水源热泵系统的优化设计与应用

！　Ｑ：业　ＳＣｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　中高温水源热泵设计浅谈　技术创新　王红燕　（浙江汇隆空调设备股份有限公司　浙江绍兴　３１２３００）　摘要：本文阐述了一种中高温水源热泵机组。介绍了中高温水源热泵的工质和系统，通过在不同冷却水温及冷冻水温运行的变化规律，　结果表明可以制取７０℃以上的热水并可稳定运行，为节能空调系统优化设计提供参考。　关键词：中高温水源热泵　工质　系统　节能　中图分类号：ＴＵ８３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２０１　２）０６（ａ）一００１８—０２　１引言　水源热泵机组是一种利用地下水、土　壤或地表水等地下浅层地能资源的冷热兼　用型的高效节能空调系统。机组利用地下　水和土壤温度相对稳定的特点，通过地下　水或深埋土壤的管路系统进行热量交换，　实现低位热能向高位热能的转移。冬季时　将从水源中吸取的低品位热量转移至室　内，实现对房间供暧。夏季时则从室内取出　热量，释放到水源，实现对房间的供冷。普　通水源热泵机组制热时冷冻水进水温度１　５　℃，热水出水温度一般不超过５５℃，这对于　原来使用燃油、燃煤、燃气等锅炉设备高温　用水的工程改造以及一些特殊的行业（特　别是工业上的如食品和木材的干燥、化工　等行业）需要高温热水作为生产资源的工　程项目。５　５℃的供水温度已经不能或不完　全能满足系统的使用要求，从而限制了普　通水源热泵这一经济节能的技术的推广应　用。而中高温水源热泵技术正是在这一背　景下应运而生，它利用各类工业和生活废　水中的余热来制取６０～８Ｏ℃高温热水，大　大的拓展了水源热泵技术的应用范围。中　高温水源热泵应用于工业的前景是非常乐　观的。　２中高温水源热泵技术　高温水源热泵的工作原理与普通水源　热泵相似，所不同的是能稳定输出更高温　度的热水。当低品位回水温度１　５～６０℃时，　机组可提供６０～８５℃的热水，系统主要由　压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、控制系统　以及环保高温工质构成。这样，热泵机组可　以源源不断地吸收低品位水源的能量，以　高温热水向外输出。　２．１中高温水源热泵工质　传统的制冷剂如Ｒ２２和Ｒ　１　３４ａ等不能满　足高温的需求。为保证中高温热泵设备茌　稳定的可允许的工作压力下运用，因热水　出水温度高相应的冷凝压力较高，选用合　理的制冷剂对于系统是非常重要。相对于　普通水源热泵，中高温水源热泵很难找到　一种很适用的工质。对于中高温工质的选　择有两种趋势，一种是使用自然工质（ＣＯ，、　ＮＨ　等），另一种是使用ＨＣＦＣｓ、ＨＦＣ及各成　份组成的混合物。自然工质一般工作压力　较高，或循环超过临界区，部分还具有可燃　性及爆炸性危险，系统一般都有相应的特　殊措施去克服，所以我们倾向选用混合工　质。根据预期的环保型中高温水源热泵的　特点，确定了筛选原则，即综合环保性能　好、以ＨＦＣｓ为主、合适的沸点、较好的热工　性能、与Ｒ２２机组的材料和冷冻油相容、尽　量选用滑移温度小的混合物，以有利于减　小成分迁移引起的可燃性和系统性能的变　化，已在国内商业化生产。从而主要考虑了　以下因素：环保方面：臭氧破坏潜能（０ＤＰ）、　全球变暖潜能（ＧＷＰ）；安全方面：毒性、可　燃性；材料方面：与冷冻油的互溶性、与金　属和塑胶材料的兼容性、单位容积制热量；　热工参数：蒸发压力、冷凝压力、排气温度、　滑移温度；循环性能：能效比、压比、单位质　表１　机组性能随冷冻／冷却水进出口温差的变化　项目／序号　设计工况　实测工况　ｌ　２　３　４　冷冻水流量（ｍ　／ｈ）　６２　５８　５８．７　５７．７　５８　冷冻水出水温度（℃）　２８　２４．６　２７．９　２６．９　２７．８　冷冻水进水温度（℃）　３３　２９．３　３２．８　３０．６　３０．３　冷却水流量（ｍ　／ｈ）　４５　１４．９　ｌ５．４　’’’　ｌ７．２　冷却水进水温度（℃）　６８　２３．９　２７．３　４７．６　５８　冷却水出口温度（℃）　７８　４５．６　５０．３　６０　７０　压缩机输入功率（ｋｗ）　１６４　５９　７９．１　７５．７　６９．５　制热量（ｋｗ）　５２５　３７８　４ｌ２．３　３２０　２４０　制热系数（ＣＯＰ）　３．２　６．４１　５．２１　４．２２　３．４５　１　８　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｅｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　量制热量。最终选择天津大学开发的由三　个组元组成混合工质ＺＨＲ０１。　对于常温水源热泵Ｒ２２工况，其冷凝温　度为５５℃时对应的冷凝压力为２．１７５ＭＰａ，　而高温水源热泵ＺＨＲ０１的工况，其冷凝温　度为８５℃时，其冷凝压力仅为２．Ｏ９ＭＰａ。说　明从热力学性质来看，ＺＨＲ０１如果采用原　Ｒ２２的压缩机，ＺＨＲ０１排气压力比Ｒ２２的还　低，有利于系统的工作和延长寿命。　２．２中高温水源热泵系统　中高温水源热泵系统的研究工作主要　在系统循环的优化，换热器内换热的强化　及系统控制方面。首先压缩机的整个系统　的心脏部件，压缩机的可靠性直接影响机　组的性能。压缩机的选择：目前热泵设备常　用压缩机类型主要有螺杆压缩机、全封闭　涡旋压缩机与半封闭活塞压缩机等，经过　对不同类型压缩机工作特性及适用场所进　行比较研究，目前中高温水源热泵一般选　用螺杆压缩机。因中高温水源热泵冷冻水　从１　５～６０℃的低品位热水中回收热量，制　取６０～８５℃的热水，压缩机处于压缩比变　化工况下运行，需尽可能选取内容积比与　实际工况相匹配的回转式压缩机，压缩机　配置电机功率考虑最恶劣工况时的耗电　量　不仅有效降低机组输入功率，且提高机　组能效比及安全性。　蒸发器和冷凝器的换热机理、与系统　的匹配及控制采集点对机组都尤其重要。　设计中考虑合适的换热面积使蒸发温度和　冷凝温度与冷冻水和冷却水温相匹配，中　高温水源热泵系统使用ＺＨＲ０１非共沸混合　工质，非共沸混合工质显示出一种独特的　性质，即压力一定时其饱和温度是干度的　函数。也就是说，相变过程并非等温过程。　非共沸工质相变时的温度变化称为滑动温　度效应。　这个温度滑移的特性，利用其性能可　对换热能够改善热交换器在效率以及热力　循环效率。　中高温水源热泵的节流阀包括热力膨　（下转２０页）

