水源热泵.docx

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水源热泵

泵供暖系统供水温度的确定及论证

2009/2/5/14:

38来源：

论文天下论文网作者：

林琳舒海文张晋阳

水源热泵供暖系统可以将水的低品位热能加以利用，是一种节能环保的能源利用方式，但水源热泵的经济性受其COP值的影响很大，在影响COP值的各种因素中，供水温度的高低是一个可以适当调整的、非常重要的因素。

摘要：

水源热泵供暖系统可以将水的低品位热能加以利用，是一种节能环保的能源利用方式，但水源热泵的经济性受其COP值的影响很大，在影响COP值的各种因素中，供水温度的高低是一个可以适当调整的、非常重要的因素。

为兼顾供暖效果和经济性，本文通过对某一采用全空气处理机进行采暖空调的商业建筑和采用低温地板辐射采暖的建筑的分析，认为45℃是寒冷地区较为经济、合理的采暖供水温度。

关键词：

水源热泵制热性能系数COP供暖供水温度

引言

因为水源热泵供暖系统能够将通常情况下不能被直接利用的低位热能从水源（如地下水，湖水，海水，城市污水或工业废水等等）中取出，提升后并加以利用，具有良好的节能环保特性，故近年来在国内的研究及应用愈来愈多。

本文拟针对利用水源热泵系统进行供暖时，其供水温度的选择问题进行分析讨论，以便使该系统的优越性得到最大限度的发挥。

供水温度对水源热泵机组运行的影响

在冬季供暖工况下，如果水源热泵低温热源侧的进出口水温不变，则水源热泵的供水温度越高，其制热性能系数（COP值）就越低，提供相同的热量所需的运行费用就会越高。

以某一厂家HP—4000型机组为例，通过对厂家测试数据的回归分析，我们可以得到如下的COP值关系式：

COP=38.136Δt-0.633

（1）

其中，Δt=热泵机组采暖用热水侧水的平均温度－热泵机组低温水源侧水的平均温度，即：

Δt=（th,ith,o）/2－（tc,itc,o）/2

th,i——热泵机组供暖用热水的回水温度，℃；

th,o——热泵机组供暖用热水的供水温度，℃；

tc,i——热泵机组低温热源侧的进水温度，℃，这里取10℃；

简介：

地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量"取"出来，供给室内采暖，此时地能为"热源"；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为"冷源"。

具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。

关键字：

地源热泵冷热源能量利用系数

1.热泵的定义及原理

在我国《暖通空调术语标准（GB50155-92）》中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”；在《新国际制冷词典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。

可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，只是运行工况不同。

其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。

在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。

热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（CoefficientofPerformance）。

2.地（水）源热泵机组的工作原理

是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。

3地源热泵同空气源热泵相比，有什么优点

地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：

（1）全年温度波动小。

冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。

（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。

（3）地源有较好的蓄能作用。

4.地源热泵系统的分类及其各自的优缺点

1）Groundwaterheatpumps,GWHPs地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。

通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

其最大优点是非常经济，占地面积小，但要注意必须符合下列条件：

水质良好；水量丰富；回灌可靠；符合标准。

2）（a）Horizontalground-coupledheatpump水平埋管地源热泵系统（b）Verticalboreholeground-coupledheatpump垂直埋管地源热泵系统。

（a）和（b）两种方式都归属于Ground-coupleheatpumpsGCHPs（地下耦合热泵系统），也称埋管式土壤源热泵系统。

还有另外一个术语叫Groundheatexchanger地下热交换器地源热泵系统。

这一闭式系统方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

对于垂直式埋管系统，其优点有：

较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高；对于水平式埋管系统，其优点有：

安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点有：

占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。

3）Surface-waterheatpumps,SWHPs地表水热泵系统。

通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。

归属于水源热泵方式。

其优点有：

在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，比地下埋管系统投资要小，水泵能耗较低，高可靠性，低维修要求、低运行费用，在温暖地区，湖水可做热源，其缺点有：

在浅水湖中，盘管容易被破坏，由于水温变化较大，会降低机组的效率。

4）Standingcolumnwellheatpumps,SCW单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。

