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文獻綜述
題 目： 水源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中的應用與分析
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水源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中的應用與分析
摘要：從水源熱泵的工作原理出發(fā)，介紹了水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特點，對水源熱泵節(jié)能條件進行簡要分析，并探討了水源熱泵設(shè)計應用中存在的問題。
關(guān)鍵詞：水源熱泵；空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能
Study on Application and Analysis of Air Condition Systems with Water Source Heat Pump
Z H U pan-sheng
(Zhengzhou University Of Light Industry Henan Zhengzhou)
Abstract：Based on the working principle of water source heat pump，this paper presents the feature of air condition systems with water source heat pump，then analyzes the conditions of saving energy of the water source heat pump，and talks about the questions in design and application of water source heat pump．
Key words：water source heat pump；air condition systems；saving energy
目前熱泵已被各國公認為是一種有利于環(huán)境保護的高效節(jié)能裝置。從世界范圍看，水源熱泵已處于成熟期，但是地下水溫度的高低仍然影響著水源熱泵的節(jié)能效果，本文從地下水源的溫度變化對熱泵節(jié)能效果的影響進行了論述。
1 水源熱泵技術(shù)的工作原理及流程
原理：水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水，并利用熱泵原理，通過少量的電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。水源熱泵技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應用，主要是利用水源熱泵機組代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制冷機組和鍋爐，以水為儲存和提取能量的基本介質(zhì),借助壓縮機系統(tǒng)，消耗少量電能，在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，冬季則從水源中提取熱量，以達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的[1]。
圖1 水源熱泵工作流程圖
流程：水源熱泵技術(shù)的工作流程工作流程如圖1：工質(zhì)1為熱源水，工質(zhì)2為熱泵中的介質(zhì)(如R22)，工質(zhì)3為循環(huán)水，工質(zhì)1流經(jīng)熱泵時，與蒸發(fā)器中的工質(zhì)2進行熱交換，工質(zhì)2吸收熱量后，蒸發(fā)成低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機提高壓力和溫度后，進入冷凝器凝結(jié)成液體并向工質(zhì)3放出熱量，這熱量實際上包括來自低位熱源熱量和壓縮機的功耗工質(zhì)3的熱量即可供建筑物取暖所需，工質(zhì)從冷凝器的高壓下膨脹而進入蒸發(fā)器，再開始新的工作循環(huán)。制冷工作流程與此相反。
2 水源熱泵的特點
2.1 水源熱泵屬于可再生能源利用技術(shù)[2~3]
水源熱泵是利用了地球表面或淺層水源作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的空調(diào)系統(tǒng)。地球表面水源和土壤是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能量， 比人類每年利用能量的500倍還多。水源熱泵技術(shù)利用儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，為人們提供供暖空調(diào)，當之無愧的成為可再生能源一種形式。而水源熱泵技術(shù)利用地下水以及地表水源的過程當中，不會引起區(qū)域性的地下以及地表水污染。實際上，水源水經(jīng)過熱泵機組后，只是交換了熱量，水質(zhì)幾乎沒有發(fā)生變化，經(jīng)回灌至地層或重新排人地表水體后，不會造成對于原有水源的污染。可以說水源熱泵是一種清潔能源方式。
2.2 水源熱泵屬于經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)[4]
地球表面或淺層水源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，一般為IO℃～25℃，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。這種溫度特性使得水源熱泵的制冷系數(shù)達到4.3～5.5、制熱系數(shù)可達3.6～4.1。與鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90％ 以上的電能或70％ ～90％ 的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，空氣源熱泵的制冷、制熱系數(shù)通常為2.2～3.0，水源熱泵方式的能量利用效率要比空氣源熱泵高出40％以上。另外，地球表面或淺層水源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。
2.3 水源熱泵的環(huán)境效益顯著
