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淺談節(jié)能型水源熱泵機組

發(fā)布時間: 來源:普派克官網

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日益增長的能源消耗和環(huán)境污染是困擾人類社會的兩大難題,引起了各地的重視。根據能源熱泵組織(IEAHeatPumpCentre)和歐洲熱泵協會(EHPA)統(tǒng)計的資料表明,目前歐洲有450萬臺熱泵用于住宅,150萬臺熱泵用于第三產業(yè),2.5-3萬臺熱泵用于工業(yè)。


EHPA的目標是到2010年在歐洲至少有1500萬臺熱泵用于住宅,這相當于每年節(jié)省一百TWh的能源和減少4000萬噸的CO2的排放。

各地城市中心區(qū)域正在逐步禁止使用燃煤鍋爐,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能熱泵和水源(地源)熱泵,由于空氣能熱泵受環(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(tǒng)使這一問題得到了解決。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(xù)化發(fā)展的要求等諸多優(yōu)勢受到社會各界的廣泛歡迎。


水源熱泵的現狀

水源熱泵應用的問題在于要結合實際情況,提供一個穩(wěn)定的水源,同時要解決地下水的回灌問題以及冬季如何利用水中所蘊藏的能量。目前此類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,而取水是動力做功,要維持水系統(tǒng)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,而且在部分負荷時回灌井利用率低。

因此能否解決既要減少投資,又能節(jié)約運行費用,同時保證百分百回灌問題,將直接關系到水源熱泵的應用與發(fā)展。因此研究開發(fā)一種節(jié)水的水源熱泵機組有助于水源熱泵的應用與推廣,并且會具有很好的市場前景。



節(jié)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的諸多技術問題,我們在機組的結構上進行了研究與探索。其結構是機組采用兩個小型蒸發(fā)器,每個蒸發(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(tǒng)。兩個蒸發(fā)器的進出水管之間通過閥門控制來實現兩個蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯或并聯。

夏季制冷工況運行時兩個蒸發(fā)器水管之間的閥門打開,空調末端系統(tǒng)的回水分兩路同時進入兩個蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器的出口合流后進入空調末端,也就是說冷水并聯流過兩個蒸發(fā)器。系統(tǒng)的冷量是通過兩個蒸發(fā)器實現的,每個蒸發(fā)器的進出口水溫都是12/7℃(進出水溫差Δt=5℃);冬季熱泵工況運行時,兩個蒸發(fā)器水管之間的閥門關閉,作為熱源的地下水依次流過兩個蒸發(fā)器,也就是說兩個蒸發(fā)器的水串聯,作為熱源的地下水通過兩個蒸發(fā)器來實現Δt=10℃的溫降。

與水并聯流過蒸發(fā)器相比,串聯時水流過蒸發(fā)器的流通面積減小,彌補了水流量減小對流速的影響,這樣流經每個蒸發(fā)器的水流量、流速與夏季工況運行時一致,對傳熱性能的影響較小,既達到了節(jié)約地下水的目的,又不影響換熱性能。


工程應用實例

以下是某單位辦公樓應用本新型節(jié)能水源熱泵機組作為冷熱源的設計實例:辦公樓建筑面積:4600m2,室內末端采用嵌入式風盤,經計算需要的冷負荷Q0=460kW,需要的熱負荷Qh=506kW。水源條件:單井水量50~60m3/h,水溫:夏季16℃,冬季15℃。選用四臺40HP半封活塞壓縮機,每兩臺壓縮機與一臺蒸發(fā)器、一臺冷凝器組成兩個獨立的系統(tǒng)。

設計工況:制冷工況:蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)并聯,氟系統(tǒng)獨立,其進出水溫度12/7℃,蒸發(fā)溫度2℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯,氟系統(tǒng)獨立,其進出水溫度16/26℃,冷凝溫度31℃。制熱工況:蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)串聯,氟系統(tǒng)獨立,蒸發(fā)器1進出水溫度15/9.5℃,蒸發(fā)溫度5.5℃;蒸發(fā)器2進出水溫度9.5/5℃,蒸發(fā)溫度1℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯,氟系統(tǒng)獨立,其進出水溫度40/45℃,冷凝溫度50℃。

計算結果如下:①制冷工況:系統(tǒng)總制冷量:Q0=466kW,系統(tǒng)總功率:Pi=89.5kW,系統(tǒng)制冷系數:Cop=5.2,井水(水系統(tǒng)并聯)取水量:47.2m3;②熱泵工況:系統(tǒng)總制熱量:Qk=511kW,系統(tǒng)總功率:Pi=121.7kW,系統(tǒng)制熱系數:Cop=4.2,井水(水系統(tǒng)串聯)取水量:34m3。經過一個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現機組安全可靠運行,制冷及制熱效果可以滿足用戶的要求。減少了初投資和運行費用,收到了很好的經濟效益。


結論

采用此結構使蒸發(fā)器的進出水無論是在制冷時的5℃溫差,還是在制熱時的10℃溫差,蒸發(fā)器的換熱性能基本一致,也就是說蒸發(fā)器的換熱面積在冬、夏兩種工況下得到了充分利用。同時熱泵工況運行時,水量減少20%,系統(tǒng)的制熱量提升了10%左右,Cop提升了7%左右。


綜上所述,通過改進熱泵機組的結構,改變蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯與并聯,既實現了節(jié)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,同時提高了系統(tǒng)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,具有顯著的經濟效益和社會效益,對水源熱泵在各地的應用與發(fā)展將起到推動作用。


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