水源熱泵系統的設計與應用

【摘要】以地下水為低位熱源，通過熱泵機組將低位熱能轉換成高位熱能，為用戶提供冷熱源的水源熱泵系統，配套智能、節能的控制系統，可使系統大大降低能耗。

【關鍵詞】水源熱泵；節能自控技術

1、水源熱泵夏季制冷優勢分析

夏季冷水機組、風冷熱泵系統制冷，系統余熱散向大氣，水-空氣通過換熱器進行熱交換的效果遠遠低于水-水換熱，且冷水機組、風冷熱泵的效率容易受室外干球、濕球溫度影響；而水源熱泵系統向地下水散熱，效果明顯，同時地下水溫相對恒定，機組運行較平穩，機組能效比大大提高。

2、水源熱泵系統設計

2.1機房設備系統設計

選用水源熱泵系統作為冷熱源，如果選用地下水作為低位熱源，首先要調研當地的地下水源情況，包括地下水溫、水位、出水量、地下水流走向、地質情況、冬季最冷季不同深度的地下水溫，可以針對該項目打試驗井，進行一系列的勘察，取得詳實數據，作為熱泵系統設計的依據；如果項目地污水較多，或者有江、河、海水作為低位熱源，應詳細勘察以獲取真實的數據。

針對項目地的低位熱源水溫，確定熱泵機組的蒸發、冷凝溫度，測算出標準工況下的機組供熱量；依據建筑負荷情況，確定所需要的熱泵機組型號及臺數，潛水泵的水流量、揚程、功率、臺數等；依據地質情況確定供水井數量及回灌井數量，依據現場實際情況繪制設備分布、管線布置圖。

2.2機房電控系統設計

熱泵系統能否真正高效、節能運行，須設計智能節能的控制系統，實現以下功能：

水源熱泵與空調水泵、潛水泵的耦合控制

2.2.1夏季控制分析

空調水泵與水源熱泵的耦合控制

對于效率稍高的滿液式螺桿水源熱泵，名義工況蒸發器側供回水溫度一般為12℃/7℃，蒸發溫度為5℃，過熱度2℃，但當建筑負荷發生變化時機組需要部分負荷運行時，冷凍水的流量亦需要發生變化，筆者曾對一滿液式水源熱泵機組進行運營現場測試，測試過程中潛水泵變頻器設置為50Hz頻率運行，通過改變空調側水泵的運行頻率測試水源熱泵主機的性能。冷凍水流量減小時，機組的制冷量降低（冷水流量的減少導致蒸發器傳熱系數的降低，使得制冷量降低），但降低的幅度有限（流量降低造成進出水溫差的提高，對蒸發器內對數平均傳熱溫差產生影響，導致制冷量提高），冷凍水由100%流量降低至60%流量時，制冷量降低了28.9%，機組輸入功率降低；冷凍水由100%降至70%時，機組COP值先短暫下降，然后上升；冷凍水量繼續降低，機組COP值降低，機組COP值在冷凍水降至70%時升至最高，因此當末端負荷減少時，如何智能控制冷凍水泵與水源熱泵機組的耦合運行，且盡量使得水源熱泵機組保持在高效段運行尤為關鍵。

（1）井水泵與水源熱泵的耦合控制

對于水源熱泵，冷凝器傳熱面積和傳熱系數為固定值。以恒溫差變流量控制為例，設夏季水源側名義工況進水溫度Tb=18℃，冷凝溫度Tk=34℃，過冷5℃條件下，定流量名義工況出水溫度Ta=29℃，平均傳熱溫差△t =9.46℃；由 Q（1+1/cop）=CpG（t2-t1）， Cp為水的定壓比熱容，COP為熱泵機組的能效系數，因該系數趨于定值，因此負荷Q與潛水泵供水量近于比例變化。當水泵功率相對于主機功率小于10%時，多用此種方法進行控制。

當井水減少時，機組的制冷量和COP值隨之降低，由于排氣壓力升高，壓縮機的輸入功率功率升高，當井水側流量低于額定流量70%以后，機組的制冷量和COP值衰減加快，機組的能效比系數下降，由表中數據可以看出，當單位時間安內熱泵機組功率增加值△N主機≤井水泵功率降低值△N井水泵，若熱泵機組+井水泵的功率和仍在降低，說明系統可通過智能控制存在節能空間。

當冷凍水流量減少時，熱泵機組的制冷量和耗功率將減小，但冷凍水流量對熱泵機組的COP值影響較小。當井水流量降低時，機組的制冷量隨之下降，同時COP值亦下降，且下降幅度大于因冷凍水流量的減少導致的熱泵COP值的降低。

當水泵功率相對于主機功率大于10%時，可采用控制主機冷凝側溫度的方法提升熱泵主機與潛水泵的節能空間。此時可選用井水回水溫度t2作為控制目標量，將此溫度與設定上限制（比如30℃）進行比較，在保證冷凝器內水流為紊流的前提下控制潛水泵的運行臺數及運行頻率。當設定井水回水溫度30℃，平均傳熱溫差△t =8.66℃。冷凝器的傳熱溫差減少8.46%.導致COP下降。從傳熱特性可知，水側吸熱系數與流速的0.8次方成比例，流速的降低會造成冷凝器傳熱系數降低。

水源側潛水泵變流量并不能使得冷機的運行工況或者是制冷系數COP得以優化，只是維持當前COP盡量逼近水源熱泵的當前工況狀態下的最佳COP值，消減系統冗余的水量和系統損失，盡可能多的獲取主機和輔機系統的節能效益。

其次，若水中含有機物或鹽分，則在流速小于lm/s時，就會造成管壁腐蝕，因此，系統要求水系統須在一定的安全且經濟的流量下運行。

（2）部分負荷時機組性能

在實際運行過程中，熱泵機組在70%～100%負荷段運行時間約為30%～45%，25%～70%負荷段運轉的時間約在55%～70%，研究部分負荷時段機組性能變化較為關鍵。

因此，相同的冷量輸出采用最優的主機運行組合方式，獲得最佳的系統綜合部分負荷性能系數IPLV。合理的主機負荷分配策略可使主機運行IPLV提高，同時須依據不同的主機性能曲線和主機數量制定對應的主機負荷的分配方案。

2.2.2冬季控制分析

冬季水源側名義工況進水溫度Tb=15℃，蒸發溫度Tk=5℃，過熱2℃條件下，定流量名義工況出水溫度Ta=7℃，冷凝側進入機組水溫40℃，供水水溫45℃，Tk=50℃，過冷5℃，控制分析類同（1），井水供水溫度不變時，蒸發器側流量增加，則提升蒸發器的出水溫度，提高了熱泵的蒸發溫度，增加制熱量和熱泵能效比。供熱循環側系統水回水溫度不變，冷凝器側流量升高，則降低冷凝器的出水溫度，優化了熱泵的冷凝溫度，增加了熱泵的制熱量，提升了熱泵能效。

結語：

本文針對已實施的項目進行分析統計，設計高效合理的水源熱泵智能控制系統系統較常規控制系統可節約能耗20%至45%左右，因此研發高效可行的控制系統，也許是暖通空調系統今后發展的方向。

參考文獻：

陳焰華.地下水地源熱泵空調系統設計與運行工況分析[J].武漢市建筑設計院