水源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40％ 以上，與電供暖相比，相當于減少70％ 以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25％ 的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。
3 水源熱泵的節(jié)能分析
水源熱泵使用時節(jié)能與否主要與冷卻水(供冷時)或熱源水(供熱時)進水溫度有關(guān)，以下就從這一方面分析水源熱泵的節(jié)能條件。為了能用一個普遍的公式來近似地表達機組性能與冷卻水(或熱源水) 進水溫度的關(guān)系，國外有關(guān)專家在總結(jié)了水源熱泵各生產(chǎn)廠家給出的產(chǎn)品性能參數(shù)表的基礎(chǔ)上，結(jié)合美國ARI320標準的有關(guān)規(guī)定得出以下關(guān)系式
Qc=(1.21-0.0072TL)QCARI
COPc=(1.64-0.0216TL)COPCARI
QH=(0.92+0.018TL)QCARI
COPH=(0.85+0.0072TL)COPHARI
式中: QC為供冷量,W；
QCARI為ARI320標準規(guī)定供冷量,W；COPc為供冷性能系數(shù)；
COPCARI為ARI320規(guī)定的供冷性能系數(shù)；
QH為供熱量,W；
COPH為供熱性能系數(shù)；
COPHARI為ARI320規(guī)定的供熱性能系數(shù)；
TL為冷卻水進水溫度,℃。
由上述關(guān)系式表達出的機組性能變化趨勢可以繪制出水源熱泵機組冷卻水進水水溫與機組相對性能之間的關(guān)系曲線[5]，見圖2、圖3。
圖2 水源熱泵供冷性能圖
圖2表明，當水源水進水溫度上升時，機組的供冷性能不斷下降，當水溫上升到35℃時機組性能便下降為ARI320標準性能的10％，這時為了維持機組的性能要開動水系統(tǒng)中的冷卻裝置，將熱量排人大氣。
圖3 水源熱泵供熱性能圖
圖3表明，當水源水進水溫度下降時，機組的供熱性能不斷下降，當水溫下降到15℃時機組性能便下降為ARI320標準性能的10％，這時為了維持機組的性能必須將加熱裝置投入使用，加熱冷卻高溫水，以補充熱量[6]。由此可見，雖說水源熱泵有很多優(yōu)點，但為了節(jié)能，使用它也有一些限制條件，這就是水源熱泵水源水的溫度必須維持在15～35℃。因為當水溫<15 ℃供熱運行或當水溫>35℃供冷運行都將使水源熱泵的初投資運行費用大大升高，很難達到節(jié)能的目的。
因此水源熱泵最優(yōu)的節(jié)能條件是水源溫度為15～35℃
4 水源熱泵的優(yōu)缺點
4.1 水源熱泵的優(yōu)點[7~9]
4.1.1 高效節(jié)能
水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。夏季水體為18～35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低,使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。
4.1.2 運行穩(wěn)定可靠
地下水溫度較恒定的特征，使得地下水源熱泵系統(tǒng)運行更穩(wěn)定可靠，整個系統(tǒng)的維護費用也較鍋爐一制冷機系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。
4.1.3 一機多用，應用范圍廣
水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。水源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
4.1.4 靈活應用
有的建筑物內(nèi)，特別在過渡季節(jié)，部分區(qū)域需要供冷，部分區(qū)域需要供熱，水源熱泵可以同時供冷和供熱，可以實現(xiàn)建筑內(nèi)冷熱量的轉(zhuǎn)移和平衡，從而系統(tǒng)少用能源。
4.1.5 便于計量和收費，系統(tǒng)管理方便
水源熱泵的動力由電提供，因此便于空調(diào)的計量與收費。這對于用戶合理使用空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的能耗，公平、公正、公開地攤派空．
調(diào)運行管理是很有利的。
4.1.6 節(jié)約投資
水源熱泵系統(tǒng)不需設(shè)冷凍機房。不設(shè)大的通風管道，不設(shè)大的鍋爐房和沒有冷凍水系統(tǒng)。安裝和投資費用大大減少。水源熱泵的空調(diào)系統(tǒng)，夏季管內(nèi)冷卻水供回水設(shè)計溫度30℃ ～35℃ ，冬季供熱水溫度僅為16℃ ～21℃ ，因此，水管路系統(tǒng)可以不保溫，管路系統(tǒng)的初投資與維護費用降低。
4.1.7 環(huán)境效益顯著
水源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時，消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計良好的水源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當于減少30％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上。
水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質(zhì)。
水源熱泵機組的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
4.2 水源熱泵的缺點
1) 制冷量較大(10kW 以上)的水源熱泵空調(diào)機組，由于機組內(nèi)壓縮機的功率大，因而噪聲較大，在設(shè)計安裝時要考慮一些降低噪聲的措施。
2) 利用新風比較麻煩，新風管道必須敷設(shè)到安裝[10]，水源熱泵空調(diào)機的房間，對于要求較高的房間，如空氣凈化、加濕等有要求的房間，附加措施就更為復雜。
3) 水源熱泵空調(diào)機多數(shù)為暗裝，必須同建筑和室內(nèi)裝潢相配合，機組質(zhì)量不好，會給維護帶來麻煩。
5 水源熱泵機組設(shè)計中的一些問題[11~20]
5.1 可利用的水源條件限制
