低温地表水源热泵系统可行性试验分析

朱孔阳

(广东省输变电工程公司，广州 510160)

低温地表水源热泵系统可行性试验分析

朱孔阳

(广东省输变电工程公司，广州 510160)

为了实现节能减排，减少供暖期内煤、天然气等一次能源消耗，对低温地表水源热泵系统供暖的可行性进行研究。受冬季地表水源温度的限制，采用闭式水源热泵系统。对该系统分别采用单级、双级耦合运行，计算并分析系统制热效能比(EER)，得出冬季水温极端情况下热泵提供45.0 ℃水时，系统制热效能比均大于2.6，证明了冬季利用低温水源供热的可行性。同时对单级热泵系统和双级耦合热泵系统制热效能比作对比，确定了低温水源热泵系统分别提供45.0 ℃和50.0 ℃热水的单、双级切换条件的水温为5.0 ℃和8.0 ℃。

水源热泵；单、双级切换；制热效能比；闭式系统

0 引言

近年来，全球能源消耗平均以每年3%的速度递增[1]。地表水源热泵具有高效节能、系统运行稳定可靠、环境效益显著等特点。我国北方地区冬季气温很低，很多地区地表水源的温度低于0 ℃，而在水层底部一般高于表层水3～5 ℃，充分利用底层地表水来供热，具有很高的应用价值。如果能够在北方地区发展热泵系统，就可以减少一次能源的使用，减少经济对煤炭资源的依赖[2]，同时减少温室气体和氮氧化物的排放量，减轻对环境的污染，实现人类与环境的和谐发展。

1 单、双级耦合热泵系统联合运行

双级耦合热泵系统是指两台热泵机组接力运行，低温热泵机组从户外低温水源中提取热量，将热量运输至高温热泵机组低温侧，高温热泵机组制取高温水。双级耦合热泵系统具有以下优点：适用性强；组装灵活方便，操作简单；能克服水源温度低这一不利因素持续供暖。

温度较高时，双级耦合热泵系统制热效能比(EER)低于单级热泵系统；反之，温度较低时，单级热泵系统效能较低。因此，供暖期内，控制水源温度，适时合理地切换单、双级热泵系统，将更具经济性。

2 热泵系统的选取

热泵系统的选取主要取决于水源水质以及水温情况。地表水的水质指标包括水的浊度、硬度以及藻类和微生物含量等。开式系统直接利用水源热泵系统，具有更高的能源利用效率，可充分提取水中的热能。对于水质的具体要求，在目前还没有机组产品标准的情况下，可以参照以下要求：pH值，6.5～8.5；CaO的质量浓度<200mg/L；Cl-的质量浓度<100mg/L；SO42-的质量浓度<200mg/L；Fe3+的质量浓度<1mg/L；H2S的质量浓度< 0.5mg/L[3]。

闭式系统与外界间接连接，通过换热盘管与地表水源进行换热。由于间接连接存在传热温差，导致换热盘管中的介质与外界水源温度相差2～7 ℃，因而会降低热泵及组的制热性能，即机组的EER有所下降。由于冬季供暖期内地表水水温会低于5 ℃，因而采用闭式地表水源热泵系统，并且环路内必须采用防冻液。

开式系统和闭式系统水源热泵原理如图1所示。江水换热器的材料采用高密度聚乙烯塑料管[4]。江水换热器多做成平铺的环状盘管，通过重物将其沉入江底，盘管里流动的载冷剂与管外流动的江水进行换热。在施工安装固定闭式换热器时，要注意水的流速问题[5]。

图1 水源热泵开式系统和闭式系统原理

3 试验系统

该试验系统主要由2台水/水热泵机组、1台低温冷水机组、3个水箱、模拟室及末端设备和数据检测采集系统5部分组成，试验系统如图2所示，试验照片如图3所示。

图2 试验系统

图3 试验系统照片

本试验系统的测量仪表及数据采集系统由34980A测量单元、34924A终端数据集成模块和34924T接线盒3个部分组成，采集系统由美国安捷伦公司生产。温度、压力、流量分别由4线制铠装铂电阻、涡轮流量变送器、精度为0.5级的压力变送器测得。测量的数据通过数据线远传至数据采集系统，并实时存入电脑。

水/水热泵机组采用全封涡旋压缩机，机组参数为：热泵机组制热功率，21.8kW；耗电功率，4.9kW；地表水源侧阻力，30kPa；制热水侧阻力，30kPa；电源电压，380V；制冷剂采用R22。低温冷源系统是由制冷机组、水箱、一级热泵机组及其相应的附件构成。

水箱分为低温水箱、热水箱、中间环路蓄水箱。低温水箱作为热泵的低温热源，其下部设有用于降温的换热盘管，内部设有电加热器，与水/水热泵机组连接口处设有可调电加热器，因而本试验台可以非常精确地控制热泵机组的进水温度。低温水箱与热泵机组循环管路中传热介质为水，为了防止温度过低而导致结冰，采用大流量小温差方式循环。热水箱用来贮存热泵产生的高温水，为末端装置提供热量。中间环路蓄水箱在双级耦合热泵系统中起到稳定水温的作用。