这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。

热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。

换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。

这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。

该系统适用于岩石地质地区，该地区岩石钻孔费用高，而与岩石直接换热，大大提高换热效率，节省钻孔、埋管费用。

须得注意分析具体地质情况，做好隔热、封闭、过滤、实际换热量测算等具体工作。

5）锅炉/冷却塔与地下埋管相结合的混合型地源热泵系统：

适用于空间小，不能单独采用地下埋管换热系统的建筑或内外分区冬季有大量可利用的排热的建筑物，冷却塔和闭环式系统相结合制冷，节省成本；事实证明该系统是高效率、低费用的。

tc,o——热泵机组低温热源侧的出水温度，℃，这里取5℃；

由回归关系式

（1）可以得到在低温热源侧水的进、出口温度不变的情况下，不同的采暖供、回水温度时，水源热泵机组的COP值，见表1。

从表1中看到，当低温热源侧水的进、出口温度不变时，热泵机组的供水温度和供、回水温度的差值对机组的COP值都有影响，但供水温度的影响更大一些，这也说明热泵供水温度的选择更加重要。

表1.不同采暖供、回水温度下水源热泵机组的制热性能系数（COP值）

供、回水温度（℃）

COP值

COP的变化百分比

供、回水温度（℃）

COP值

COP的变化百分比

60/55

3.21

72.5%

60/50

3.31

78.4%

55/50

3.43

77.4%

55/45

3.55

84.3%

50/45

3.69

83.3%

50/40

3.85

91.4%

45/40

4.02

90.7%

45/35

4.21

100%

40/35

4.43

100%

合理的热泵供水温度的选择

通过上面的计算与分析可知，利用水源热泵机组进行冬季供暖时，供水温度越低，机组的COP值越大，经济性越好，但供水温度也不能过低，否则将导致末端散热设备过大或无法满足散热设备对供水温度的内在要求。

显然，合理的供水温度应该是既能满足用户的用热需求，同时又有最佳的经济性。

下面将结合两种典型的、经常与水源热泵系统相结合的采暖方式，分别加以讨论。

2.1采用全空气处理机进行采暖与空调的建筑

这里以大连市某一工程为例来讨论。

大连地区的建筑物，其夏季的冷负荷指标通常都大于冬季的热负荷指标，本工程也不例外，冷、热负荷指标分别为150w/m2和100w/m2。

由于单位面积的冷负荷大于热负荷，故在选择空气处理机的时候，应根据夏季的冷负荷来进行。

现以一台额定处理风量为10000m3/h的空气处理机为例进行计算：

该机组在标准制冷工况下的额定制冷量为70kw，我们按150w/m2的冷负荷指标选定一个该空气处理机刚好能够承担的基本空调单元，其面积为M，则M=70×103/150=467（m2）；而该空调单元上的热负荷为Qh=100×467=46.7（kw），当该空气处理机的处理风量为10000m3/h，空气进口温度为20℃时，其在不同的供、回水温度下的制热量见下表2：

表2.空气处理机在不同供、回水温度下的制热量

供、回水温度（℃）

制热量（kw）

制热量的变化百分比

供、回水温度（℃）

制热量（kw）

制热量的变化百分比

60/55

113.53

192%

60/50

104.79

161%

55/50

99.97

169%

55/45

91.39

141%

50/45

86.52

146%

50/40

70.13

108%

45/40

72.88

123%

45/35

65.0

100%

40/35

59.21

100%

根据表2，即使供水温度为40℃，空气处理机的制热量也满足了室内热负荷（46.7kw）的需要，但是，对于全空气系统来讲，冬季室外新风的热负荷也应该由空气处理机来承担，对于一般的舒适性空调系统，新风量经常占总送风量的10~20%，这里应按不利的情况来考虑，即新风百分比为20%，此时由新风所带来的热负荷（大连地区冬季空调室外空气计算温度为－14℃，相对湿度58%，室内空气温度取为20℃，相对湿度60%）为：

Qo=cp·ρ·V·Δt=1.01×1.2×10000×20%×（2014）/3600=22.9（kw）

故空气处理机实际应承担的热负荷为QhQo=46.722.9=69.6（kw）。

从表2中可知，空气处理机的供水温度至少应为45℃，另外，通过对水源热泵经济性的模拟分析[1]，我们也得出了供水温度越低，经济性越好的结论，但45℃是否就是经济合理的选择呢？

我们认为还应校核空气处理机的出风（或送风）温度，即为避免可能出现的冷吹风感，送风温度最好还要高于人体的平均皮肤温度。

根据RohleshNevins的关于人体平均皮肤温度tsk的实验回归公式[2]：

tsk=35.7-0.0275（M－W）

（2）

式中：

M—成年男子的代谢率，W/m2；

W—人体所做的机械功，W/m2。