節能型水源熱泵機組及其應用
一、概述：
日益增長(cháng)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，引起了世界各國的高度重視。根據國際能源熱泵組織（IEA Heat Pump Centre）和歐洲熱泵協(xié)會(huì )（EHPA）統計的資料表明，目前歐洲有450萬(wàn)臺熱泵用于住宅，150萬(wàn)臺熱泵用于第三產(chǎn)業(yè)，2.5~3萬(wàn)臺熱泵用于工業(yè)。EHPA的目標是到2010年在歐洲至少有1500萬(wàn)臺熱泵用于住宅，這相當于每年節省100TWh的能源和減少4000萬(wàn)噸的CO2的排放。至2002年瑞士熱泵在新住宅的占有率超過(guò)1/3，日本建筑物的熱泵占有率達到20%，而我國熱泵的應用在1990年之后才得到了迅速發(fā)展，至1997年已安裝1140萬(wàn)臺，而且呈迅速發(fā)展的勢頭。 轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱(chēng)|
隨著(zhù)我國加入WTO和2008年奧運會(huì )的成功申辦，我國的城市中心區域正在逐步禁止使用燃煤鍋爐，與此同時(shí)，燃油鍋爐的使用也正在受到一定程度的限制，這樣就給熱泵機組的應用提供了巨大的發(fā)展空間。熱泵機組主要分為空氣源熱泵和水源（地源）熱泵，由于空氣源熱泵受環(huán)境、氣候的影響較大，其應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使這一問(wèn)題得到了有效的解決。它以耗能少，利用可再生能源，不消耗水資源，不污染環(huán)境，符合可持續化發(fā)展的要求等諸多優(yōu)勢受到社會(huì )各界的廣泛歡迎。
二、水源熱泵的現狀：
水源熱泵應用的最大問(wèn)題在于要結合實(shí)際情況，提供一個(gè)穩定的水源，同時(shí)要解決地下水的回灌問(wèn)題以及冬季如何最大限度的利用水中所蘊藏的能量。目前此類(lèi)工程的應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，要維持水系統的平衡，確保取出的水全部回灌，取水井與回灌井數比例一般采取1：2或2：3。這不僅增加投資，而且在部分負荷時(shí)回灌井利用率低。因此能否解決既要減少投資，又能節約運行費用，同時(shí)保證100%回灌問(wèn)題，將直接關(guān)系到水源熱泵的應用與發(fā)展。因此研究開(kāi)發(fā)一種節水、高能效比的水源熱泵機組有助于水源熱泵的應用與推廣，并且會(huì )具有很好的市場(chǎng)前景。 
三、節能型水源熱泵機組：
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，我們在機組的結構上進(jìn)行了研究與探索。其結構是機組采用兩個(gè)小型蒸發(fā)器，每個(gè)蒸發(fā)器與一臺或幾臺壓縮機及冷凝器、膨脹閥等組成各自獨立的制冷循環(huán)系統。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)現兩個(gè)蒸發(fā)器水系統的串聯(lián)或并聯(lián)。夏季制冷工況運行時(shí)兩個(gè)蒸發(fā)器水管之間的閥門(mén)打開(kāi)，空調末端系統的回水分兩路同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的出口合流后進(jìn)入空調末端，也就是說(shuō)冷水并聯(lián)流過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器。系統的冷量是通過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器實(shí)現的，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，彌補了水流量減小對流速的影響，這樣流經(jīng)每個(gè)蒸發(fā)器的水流量、流速與夏季工況運行時(shí)一致，對傳熱性能的影響較小，既達到了節約地下水的目的，又不影響換熱性能。

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四、工程應用實(shí)例：
以下是某單位辦公樓應用本新型節能水源熱泵機組作為冷熱源的設計實(shí)例：
1、辦公樓建筑面積：4600m2，室內末端采用嵌入式風(fēng)盤(pán)，經(jīng)計算需要的冷負荷Q0=460kW，需要的熱負荷Qh=506kW。
2、水源條件：?jiǎn)尉�水�?0~60m3/h，水溫：夏季16℃，冬季15℃。
3、選用四臺40HP半封活塞壓縮機，每?jì)膳_壓縮機與一臺蒸發(fā)器、一臺冷凝器組成兩個(gè)獨立的系統。
4、設計工況：
制冷工況：蒸發(fā)器1、2水系統并聯(lián)，氟系統獨立，其進(jìn)出水溫度12/7℃，蒸發(fā)溫度2℃；冷凝器1、2水系統并聯(lián)，氟系統獨立，其進(jìn)出水溫度16/26℃，冷凝溫度31℃。
制熱工況：蒸發(fā)器1、2水系統串聯(lián)，氟系統獨立，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水系統并聯(lián)，氟系統獨立，其進(jìn)出水溫度40/45℃，冷凝溫度50℃。
5、計算結果如下：
① 制冷工況：
系統總制冷量：Q0=466kW，
系統總功率：Pi=89.5kW
系統制冷系數：Cop=5.2
井水(水系統并聯(lián))取水量：47.2m3 
② 熱泵工況：
系統總制熱量：Qk=511kW，
系統總功率：Pi=121.7kW
系統制熱系數：Cop=4.2
井水(水系統串聯(lián))取水量：34m3
經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季和夏季的運行結果表明，在當地水源條件下兩口井就可以實(shí)現機組安全可靠運行，制冷及制熱效果完全滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。減少了初投資和運行費用，收到了很好的經(jīng)濟效益. 
五、結論：
采用此結構使蒸發(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)熱泵工況運行時(shí)，水量減少20%，系統的制熱量提高了10%左右，Cop提高了7%左右。
綜上所述，通過(guò)改進(jìn)熱泵機組的結構，改變蒸發(fā)器水系統的串聯(lián)與并聯(lián)，既實(shí)現了節約地下水的取水量，減少取水井與回灌井的數量，又合理使用了蒸發(fā)器的換熱面積，同時(shí)提高了系統的制熱量及能效比。這樣既減少了初投資，又降低了運行費用，具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，對水源熱泵在我國的應用與發(fā)展將起到推動(dòng)作用。