淺談節(jié)能型水源熱泵機(jī)組

日益增長(zhǎng)的能源消耗和環(huán)境污染是困擾人類(lèi)社會(huì)的兩大難題，引起了各地的重視。根據(jù)能源熱泵組織(IEAHeatPumpCentre)和歐洲熱泵協(xié)會(huì)(EHPA)統(tǒng)計(jì)的資料表明，目前歐洲有450萬(wàn)臺(tái)熱泵用于住宅，150萬(wàn)臺(tái)熱泵用于第三產(chǎn)業(yè)，2.5-3萬(wàn)臺(tái)熱泵用于工業(yè)。

EHPA的目標(biāo)是到2010年在歐洲至少有1500萬(wàn)臺(tái)熱泵用于住宅，這相當(dāng)于每年節(jié)省一百TWh的能源和減少4000萬(wàn)噸的CO2的排放。

各地城市中心區(qū)域正在逐步禁止使用燃煤鍋爐，燃油鍋爐的使用也正在受到一定程度的限制，這樣就給熱泵機(jī)組的應(yīng)用提供了巨大的發(fā)展空間。熱泵機(jī)組主要分為空氣能熱泵和水源(地源)熱泵，由于空氣能熱泵受環(huán)境、氣候的影響較大，其應(yīng)用受到了很大程度限制，而地下水溫度冬夏變化不大，因此以地下水做冷熱源的水源熱泵系統(tǒng)使這一問(wèn)題得到了解決。它以耗能少，利用可再生能源，不消耗水資源，不污染環(huán)境，符合可持續(xù)化發(fā)展的要求等諸多優(yōu)勢(shì)受到社會(huì)各界的廣泛歡迎。

水源熱泵的現(xiàn)狀

水源熱泵應(yīng)用的問(wèn)題在于要結(jié)合實(shí)際情況，提供一個(gè)穩(wěn)定的水源，同時(shí)要解決地下水的回灌問(wèn)題以及冬季如何利用水中所蘊(yùn)藏的能量。目前此類(lèi)工程的應(yīng)用一般采取自然回灌，由于自然回灌只是重力做功，而取水是動(dòng)力做功，要維持水系統(tǒng)的平衡，確保取出的水全部回灌，取水井與回灌井?dāng)?shù)比例一般采取1：2或2：3。這不僅增加投資，而且在部分負(fù)荷時(shí)回灌井利用率低。

因此能否解決既要減少投資，又能節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)保證百分百回灌問(wèn)題，將直接關(guān)系到水源熱泵的應(yīng)用與發(fā)展。因此研究開(kāi)發(fā)一種節(jié)水的水源熱泵機(jī)組有助于水源熱泵的應(yīng)用與推廣，并且會(huì)具有很好的市場(chǎng)前景。

節(jié)能型水源熱泵機(jī)組

為了克服熱泵工況增大傳熱溫差所帶來(lái)的諸多技術(shù)問(wèn)題，我們?cè)跈C(jī)組的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了研究與探索。其結(jié)構(gòu)是機(jī)組采用兩個(gè)小型蒸發(fā)器，每個(gè)蒸發(fā)器與一臺(tái)或幾臺(tái)壓縮機(jī)及冷凝器、膨脹閥等組成各自獨(dú)立的制冷循環(huán)系統(tǒng)。兩個(gè)蒸發(fā)器的進(jìn)出水管之間通過(guò)閥門(mén)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。

夏季制冷工況運(yùn)行時(shí)兩個(gè)蒸發(fā)器水管之間的閥門(mén)打開(kāi)，空調(diào)末端系統(tǒng)的回水分兩路同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的出口合流后進(jìn)入空調(diào)末端，也就是說(shuō)冷水并聯(lián)流過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器。系統(tǒng)的冷量是通過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)蒸發(fā)器的進(jìn)出口水溫都是12/7℃(進(jìn)出水溫差Δt=5℃);冬季熱泵工況運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)蒸發(fā)器水管之間的閥門(mén)關(guān)閉，作為熱源的地下水依次流過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器，也就是說(shuō)兩個(gè)蒸發(fā)器的水串聯(lián)，作為熱源的地下水通過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)Δt=10℃的溫降。

與水并聯(lián)流過(guò)蒸發(fā)器相比，串聯(lián)時(shí)水流過(guò)蒸發(fā)器的流通面積減小，彌補(bǔ)了水流量減小對(duì)流速的影響，這樣流經(jīng)每個(gè)蒸發(fā)器的水流量、流速與夏季工況運(yùn)行時(shí)一致，對(duì)傳熱性能的影響較小，既達(dá)到了節(jié)約地下水的目的，又不影響換熱性能。

以下是某單位辦公樓應(yīng)用本新型節(jié)能水源熱泵機(jī)組作為冷熱源的設(shè)計(jì)實(shí)例：辦公樓建筑面積：4600m2，室內(nèi)末端采用嵌入式風(fēng)盤(pán)，經(jīng)計(jì)算需要的冷負(fù)荷Q0=460kW，需要的熱負(fù)荷Qh=506kW。水源條件：?jiǎn)尉?0~60m3/h，水溫：夏季16℃，冬季15℃。選用四臺(tái)40HP半封活塞壓縮機(jī)，每?jī)膳_(tái)壓縮機(jī)與一臺(tái)蒸發(fā)器、一臺(tái)冷凝器組成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)工況：制冷工況：蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，其進(jìn)出水溫度12/7℃，蒸發(fā)溫度2℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，其進(jìn)出水溫度16/26℃，冷凝溫度31℃。制熱工況：蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)串聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，蒸發(fā)器1進(jìn)出水溫度15/9.5℃，蒸發(fā)溫度5.5℃;蒸發(fā)器2進(jìn)出水溫度9.5/5℃，蒸發(fā)溫度1℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，其進(jìn)出水溫度40/45℃，冷凝溫度50℃。

計(jì)算結(jié)果如下：①制冷工況：系統(tǒng)總制冷量：Q0=466kW，系統(tǒng)總功率：Pi=89.5kW，系統(tǒng)制冷系數(shù)：Cop=5.2，井水(水系統(tǒng)并聯(lián))取水量：47.2m3;②熱泵工況：系統(tǒng)總制熱量：Qk=511kW，系統(tǒng)總功率：Pi=121.7kW，系統(tǒng)制熱系數(shù)：Cop=4.2，井水(水系統(tǒng)串聯(lián))取水量：34m3。經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季和夏季的運(yùn)行結(jié)果表明，在當(dāng)?shù)厮礂l件下兩口井就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全可靠運(yùn)行，制冷及制熱效果可以滿足用戶的要求。減少了初投資和運(yùn)行費(fèi)用，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

采用此結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)器的進(jìn)出水無(wú)論是在制冷時(shí)的5℃溫差，還是在制熱時(shí)的10℃溫差，蒸發(fā)器的換熱性能基本一致，也就是說(shuō)蒸發(fā)器的換熱面積在冬、夏兩種工況下得到了充分利用。同時(shí)熱泵工況運(yùn)行時(shí)，水量減少20%，系統(tǒng)的制熱量提升了10%左右，Cop提升了7%左右。

綜上所述，通過(guò)改進(jìn)熱泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)，改變蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)約地下水的取水量，減少取水井與回灌井的數(shù)量，又合理使用了蒸發(fā)器的換熱面積，同時(shí)提高了系統(tǒng)的制熱量及能效比。這樣既減少了初投資，又降低了運(yùn)行費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)水源熱泵在各地的應(yīng)用與發(fā)展將起到推動(dòng)作用。