水源热泵在空调系统中的应用

水源热泵在空调系统中的应用

范鹤轩

中国泛海控股集团有限公司

摘要：本文通过对水源热泵空调系统设计方案的分析及水质处理，说明水源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。因此，目前在国内空调行业引起了人们广泛的关注，希望尽快应用这项新技术。

关键词：水源热泵、地下水、板式换热器

一、水源热泵技术

1、水源热泵的起源及发展

水源热泵是一种高效、节能、环保、经济实用的中央空调形式。我国该项技术却处于刚刚起步阶段，但是发展势头却很好，已经研制出各种系列的机组，其技术水平也逐渐达到国际水平。

2、水源热泵工作原理及系统组成

水源热泵空调系统是一种利用含有大量稳定能源的地下水，作为空调系统排热或吸热的热源，从而实现房间空气调节的系统。也就是说，在冬季该系统可代替锅炉，从地下水中吸取热量，向房间供热；在夏季该系统又可代替空调系统的室外机和冷却塔，将房间的热量传至地下水，实现房间的降温。

水源热泵系统由：用户、主机系统及水源系统组成（如图1）。用户系统由用户侧水管系统、循环水泵、水过滤器、静电水处理仪、各种末端空气处理设备、膨胀定压设备及相关阀门配件组成。主机系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、各种制冷管道配件和电气控制系统等组成。水源水系统由水源取水装置、取水泵、水处理设备、输水管网和阀门配件等组成。制冷/制热工况是通过阀门切换来实现的。夏季制冷时阀门B开启，阀门A关闭，冬季制热时阀门A开启，阀门B关闭。即：水源水进入冷凝器，蒸发器的冷冻循环水接用户系统时为制冷工况；反之则为制热工况。

图1

3、水源热泵的适用条件

选用水源热泵机组作为中央空调冷热源的首要条件是：具备可以利用的、可靠的地下水源。

（1）、水源充足：

地下水水量应满足工程所需要的水量，工程中冬季和夏季所需要的地下水量是由水源热泵冷热水机组性能、井水水温及建筑物空调的冷、热负荷等因素决定的。因此，所原则地下水井输水量应满足工程上的需要。

（2）、水温适度：

井水水温越高，水源热泵机组制热能力和性能系数越大。因此，希望井水水温不要太低。一般要求：热泵工况时，井水水温为12-22℃，以不低于10℃为宜；制冷工况时，井水水温为18-35℃。

（3）、水质适宜：

防止对管路、设备等产生腐蚀、磨损、堵塞等，所以保证水质质量是十分重要的。

4、水源热泵的独特优势

（1）、高效节能：

水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季水体温度为18-35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。

（2）、运行稳定可靠：

地下水温度较恒定的特点，使得水源热泵系统运行更稳定可靠，整个系统的维护费用也较锅炉、制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。

（3）、一机多用，应用范围广：

水源热泵系统可供暖、空调、还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。

二、水源热泵的系统设计方法

水源热泵机组的选择和普通的制冷机组近似。水源热泵的运行效果如何，关键在于地下水系统的合理设计及水质处理。下面就地下水系统的设计步骤和水质处理方法进行阐述。

1、完成试验井

在建设工地的现场，根据场地的大小选择一个以上的试验井，由当地水文地质单位测出每个井的日出水量和小时出水量。

2、确定工程所需的地下水总水量

地下水的流量主要与所选的水源热泵性能、地下水的温度、建筑物的冷热负荷及所选的地下水系统形式有关。

在夏季制冷工况时，地下水作为冷却水使用。地下水的流量为：

式(1)

式中：GL------夏季供冷所需地下水流量，kg/s；

QL------建筑物夏季设计冷负荷，KW；

CPW-----水的定压比热，kJ/(kg.k)；

tg1-----进入热泵换热器的水温，即地下水温，℃；

tg2-----离开热泵换热器的水温，℃；

EER----热泵机组的能效比。

从式（1）式中可以看出，当进入热泵机组的水温恒定时，所需的地下水流量主要与离开热泵换热器的水温有关。水温越高，虽然所需水流量减少，但热泵机组的能效比却降低。

假定地下水的温度为15℃，机组换热器的最小传热温差为5℃，计算在相同的蒸发温度，不同的冷凝温度情况下，热泵的能效比和地下水流量的变化情况如下表1：

表1：地下水进出口温差不同时，机组能效比与水流量的变化

计算结果表明，当进入热泵的进出口水的温差大于20℃以后，所需地下水的流量减少的程度变缓，而且机组能效比急剧降低；而当温差小于5℃时，所需地下水流量急剧增加，但机组的效率并没有显著的提高，因此，地下水的进出口温差最好在15℃以内。一般进出口温差在5-10℃时，机组整体经济性比较好。

在冬季供热工况时，所需地下水流量为：

式（2）

式中：QH------冬季空调设计热负荷，KW；

CPW-----水的定压比热，kJ/(kg.k)；

tw1-----进入热泵换热器的水温，即地下水温，℃；

tw2-----离开热泵换热器的水温，℃；

COP----机组冬季制热性能系数。

从式（2）式中可以看出，在相同负荷和进出口温差的情况下，冬季所需的地下水流量小于夏季，但冬季地下水离开热泵机组的温度应高于水的凝固点温度。

3、地下水的处理

地下供水井的数量一般根据地下水井产水量及所需地下水量决定。采用地下水的热泵系统必须考虑地下水的回灌，否则，因为长期的地下水抽取，必然引起地下水位的降低，造成地面塌陷。供水井和回水井必须保持一定的间距，以免影响供水井的水温。

地下水的水温和水质随地理环境、地质条件以及循环深度不同而变化。有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含沙量高会对机组和管阀造成磨损。含沙量高和浑浊度高的水用于地下回灌也会造成含水层的堵塞。因此，一般规定水源热泵系统的水源，含沙量小于1/200000，浊度应小于20mg/L。如果系统中采用板式换热器，水源中固体颗粒的粒径应小于0.5mm。

如果水源的水质不是适宜水源热泵机组使用时，可采用相应的技术措施进行水处理，使其符合要求，经常采用大的水处理技术有以下几种。

（1）、除砂器与沉淀池

（2）、净水过滤器

（3）、除铁设备

（4）、板式换热器

结 论

由于煤、油、天燃气等属不可再生能源，我国的能源储备有限，同时又面临环境保护、可持续发展等问题，所以，如何提高能源利用效率，更多的利用可再生能源、减少环境污染，是我们应该注重的问题。而水源热泵技术对于解决上述问题，是一种很好的选择。

水源热泵作为一种环保节能的空调方式，利用地下水的热源，避免了燃料燃烧产生的污染，具有良好的综合能效比，因此大力发展热泵空调很有必要。水源热泵的技术，为我们国家的可持续发展带来了契机，相信水源热泵在不远的将来一定会有广阔的市场前景。

参考文献

[1] 孙颖，苗礼文等。北京市深井人工回灌现状调查与前景 2001（1）21-23

[2] 张毅，孙友宏。水源热泵系统的相关问题[J] 2003，15（12）：111-113

[3] 意大利克莱门特水源热泵产品技术手册