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浅谈节能型水源热泵机组

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日益增长的能源消耗和环境污染是困扰人类社会的两大难题,引起了世界各国的高度重视。根据国际能源热泵组织(IEAHeatPumpCentre)和欧洲热泵协会(EHPA)统计的资料表明,目前欧洲有450万台热泵用于住宅,150万台热泵用于第三产业,2.5-3万台热泵用于工业。EHPA的目标是到2010年在欧洲至少有1500万台热泵用于住宅,这相当于每年节省100TWh的能源和减少4000万吨的CO2的排放。至2002年瑞士热泵在新住宅的占有率超过1/3,日本建筑物的热泵占有率达到20%,而我国热泵的应用在1990年之后才得到了迅速发展,至1997年已安装1140万台,而且呈迅速发展的势头。
 
我国的城市中心区域正在逐步禁止使用燃煤锅炉,燃油锅炉的使用也正在受到一定程度的限制,这样就给热泵机组的应用提供了巨大的发展空间。热泵机组主要分为空气能热泵和水源(地源)热泵,由于空气能热泵受环境、气候的影响较大,其应用受到了很大程度限制,而地下水温度冬夏变化不大,因此以地下水做冷热源的水源热泵系统使这一问题得到了有效的解决。它以耗能少,利用可再生能源,不消耗水资源,不污染环境,符合可持续化发展的要求等诸多优势受到社会各界的广泛欢迎。
 
水源热泵的现状
 
水源热泵应用的最大问题在于要结合实际情况,提供一个稳定的水源,同时要解决地下水的回灌问题以及冬季如何最大限度的利用水中所蕴藏的能量。目前此类工程的应用一般采取自然回灌,由于自然回灌只是重力做功,而取水是动力做功,要维持水系统的平衡,确保取出的水全部回灌,取水井与回灌井数比例一般采取1:2或2:3。这不仅增加投资,而且在部分负荷时回灌井利用率低。因此能否解决既要减少投资,又能节约运行费用,同时保证100%回灌问题,将直接关系到水源热泵的应用与发展。因此研究开发一种节水、高能效比的水源热泵机组有助于水源热泵的应用与推广,并且会具有很好的市场前景。
 
节能型水源热泵机组
 
为了克服热泵工况增大传热温差所带来的诸多技术问题,我们在机组的结构上进行了研究与探索。其结构是机组采用两个小型蒸发器,每个蒸发器与一台或几台压缩机及冷凝器、膨胀阀等组成各自独立的制冷循环系统。两个蒸发器的进出水管之间通过阀门控制来实现两个蒸发器水系统的串联或并联。夏季制冷工况运行时两个蒸发器水管之间的阀门打开,空调末端系统的回水分两路同时进入两个蒸发器,在蒸发器的出口合流后进入空调末端,也就是说冷水并联流过两个蒸发器。系统的冷量是通过两个蒸发器实现的,每个蒸发器的进出口水温都是12/7℃(进出水温差Δt=5℃);冬季热泵工况运行时,两个蒸发器水管之间的阀门关闭,作为热源的地下水依次流过两个蒸发器,也就是说两个蒸发器的水串联,作为热源的地下水通过两个蒸发器来实现Δt=10℃的温降。与水并联流过蒸发器相比,串联时水流过蒸发器的流通面积减小,弥补了水流量减小对流速的影响,这样流经每个蒸发器的水流量、流速与夏季工况运行时一致,对传热性能的影响较小,既达到了节约地下水的目的,又不影响换热性能。
 
工程应用实例
 
以下是某单位办公楼应用本新型节能水源热泵机组作为冷热源的设计实例:办公楼建筑面积:4600m2,室内末端采用嵌入式风盘,经计算需要的冷负荷Q0=460kW,需要的热负荷Qh=506kW。水源条件:单井水量50~60m3/h,水温:夏季16℃,冬季15℃。选用四台40HP半封活塞压缩机,每两台压缩机与一台蒸发器、一台冷凝器组成两个独立的系统。
 
设计工况:制冷工况:蒸发器1、2水系统并联,氟系统独立,其进出水温度12/7℃,蒸发温度2℃;冷凝器1、2水系统并联,氟系统独立,其进出水温度16/26℃,冷凝温度31℃。制热工况:蒸发器1、2水系统串联,氟系统独立,蒸发器1进出水温度15/9.5℃,蒸发温度5.5℃;蒸发器2进出水温度9.5/5℃,蒸发温度1℃;冷凝器1、2水系统并联,氟系统独立,其进出水温度40/45℃,冷凝温度50℃。
 
计算结果如下:①制冷工况:系统总制冷量:Q0=466kW,系统总功率:Pi=89.5kW,系统制冷系数:Cop=5.2,井水(水系统并联)取水量:47.2m3;②热泵工况:系统总制热量:Qk=511kW,系统总功率:Pi=121.7kW,系统制热系数:Cop=4.2,井水(水系统串联)取水量:34m3。经过一个冬季和夏季的运行结果表明,在当地水源条件下两口井就可以实现机组安全可靠运行,制冷及制热效果完全满足用户的要求。减少了初投资和运行费用,收到了很好的经济效益。
 
结论
 
采用此结构使蒸发器的进出水无论是在制冷时的5℃温差,还是在制热时的10℃温差,蒸发器的换热性能基本一致,也就是说蒸发器的换热面积在冬、夏两种工况下得到了充分利用。同时热泵工况运行时,水量减少20%,系统的制热量提高了10%左右,Cop提高了7%左右。
 
综上所述,通过改进热泵机组的结构,改变蒸发器水系统的串联与并联,既实现了节约地下水的取水量,减少取水井与回灌井的数量,又合理使用了蒸发器的换热面积,同时提高了系统的制热量及能效比。这样既减少了初投资,又降低了运行费用,具有显著的经济效益和社会效益,对水源热泵在我国的应用与发展将起到推动作用。
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