4 单级热泵机组和双级耦合热泵机组的运行

4.1 单级热泵运行

单级热泵运行如图4所示，蒸发器侧循环水进口水温分别控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，向末端设备提供45.0 ℃和50.0 ℃的热水，运行工况参数见表1和表2。

图4 单级热泵运行示意

根据热泵机组的制热功率和热泵、水泵的能耗可以计算出单级热泵机组系统供热效能比K1：

(1)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000 ，

(2)

式中：P为热泵吸收低温水的功率，kW；P1为机组输入功率，kW；PX为循环水泵总功率，kW；c为水的比热容，4.2×103J/(kg·K)；t1为蒸发器侧进水温度，℃；t2为蒸发器侧回水温度，℃；qV为一级蒸发器侧循环水流量, m3/h；ρ为水的密度,1.0×103kg/m3。

表1 45.0 ℃热水时单级热泵机组运行工况参数

表2 50.0 ℃热水时单级热泵机组运行工况参数

4.2 双级耦合热泵运行

根据热泵机组的制热量和热泵、水泵的能耗可以计算出双级耦合热泵系统系统供热效能比K2。

(3)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000，

(4)

式中：P为热泵吸收低温水的功率，kW；P1′为一级热泵输入功率，kW ；P2为二级热泵输入功率，kW；PX为循环水泵总功率，kW；c为水的比热容，4.2×103J/(kg·K)；t1为蒸发器侧进水温度，℃；t2为蒸发器侧回水温度，℃；qV为一级蒸发器侧循环水流量, m3/h；ρ为水的密度,1.0×103kg/m3。

2台热泵机组双级耦合运行系统如图5所示。一级热泵机组蒸发器侧循环水进口水温分别控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，中间环路保持在10.0～20.0 ℃，向末端设备提供45.0 ℃和50.0 ℃的热水，运行工况参数见表3和表4。

图5 双级热泵运行示意

项目参数一级热泵蒸发器侧进水温度t1/℃8．07．06．05．04．0一级热泵蒸发器侧回水温度t2/℃4．53．62．71．80．9一级热泵输入功率P1′/kW3．003．003．002．902．90二级热泵输入功率P2/kW4．204．204．204．204．10一级蒸发器侧循环水流量qV/(m3·h-1)4．384．374．364．364．38循环水泵总功率PX/kW2．802．802．802．802．80系统供热效能比2．792．732．682．652．62

表4 50.0 ℃热水时双级耦合热泵机组运行工况参数

对试验数据进行整理，得出结果如图6和图7所示。结合表1和表2，可以得出以下结论。

(1)在冬季极端水温条件下，江水深水层水温4.0 ℃时，热泵机组提供45.0 ℃热水时，系统供热效能比最低值接近2.6。由此可见，冬季采用松花江江水作为水源热泵的地位热源具有很好的前景。

(2)热泵系统提供45.0 ℃热水的单双级切换温度是5.0 ℃，提供50.0 ℃热水的单双级切换温度是8.0 ℃。当水源温度低于5.0 ℃时，双级耦合热泵供热效能比EER要高于单级运行，当水温高于5.0 ℃时，采用单级热泵运行比双级耦合更经济。当水源温度低于8.0 ℃时，双级耦合热泵供热效能比EER要高于单级运行，当水温高于8.0 ℃时，采用单级热泵运行则具有更高的效率。因此，在冬季12月、1月、2月寒冷月份，采用双级耦合方式运行,采暖期的其他月份则采用单级运行。

图6 45.0 ℃水时单、双级耦合热泵系统性能对比

图7 50.0 ℃水时单、双级耦合热泵系统性能对比

5 结束语

通过上述试验，充分证明了低温水源热泵应用的可行性。同时提出了供暖季节单级热泵系统和双级耦合热泵系统联合运行的方案，得出单、双级热泵机组的切换条件。为了扩展系统的适用性和提高系统运行的可靠性，在今后拟研究单级热泵加辅助热源的系统运行经济性与双级耦合热泵系统运行经济性的评价问题。

[1]王子云. 长江水源热泵换热器研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[2]王洋，江辉民，喻银平，等．空气/水和水/空气双级耦合热泵系统在“三北”地区应用中存在的问题及其改进措施[J]．建筑热能通风空调，2003, 22(5): 29-31.

[3]姚杨．暖通空调热泵技术[M]．北京：中国建筑工业出版社, 2008.

[4]曲云霞，方肇洪，张林华，等．地表水源热泵系统的设计[J]. 可再生能源, 2003, 21(3): 30-32.

[5]王勇，顾铭，肖益民，等．长江水源热泵开式与闭式实验对比分析[J]．土木建筑与环境工程，2009，31(2)：126-130.

(本文责编：刘炳锋)

2016-11-24；

2017-01-05

TV

A

1674-1951(2017)02-0062-03

朱孔阳( 1984—) ，男，山东临沂人，工程师，工学硕士，从事土建设计方面的工作(E-mail:421623984@qq.com)。