水源熱泵理論上可以利用一切的水資源，其實在實際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成為水源熱泵應用的一個關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統(tǒng)一般成本較高。而開式系統(tǒng)，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對開式系統(tǒng)。水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。當深井水的含砂量超過國家有關(guān)規(guī)定和標準時，為防止系統(tǒng)的堵塞及磨損應采用除砂器進行除砂。當深井水含鹽量較高時，為降低深井水對機組的腐蝕，應在深井水系統(tǒng)與水源熱泵機組之間增設(shè)鈦板換熱器。對于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確?？梢栽诮?jīng)濟條件下打井找到合適的水源，同時還應當考慮當?shù)氐牡刭|(zhì)和土壤的條件[11~12]。保證用后尾水的回灌可以實現(xiàn)。
5.2 投資的經(jīng)濟性
由于受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響，水源的基本條件的不同；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說，水源熱泵的運行效率較高、費用較低。但與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷取暖方式相比，在不同地區(qū)不同需求的條件下，水源熱泵的投資經(jīng)濟性會有所不同。在中國，目前對水源。尤其是城市水源的的探測開采技術(shù)應當提高。水源熱泵的應用的前提之一就是必須了解當?shù)氐乃吹那闆r，在水源熱泵使用的前期，必須實地對水源的狀況進行調(diào)查，地下水量是否有水、水量是否會足夠，場地是否適合打井和回灌[13~14]。而探測開采的技術(shù)的提高和費用的降低，會推動水源熱泵機組的更好應用。
5.3 水源的使用政策
我國目前為了保護有限的水資源，制訂了《中華人民共和國水法》，各個城市也紛紛制訂了自己的《城市用水管理條理》[15]。這些政策均強調(diào)用水審批，用水收費。而審批的標準中對類似水源熱泵技術(shù)的要求沒有規(guī)定，所以水源熱泵很容易被用水指標所限制。即使通過了用水審批，由于有些地方將水源的抽取和排放兩次受費，受費的標準全國又不統(tǒng)一，所以結(jié)果可能導致水費偏高，使得水源熱泵的運行節(jié)能費用不足增加的水費，水源熱泵的經(jīng)濟性變差。所以水源熱泵的推廣需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合能源環(huán)保和資源各個方面的考慮，調(diào)整水源熱泵水源使用的政策，需重新確定水源如何管理和收費，才能促使其大規(guī)模的發(fā)展。
5.4 整體系統(tǒng)的設(shè)計
水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能作為一個系統(tǒng)，必須從各個方面考慮，如果水源熱泵機組可以做到利用較小的水流量提供更多的能量，但系統(tǒng)設(shè)計對水泵等耗能設(shè)備選型不當或控制不當，也會降低系統(tǒng)的節(jié)能效果。同樣，若機組提供了高的水溫，但設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)的末端未加以相應的考慮。也可能會使整個系統(tǒng)的效果變差，或者使得整個系統(tǒng)的初投資增加。所以。水源熱泵的推廣應用，需要更多的各個專業(yè)各個領(lǐng)域的人來共同努力共同配合，從政府政策、主機設(shè)計制造、系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理等各個方面都來共同參與[15~16]。
5.5 噪聲控制問題
由于機組的噪聲源除風機之外。還有制冷壓縮機的噪聲，所以噪聲一般很大。此外，不適當?shù)乃?、回風管路設(shè)計也會產(chǎn)生噪聲問題。分體式機組就是把機組分為內(nèi)機和外機兩部分。內(nèi)、外機有工質(zhì)管道連接；內(nèi)機由風機和蒸發(fā)器(夏季工況)組成。外機由壓縮機和冷凝器(夏季工況)組成。選用分體式機組時，內(nèi)機置于空調(diào)房間內(nèi)，外機置于空調(diào)房間外的走道、過道等位置的吊頂內(nèi)，這樣空調(diào)房間的噪聲可以大大下降。采用整體式時，應把機組吊裝在衛(wèi)生間或廚房內(nèi)。水源熱泵的噪聲問題是一個重要的問題。在設(shè)計和安裝過程中一定要加以認真考慮并按要求施工[17]。
5.6 機組的安裝問題
水源熱泵的安裝也是較重要的問題之一。很多水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生問題都是和不當安裝相關(guān)的。水源熱泵機組在許多情況下是采用吊裝的型式。與常規(guī)的空調(diào)機組相比，在相同的冷熱負荷條件下。整體式水源熱泵機組的外形尺寸大，尤其是機組的高度較高。安裝在吊頂內(nèi)的機組．必須考慮此因素。此外機組的重量較重，整體式機組的重心也不一樣，這就要求吊裝時，必須注意機組的重心，使各吊架受力較均勻，且必須采用彈簧吊架[18]。
6 結(jié)語
水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品，但并不是在任何條件下都可以應用。其制約條件是電源和水源。目前。我國電力供應較充足，容易解決。而水源則是其主要限制條件，沒有適合可靠的水源，就不能使用水源熱泵。例如有些工程規(guī)模大，制冷或制熱負荷大，所需水源水量很多，雖然工程場地有一定面積，也可以鉆井，但岡水資源量不足．難以完全滿足工程負荷需要 有些工程所在場地下面雖然有地下水，但是由于該工程地處繁華市區(qū)，場地面積狹小，無處布井取水，場地環(huán)境條件限制了水源熱泵系統(tǒng)的應用[19~20]。
水源熱泵主要的特點和優(yōu)點是冬季供熱，夏季供冷，與一般的水冷機組比較沒有太多的優(yōu)點，故水源熱泵用在北方有供暖要求的地方才是比較合適。
本著環(huán)保節(jié)能的原則，水源熱泵應是空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)先選擇方案，適合于大、中型集中空調(diào)之用。當水源溫度為15～35℃時，水源熱泵運行能達到最理想的節(jié)能狀態(tài)。水源熱泵機組在設(shè)計過程中所遇到的除砂、除鹽以及地下水回灌等問題需要妥善處理。
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