水源热泵系统的设计与应用

水源热泵系统的设计与应用

以地下水为低位热源，通过热泵机组将低位热能转换成高位热能，为用户提供冷热源的水源热泵系统，配套智能、节能的控制系统，可使系统大大降低能耗。

标签：水源热泵；节能自控技术

1、水源热泵夏季制冷优势分析

夏季冷水机组、风冷热泵系统制冷，系统余热散向大气，水-空气通过换热器进行热交换的效果远远低于水-水换热，且冷水机组、风冷热泵的效率容易受室外干球、湿球温度影响；而水源热泵系统向地下水散热，效果明显，同时地下水温相对恒定，机组运行较平稳，机组能效比大大提高。

2、水源热泵系统设计

2.1机房设备系统设计

选用水源热泵系统作为冷热源，如果选用地下水作为低位热源，首先要调研当地的地下水源情况，包括地下水温、水位、出水量、地下水流走向、地质情况、冬季最冷季不同深度的地下水温，可以针对该项目打试验井，进行一系列的勘察，取得详实数据，作为热泵系统设计的依据；如果项目地污水较多，或者有江、河、海水作为低位热源，应详细勘察以获取真实的数据。

针对项目地的低位热源水温，确定热泵机组的蒸发、冷凝温度，测算出标准工况下的机组供热量；依据建筑负荷情况，确定所需要的热泵机组型号及台数，潜水泵的水流量、扬程、功率、台数等；依据地质情况确定供水井数量及回灌井数量，依据现场实际情况绘制设备分布、管线布置图。

2.2机房电控系统设计

热泵系统能否真正高效、节能运行，须设计智能节能的控制系统，实现以下功能：

水源熱泵与空调水泵、潜水泵的耦合控制

2.2.1夏季控制分析

空调水泵与水源热泵的耦合控制

对于效率稍高的满液式螺杆水源热泵，名义工况蒸发器侧供回水温度一般为12℃/7℃，蒸发温度为5℃，过热度2℃，但当建筑负荷发生变化时机组需要部分负荷运行时，冷冻水的流量亦需要发生变化，笔者曾对一满液式水源热泵机组

进行运营现场测试，测试过程中潜水泵变频器设置为50Hz频率运行，通过改变空调侧水泵的运行频率测试水源热泵主机的性能。冷冻水流量减小时，机组的制冷量降低（冷水流量的减少导致蒸发器传热系数的降低，使得制冷量降低），但降低的幅度有限（流量降低造成进出水温差的提高，对蒸发器内对数平均传热温差产生影响，导致制冷量提高），冷冻水由100%流量降低至60%流量时，制冷量降低了28.9%，机组输入功率降低；冷冻水由100%降至70%时，机组COP值先短暂下降，然后上升；冷冻水量继续降低，机组COP值降低，机组COP值在冷冻水降至70%时升至最高，因此当末端负荷减少时，如何智能控制冷冻水泵与水源热泵机组的耦合运行，且尽量使得水源热泵机组保持在高效段运行尤为关键。

（1）井水泵与水源热泵的耦合控制

对于水源热泵，冷凝器传热面积和传热系数为固定值。以恒温差变流量控制为例，设夏季水源侧名义工况进水温度Tb=18℃，冷凝温度Tk=34℃，过冷5℃条件下，定流量名义工况出水温度Ta=29℃，平均传热温差△t =9.46℃；由 Q（1+1/cop）=CpG（t2-t1）， Cp为水的定压比热容，COP为热泵机组的能效系数，因该系数趋于定值，因此负荷Q与潜水泵供水量近于比例变化。当水泵功率相对于主机功率小于10%时，多用此种方法进行控制。

当井水减少时，机组的制冷量和COP值随之降低，由于排气压力升高，压缩机的输入功率功率升高，当井水侧流量低于额定流量70%以后，机组的制冷量和COP值衰减加快，机组的能效比系数下降，由表中数据可以看出，当单位时间安内热泵机组功率增加值△N主机≤井水泵功率降低值△N井水泵，若热泵机组+井水泵的功率和仍在降低，说明系统可通过智能控制存在节能空间。

当冷冻水流量减少时，热泵机组的制冷量和耗功率将减小，但冷冻水流量对热泵机组的COP值影响较小。当井水流量降低时，机组的制冷量随之下降，同时COP值亦下降，且下降幅度大于因冷冻水流量的减少导致的热泵COP值的降低。

当水泵功率相对于主机功率大于10%时，可采用控制主机冷凝侧温度的方法提升热泵主机与潜水泵的节能空间。此时可选用井水回水温度t2作为控制目标量，将此温度与设定上限制（比如30℃）进行比较，在保证冷凝器内水流为紊流的前提下控制潜水泵的运行台数及运行频率。当设定井水回水温度30℃，平均传热温差△t =8.66℃。冷凝器的传热温差减少8.46%.导致COP下降。从传热特性可知，水侧吸热系数与流速的0.8次方成比例，流速的降低会造成冷凝器传热系数降低。

水源侧潜水泵变流量并不能使得冷机的运行工况或者是制冷系数COP得以优化，只是维持当前COP尽量逼近水源热泵的当前工况状态下的最佳COP值，消减系统冗余的水量和系统损失，尽可能多的获取主机和辅机系统的节能效益。

其次，若水中含有机物或盐分，则在流速小于lm/s时，就会造成管壁腐蚀，

因此，系统要求水系统须在一定的安全且经济的流量下运行。

（2）部分负荷时机组性能

在实际运行过程中，热泵机组在70%～100%负荷段运行时间约为30%～45%，25%～70%负荷段运转的时间约在55%～70%，研究部分负荷时段机组性能变化较为关键。

因此，相同的冷量输出采用最优的主机运行组合方式，获得最佳的系统综合部分负荷性能系数IPLV。合理的主机负荷分配策略可使主机运行IPLV提高，同时须依据不同的主机性能曲线和主机数量制定对应的主机负荷的分配方案。

2.2.2冬季控制分析

冬季水源侧名义工况进水温度Tb=15℃，蒸发温度Tk=5℃，过热2℃条件下，定流量名义工况出水温度Ta=7℃，冷凝侧进入机组水温40℃，供水水温45℃，Tk=50℃，过冷5℃，控制分析类同（1），井水供水温度不变时，蒸发器侧流量增加，则提升蒸发器的出水温度，提高了热泵的蒸发温度，增加制热量和热泵能效比。供热循环侧系统水回水温度不变，冷凝器侧流量升高，则降低冷凝器的出水温度，优化了热泵的冷凝温度，增加了热泵的制热量，提升了热泵能效。

结语：

本文针对已实施的项目进行分析统计，设计高效合理的水源热泵智能控制系统系统较常规控制系统可节约能耗20%至45%左右，因此研发高效可行的控制系统，也许是暖通空调系统今后发展的方向。

参考文献：

陈焰华.地下水地源热泵空调系统设计与运行工况分析[J].武汉市建筑设计院