中的熱量、冷量提取出來。下面以制冷為例說明其工作原理：井水為機組排熱源，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，制取冷水送入房間使用，制冷劑再經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽送入冷凝器，再由井水帶走熱量、排至井中（圖1）。

圖1 水源熱泵工作原理

2 機組運行數(shù)據(jù)

選取2017 年和2018 年8 月份2#機組2#機頭的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同一機組同一機頭出水溫度逐年升高（圖2、圖3）。

圖2 2017 年8 月份2#機組2#機頭溫度曲線

圖3 2018 年8 月份2#機組2#機頭溫度曲線

3 原因分析

對比2017 年、2018 年相同月份同一機組同一機頭數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)冷凝器出水溫度升高。冷凝器出水溫度的高低與空調(diào)井出水流量大小密切相關(guān)：水流量大，冷凝器出水溫度低，制冷效果好；水流量小，冷凝器出水溫度高，制冷效果差。供水（空調(diào)井水）→除沙器→1#閥門→2#主機冷凝器→7#閥門→回水井（回地下）。

（1）機組老化?，F(xiàn)有機組于2004 年投入使用，至今已有15年，機組出現(xiàn)老化。冬季，外部電路不穩(wěn)定導(dǎo)致機組出現(xiàn)高壓保護(hù)，水泵停止工作、蒸發(fā)器結(jié)冰，蒸發(fā)器銅管因結(jié)冰次數(shù)增多而膨脹變薄，繼而引發(fā)內(nèi)漏。

（2）地下水位下降。氣候變化，周邊高層建筑增加，地下水不能100%回灌，地下水總體供給的不平衡會導(dǎo)致地下水位不斷下降，原抽水井井深100 m，水量已無法滿足機組運行要求?，F(xiàn)已加深至150 m，如果繼續(xù)加深地下水溫度會升高，導(dǎo)致熱交換效率降低，機組運行效率降低。

4 解決辦法

4.1 下地埋管

換熱器埋管的布置方式分為垂直布置和水平布置兩種方式。其中，水平布置通常為淺層埋管，就是將塑料管水平敷設(shè)在離地面1～2 m 的地溝內(nèi)，受地表氣候變化的影響，初期投資一般較少但換熱性能較差，受可利用土地面積的限制；垂直埋管布置方式，是在地層中垂直鉆孔，占地面積小，缺點是初期投資較高。由于決定地埋管換熱器實際換熱量的因素是多方面的，除了工程所在地巖土熱物理性質(zhì)、換熱器內(nèi)水流速度等相對固定的因素，還包括室外氣象參數(shù)、建筑物負(fù)荷等隨時間不斷變化且變化幅度也較大的因素。該臺為中波發(fā)射臺站，院內(nèi)鋪設(shè)大量的地網(wǎng)線，因此不適合地埋管系統(tǒng)。

4.2 配合其他機組

臺專家組成員從前瞻性、節(jié)能性、性價比、科學(xué)性等角度對中央空調(diào)系統(tǒng)改造項目進(jìn)行了論證，傾向于選用風(fēng)冷模塊機組方案。該機組具有如下優(yōu)點：

（1）新空調(diào)系統(tǒng)屬于閉式水循環(huán)系統(tǒng)，水質(zhì)干凈，不易污染，極大降低水質(zhì)對設(shè)備的污染及腐蝕，確保設(shè)備經(jīng)久耐用。

（2）模塊化設(shè)計，系統(tǒng)運行更可靠。機組采用渦旋式壓縮機，根據(jù)外界溫度的變化及室內(nèi)實際使用情況，系統(tǒng)智能計算，啟用相應(yīng)數(shù)量的壓縮機自動調(diào)節(jié)，經(jīng)濟節(jié)能。