浅析水源热泵系统

从20世纪90年代以来，随着可持续发展和公众节能环保意识的提高，世界各国和我国的能源利用都在发生着巨大的转变，从煤和石油逐渐扩大到太阳能、天然气、风能和电等清洁能源，替代能源虽然可以部分解决大气污染问题，但是天然气和石油等属于不可再生的能源，我们从可持续发展的角度出发，必须提高能源利用效率或者寻找可再生的能源，水源热泵机组就是其中的一种设备。

水源热泵是以水为热源的可进行制冷、制热循环的一种热泵型整体式水―空气空调装置，它不同于常用的风冷热泵机组，在夏季将室内空气中的热量排至水中，因水源温度低而高效带走热量，冬季则从地表水源中提取热量，由热泵通过空气或谁作为载冷剂提升温度后送至建筑物中，通常水源热泵消耗1kW的能量能使用户得到4kW以上的冷热量。

水源热泵系统根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过与土壤或海水换热来实现能量转移。（其中埋于土壤中的系统又称为土壤源热泵，埋于海水的系统又称为海水源热泵）。开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统。

与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90％～98％的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。因此，近十几年来，尤其是近五年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

水源热泵系统的应用设计

【摘要】本文以实例分析的方法对水源热泵系统的设计和经济性进行分析，以供参考和借鉴。

【关键词】水源热泵；设计；经济性

一、前言

水源热泵技术是当前世界上较为先进的供热技术，它以其特点在城市中得到了广泛应用。本文将围绕水源热泵系统的设计和经济评价进行分析。

二、某地区水源热泵应用设计实例

1、水源热泵系统的特点

本次案例以重点探索适宜该地区可再生能源，提高该地区能源结构中的可再生能源比例为目的，以水源热泵系统为主要实现手段。

（1）水源热泵是以消耗一定的电能为代价来回收低品位热量，是一种利用地下浅层地热资源(也成地能，包括地下水、土壤或地表水等)的即可供热又可制冷的高效节能空调装置。

（2）水源热泵的特点

①节水省地:以土壤为载体，向其放出热或吸收热量，不消耗水资源，省去锅炉房及储油房等配套设施，机房面积小。

②灵活安全:可同时实现供热、制冷不同功能要求，可设计成满足提供卫生热水的功能要求、机组可灵活安置在任何地方，无锅炉、储油罐等卫生及安全隐患。

③维护简单:操作简单，易于管理，故障率少。维护工作方便简单，维护费用低。

④运行费用低:与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%一98%的电能或70%一90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量;由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10-25℃，其制冷、制热系数可达3.5一4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%一60%。

2、水源热泵的原理:

1 中水水源热泵的应用及分析

摘要：介绍水源热泵技术的概念和原理，结合本单位应用实例，分析中水水源热泵技术的主要特点及其效益，阐述该技术在污水处理行业推广应用的前景。

主题词：中水水源热泵应用分析 经济环境社会效益

随着我国经济的迅猛发展和城市建设步伐的加快，节能降耗、循环经济、科学发展的理念逐渐引起污水行业的重视，中水的再生利用除了解决水资源紧缺的问题，还可以作为一个新型能源进行利用。

污水处理厂的主要职能是处理生活污水和工业废水，经处理后的水叫中水。目前中水根据水质标准不同，可用于工业、农业、园林绿化、景观、或排入水体。中水可作为一种资源进行再利用。

本文介绍的就是太原市排水管理处污水净化一厂利用中水稳定的水源、恒定的水温特点，采用水源热泵技术，通过热能转换解决厂区内工作和生产区域冬季采暖、夏季制冷问题的实例，在整个过程中，不消耗水量，只换取中水中的热能。通过四年多的实际应用，与其它采暖制冷方式比较，从社会效益、环境效益、经济效益方面进行分析，认为具有推广应用的价值。

一、水源热泵技术的背景、概念和工作原理 2 近十几年来，随着可持续发展和公众环保意识的提高，对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨，全球能源利用的结构都在转变，从选用原有的煤炭等能源取暖过渡到以石油、天然气及电等清洁替代能源。而替代能源虽然可以部分解决环境污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生能源，部分电能也要靠消耗不可再生能源获得。从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵就是比较理想的一种技术。

因此，近二十多年来，尤其是近十年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪有效的供热和供冷空调技术。

水源热泵技术最早是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。