低溫地表水源熱泵系統可行性試驗分析

朱孔陽

(廣東省輸變電工程公司，廣州 510160)

低溫地表水源熱泵系統可行性試驗分析

朱孔陽

(廣東省輸變電工程公司，廣州 510160)

為了實現節能減排，減少供暖期內煤、天然氣等一次能源消耗，對低溫地表水源熱泵系統供暖的可行性進行研究。受冬季地表水源溫度的限制，采用閉式水源熱泵系統。對該系統分別采用單級、雙級耦合運行，計算并分析系統制熱效能比(EER)，得出冬季水溫極端情況下熱泵提供45.0 ℃水時，系統制熱效能比均大于2.6，證明了冬季利用低溫水源供熱的可行性。同時對單級熱泵系統和雙級耦合熱泵系統制熱效能比作對比，確定了低溫水源熱泵系統分別提供45.0 ℃和50.0 ℃熱水的單、雙級切換條件的水溫為5.0 ℃和8.0 ℃。

水源熱泵；單、雙級切換；制熱效能比；閉式系統

0 引言

近年來，全球能源消耗平均以每年3%的速度遞增[1]。地表水源熱泵具有高效節能、系統運行穩定可靠、環境效益顯著等特點。我國北方地區冬季氣溫很低，很多地區地表水源的溫度低于0 ℃，而在水層底部一般高于表層水3～5 ℃，充分利用底層地表水來供熱，具有很高的應用價值。如果能夠在北方地區發展熱泵系統，就可以減少一次能源的使用，減少經濟對煤炭資源的依賴[2]，同時減少溫室氣體和氮氧化物的排放量，減輕對環境的污染，實現人類與環境的和諧發展。

1 單、雙級耦合熱泵系統聯合運行

雙級耦合熱泵系統是指兩臺熱泵機組接力運行，低溫熱泵機組從戶外低溫水源中提取熱量，將熱量運輸至高溫熱泵機組低溫側，高溫熱泵機組制取高溫水。雙級耦合熱泵系統具有以下優點：適用性強；組裝靈活方便，操作簡單；能克服水源溫度低這一不利因素持續供暖。

溫度較高時，雙級耦合熱泵系統制熱效能比(EER)低于單級熱泵系統；反之，溫度較低時，單級熱泵系統效能較低。因此，供暖期內，控制水源溫度，適時合理地切換單、雙級熱泵系統，將更具經濟性。

2 熱泵系統的選取

熱泵系統的選取主要取決于水源水質以及水溫情況。地表水的水質指標包括水的濁度、硬度以及藻類和微生物含量等。開式系統直接利用水源熱泵系統，具有更高的能源利用效率，可充分提取水中的熱能。對于水質的具體要求，在目前還沒有機組產品標準的情況下，可以參照以下要求：pH值，6.5～8.5；CaO的質量濃度<200mg/L；Cl-的質量濃度<100mg/L；SO42-的質量濃度<200mg/L；Fe3+的質量濃度<1mg/L；H2S的質量濃度< 0.5mg/L[3]。

閉式系統與外界間接連接，通過換熱盤管與地表水源進行換熱。由于間接連接存在傳熱溫差，導致換熱盤管中的介質與外界水源溫度相差2～7 ℃，因而會降低熱泵及組的制熱性能，即機組的EER有所下降。由于冬季供暖期內地表水水溫會低于5 ℃，因而采用閉式地表水源熱泵系統，并且環路內必須采用防凍液。

開式系統和閉式系統水源熱泵原理如圖1所示。江水換熱器的材料采用高密度聚乙烯塑料管[4]。江水換熱器多做成平鋪的環狀盤管，通過重物將其沉入江底，盤管里流動的載冷劑與管外流動的江水進行換熱。在施工安裝固定閉式換熱器時，要注意水的流速問題[5]。

圖1 水源熱泵開式系統和閉式系統原理

3 試驗系統

該試驗系統主要由2臺水/水熱泵機組、1臺低溫冷水機組、3個水箱、模擬室及末端設備和數據檢測采集系統5部分組成，試驗系統如圖2所示，試驗照片如圖3所示。

圖2 試驗系統

圖3 試驗系統照片

本試驗系統的測量儀表及數據采集系統由34980A測量單元、34924A終端數據集成模塊和34924T接線盒3個部分組成，采集系統由美國安捷倫公司生產。溫度、壓力、流量分別由4線制鎧裝鉑電阻、渦輪流量變送器、精度為0.5級的壓力變送器測得。測量的數據通過數據線遠傳至數據采集系統，并實時存入電腦。

水/水熱泵機組采用全封渦旋壓縮機，機組參數為：熱泵機組制熱功率，21.8kW；耗電功率，4.9kW；地表水源側阻力，30kPa；制熱水側阻力，30kPa；電源電壓，380V；制冷劑采用R22。低溫冷源系統是由制冷機組、水箱、一級熱泵機組及其相應的附件構成。

水箱分為低溫水箱、熱水箱、中間環路蓄水箱。低溫水箱作為熱泵的低溫熱源，其下部設有用于降溫的換熱盤管，內部設有電加熱器，與水/水熱泵機組連接口處設有可調電加熱器，因而本試驗臺可以非常精確地控制熱泵機組的進水溫度。低溫水箱與熱泵機組循環管路中傳熱介質為水，為了防止溫度過低而導致結冰，采用大流量小溫差方式循環。熱水箱用來貯存熱泵產生的高溫水，為末端裝置提供熱量。中間環路蓄水箱在雙級耦合熱泵系統中起到穩定水溫的作用。