（3）機身輕薄，節(jié)省空間。

（4）日常維護(hù)日程安排靈活。雙回路設(shè)計，供暖/制冷機組和制熱水機組的每個壓縮機均為獨立系統(tǒng)，互不干擾。在任意回路出現(xiàn)故障的情況下可實現(xiàn)邊運行邊檢修，單臺機組斷電維護(hù)無需中斷系統(tǒng)運行，保障能源的穩(wěn)定性。

4.3 改造項目實施可行性

（1）安裝位置及噪聲。經(jīng)現(xiàn)場勘測，新空調(diào)機組安裝在原空調(diào)機房前的空地上，場地滿足風(fēng)冷模塊機組對空間的要求。同時，水泥固化地面，設(shè)備底座設(shè)置彈簧減振器，降低傳振。另外，機組設(shè)備安裝簡單、檢修方便，維保費用低，噪聲小。

（2）供電負(fù)荷。原空調(diào)機房兩組供電線路，一組1×120 為獨立電源，一組2×120 為并聯(lián)電源，配電柜配置滿足風(fēng)冷模塊機組對負(fù)荷的要求。

（3）壓縮機的選擇。5 臺供暖/制冷機組，采用渦旋式壓縮機10 臺：10 臺壓縮機將系統(tǒng)分為10 個能量級，根據(jù)外界溫度的變化及室內(nèi)實際使用情況系統(tǒng)智能計算，啟用相應(yīng)數(shù)量的壓縮機自動調(diào)節(jié)，經(jīng)濟節(jié)能；1 臺制熱水機組采用2 臺壓縮機，供暖/制冷機組和制熱水機組的每個壓縮機均為獨立系統(tǒng)，互不干擾；在某個壓縮機出現(xiàn)故障的情況下可實現(xiàn)邊運行邊檢修，保障能源的穩(wěn)定性。

4.4 改造后的機組

系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)為：進(jìn)水溫度為12 ℃，出水溫度為7 ℃；夏季室外環(huán)境溫度為35 ℃，冬季室外環(huán)境溫度為-5 ℃。為滿足夏季室內(nèi)溫度22 ℃、冬季18 ℃的要求，采用5 臺風(fēng)冷熱泵模塊機組、1 臺熱水機組，實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷和生活熱水。

（1）改造后機組情況。模塊式風(fēng)冷熱泵機組不需冷卻塔，無需專用機房，便于管理和維護(hù)，在河南廣播電視臺投入使用以來，運行狀況良好，空調(diào)主管道、末端管道、風(fēng)盤電機等為原有系統(tǒng)，各末端水流量匹配平衡，室內(nèi)空調(diào)區(qū)域的使用效果較為理想。

（2）改造后配電柜。風(fēng)冷模塊機組電源使用原空調(diào)機房2×120 電源，即取自低壓配電室AA03-1 低壓開關(guān)柜。

（3）改造后的經(jīng)濟效益?？紤]到改造前機組的實際運行情況，選取2017 年7 月份與2020 年7 月份用電情況進(jìn)行對比，2017年的有功電量數(shù)為346 200 kW·h，2020 年為316 850 kW·h，每月少用電近30 000 kW·h。按當(dāng)前電價0.585 元/（kW·h）計算，每月可節(jié)省電費約17 000 元。

5 結(jié)束語

新機組的使用解決了原有中央空調(diào)機組因老化和地下水位下降而無法滿足辦公區(qū)域制冷/暖需求的問題，同時實現(xiàn)了自動化控制。風(fēng)冷模塊機組可以根據(jù)不同季節(jié)及不同負(fù)荷（開啟空調(diào)的房間數(shù)量）的使用情況靈活實現(xiàn)多級能量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)投入運行的模塊機組數(shù)量，使機組的輸出功率時刻保持與實際需求相一致，滿足經(jīng)濟節(jié)能要求。同時，可以按照所需制冷/暖量的大小，選擇不同的單機組成不同制冷/暖量的機組集成，空調(diào)系統(tǒng)增容時只需增加新的模塊單元即可，便于擴容和分步投入使用。