4 單級熱泵機組和雙級耦合熱泵機組的運行

4.1 單級熱泵運行

單級熱泵運行如圖4所示，蒸發器側循環水進口水溫分別控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，向末端設備提供45.0 ℃和50.0 ℃的熱水，運行工況參數見表1和表2。

圖4 單級熱泵運行示意

根據熱泵機組的制熱功率和熱泵、水泵的能耗可以計算出單級熱泵機組系統供熱效能比K1：

(1)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000 ，

(2)

式中：P為熱泵吸收低溫水的功率，kW；P1為機組輸入功率，kW；PX為循環水泵總功率，kW；c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·K)；t1為蒸發器側進水溫度，℃；t2為蒸發器側回水溫度，℃；qV為一級蒸發器側循環水流量, m3/h；ρ為水的密度,1.0×103kg/m3。

表1 45.0 ℃熱水時單級熱泵機組運行工況參數

表2 50.0 ℃熱水時單級熱泵機組運行工況參數

4.2 雙級耦合熱泵運行

根據熱泵機組的制熱量和熱泵、水泵的能耗可以計算出雙級耦合熱泵系統系統供熱效能比K2。

(3)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000，

(4)

式中：P為熱泵吸收低溫水的功率，kW；P1′為一級熱泵輸入功率，kW ；P2為二級熱泵輸入功率，kW；PX為循環水泵總功率，kW；c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·K)；t1為蒸發器側進水溫度，℃；t2為蒸發器側回水溫度，℃；qV為一級蒸發器側循環水流量, m3/h；ρ為水的密度,1.0×103kg/m3。

2臺熱泵機組雙級耦合運行系統如圖5所示。一級熱泵機組蒸發器側循環水進口水溫分別控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，中間環路保持在10.0～20.0 ℃，向末端設備提供45.0 ℃和50.0 ℃的熱水，運行工況參數見表3和表4。

圖5 雙級熱泵運行示意

項目參數一級熱泵蒸發器側進水溫度t1/℃8．07．06．05．04．0一級熱泵蒸發器側回水溫度t2/℃4．53．62．71．80．9一級熱泵輸入功率P1′/kW3．003．003．002．902．90二級熱泵輸入功率P2/kW4．204．204．204．204．10一級蒸發器側循環水流量qV/(m3·h-1)4．384．374．364．364．38循環水泵總功率PX/kW2．802．802．802．802．80系統供熱效能比2．792．732．682．652．62

表4 50.0 ℃熱水時雙級耦合熱泵機組運行工況參數

對試驗數據進行整理，得出結果如圖6和圖7所示。結合表1和表2，可以得出以下結論。

(1)在冬季極端水溫條件下，江水深水層水溫4.0 ℃時，熱泵機組提供45.0 ℃熱水時，系統供熱效能比最低值接近2.6。由此可見，冬季采用松花江江水作為水源熱泵的地位熱源具有很好的前景。

(2)熱泵系統提供45.0 ℃熱水的單雙級切換溫度是5.0 ℃，提供50.0 ℃熱水的單雙級切換溫度是8.0 ℃。當水源溫度低于5.0 ℃時，雙級耦合熱泵供熱效能比EER要高于單級運行，當水溫高于5.0 ℃時，采用單級熱泵運行比雙級耦合更經濟。當水源溫度低于8.0 ℃時，雙級耦合熱泵供熱效能比EER要高于單級運行，當水溫高于8.0 ℃時，采用單級熱泵運行則具有更高的效率。因此，在冬季12月、1月、2月寒冷月份，采用雙級耦合方式運行,采暖期的其他月份則采用單級運行。

圖6 45.0 ℃水時單、雙級耦合熱泵系統性能對比

圖7 50.0 ℃水時單、雙級耦合熱泵系統性能對比

5 結束語

通過上述試驗，充分證明了低溫水源熱泵應用的可行性。同時提出了供暖季節單級熱泵系統和雙級耦合熱泵系統聯合運行的方案，得出單、雙級熱泵機組的切換條件。為了擴展系統的適用性和提高系統運行的可靠性，在今后擬研究單級熱泵加輔助熱源的系統運行經濟性與雙級耦合熱泵系統運行經濟性的評價問題。

[1]王子云. 長江水源熱泵換熱器研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[2]王洋，江輝民，喻銀平，等．空氣/水和水/空氣雙級耦合熱泵系統在“三北”地區應用中存在的問題及其改進措施[J]．建筑熱能通風空調，2003, 22(5): 29-31.

[3]姚楊．暖通空調熱泵技術[M]．北京：中國建筑工業出版社, 2008.

[4]曲云霞，方肇洪，張林華，等．地表水源熱泵系統的設計[J]. 可再生能源, 2003, 21(3): 30-32.

[5]王勇，顧銘，肖益民，等．長江水源熱泵開式與閉式實驗對比分析[J]．土木建筑與環境工程，2009，31(2)：126-130.

(本文責編：劉炳鋒)

2016-11-24；

2017-01-05

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1674-1951(2017)02-0062-03

朱孔陽( 1984—) ，男，山東臨沂人，工程師，工學碩士，從事土建設計方面的工作(E-mail:421623984@qq.com)。