水源热泵机组.pdf

北方水源热泵机组-风冷热泵机组-比拟 随着经济的开展，以及空调技术的开展，水源热泵机组、风冷热泵机组日益广泛应用于我们的生活，下面以一个实例来简要介绍水源热泵机组、风冷热泵机组空调工程的优劣。一、工程概况 北京某办公楼位于城南，该办公楼为改造工程，地上五层，地下一层，总建筑面积约 8000 平米。需解决夏季空调制冷，冬季供暖问题，全年保持室温在18-25。二、制冷供暖方案 1、风冷热泵机组加辅助电加热方案 利用风冷热泵机组实现夏季制冷，冬季供暖考虑到风冷热泵机组在室外温度-8时启动困难，需增加辅助电加热。2、水源热泵机组方案 该方案要求在建筑物附近打三口井，井深 80-100 米，一口抽水，出水量为 100m3/h，两口井回灌，保持地下水资源稳定，利用井水作为冷热源，水源热泵机组夏季制冷，冬季供暖满足办公楼要求。三、风冷热泵机组与水源热泵机组的负荷计算 1.设计依据、范围及原那么 本方案包含某办公楼的空调制冷供暖系统，包括冷热源、设备选型及末端系统方案。能够独立实现夏季制冷，冬季供暖。保证大楼的正常使用。设计依据、范围及原那么 2.空调冷热负荷计算 考虑到该建筑主要为办公室，根据国家标准单位建筑面积制冷负荷选取 100w/m2,建筑总冷负荷约为 800KW。单位建筑面积供暖热负荷选取 60w/m2,建筑总热负荷约为 480KW。3.风冷热泵机组与水源热泵机组设备选型及技术参数 选择方案时应该考虑节省投资和保障该建筑正常制冷供暖要求。风冷热泵机组设计装机容量为 835.2KW，配置风冷热泵机组叁台。水源热泵机组设计装机容量为 930KW，配置水源热泵机组壹台。表一 机组选型 工程 风冷热泵机组 水源热泵机组 设备名称 风冷热泵机组 水源热泵机组 设备型号 KRPM-80R KRS-80WS 数量 3 台 1 台 单台制冷量 278.4KW 930KW 单台制热量 304KW 1116KW 总制冷量 835.2KW 930KW 总制热量 912KW 1116KW 总耗电量 262.2KW 178.8KW 单台外形尺寸 长 4320mm 3640mm 宽 2110mm 1300mm 高 2130mm 2200mm 表中机组的设计装机容量根本满足大楼的需求。4风冷热泵机组由于存在在室外温度-8时启动困难，需增加功率为 480KW 的辅助电加热设备，解决在严寒情况下供暖问题。5水源热泵机组对水资源要求严格，需要井水温度、流量稳定。必要时，应设置独立换热站，把井水与机组隔离。四、风冷热泵机组与水源热泵机组的特点 1、风冷热泵机组的特点 1 风冷冷热水机组采用模块化设计，完全不必设置备用机组，运行过程中电脑自动控制，调节机组的运行状态，使输出功率与工作环境的实际利用率相协调。2 模块化机组的可靠性高，该风冷热泵机组由数个模块组成，任何模块的临时检修停运都不会影响整机的正常运行，大大提高了整个空调系统的合理性和可靠性。3风冷模块机组可任意放置屋顶或地面，没有机房设施和冷却水塔系统，不占用有效使用面积。同时安装施工工作大为简便。4 由于风冷模块机组在运行过程中是全电脑自动控制，所以日常不需要专业技术人员管理维护。5 风冷热泵机组有缺乏之处，由于在室外温度-8时启动困难，需增加辅助电加热。2、水源热泵机组的特点 水源热泵机组以水为载体，冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗局部电能，将所取得的能量供应室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以到达夏季空调的目的。该水源热泵机组具有设计标准、选择优良、操作简便、平安可靠等优点。由于水源热泵机组技术利用地表水作为空调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点：1环保效益显著 水源热泵机组是利用了地表水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，防止了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，防止了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，使环境更优美。2 高效节能 水源热泵机组可利用的水体温度冬季为 12-22，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为 18-35，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式冷水机组和冷却塔式水冷式冷水机组，水源热泵机组效率提高。据美国环保署 EPA 估计，设计安装良好的水源热泵机组，平均来说可以节约用户 3040的供热制冷空调的运行费用。3运行稳定可靠 水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得水源热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵机组的冬季除霜等难点问题。4一机多用，应用范围广 水源热泵机组系统可供暖、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。5 自动运行 水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可到达 15 年以上。当然，水源热泵机组也不是十全十美的，其应用也会受到制约。a.可利用的水源条件限制 水源热泵机组理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的本钱差异是相当大的。所以在不同的地区是否有适宜的水源成为水源热泵机组 应用的一个关键。目前的水源热泵机组利用方式中，闭式系统一般本钱较高。而开式系统，能否寻找到适宜的水源就成为使用水源热泵机组的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。b.水层的地理结构的限制 对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到适宜的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。c.投资的经济性 由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的根本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵机组的投资经济性会有所不同。五、制冷供暖设备工程初投资 表二 初投资表万元 工程 风冷热泵机组 水源热泵机组 机组设备 100 100 辅助电加热设备 30/打井/40 施工费用 120 120 总计 250 260 单位造价 321.5 元/m2 325 元/m2 六、制冷供暖用电运行费用比拟 1、夏季制冷：制冷大约 120 天左右,每天运行 10 小时，机组运行系数为 0.7，每度电按 0.57 元计算：风冷热泵机组方案：0.57262.2101200.78000 m2=15.7 元/m2 水源热泵机组方案：0.57178.8101200.78000 m2=10.7 元/m2 2、冬季供暖 大约 120 天左右,每天运行 20 小时，机组运行系数为 0.7，每度电按 0.57 元计算：风冷热泵机组方案：风冷热泵机组费用：0.57 元120KW20 小时100 天0.7=95760 元 辅助电加热费用：0.57 元480KW20 小时20 天=109440 元 合计 205200 元；折合 25.7 元/m2 水源热泵机组方案：0.57120201200.78000=14.36 元/m2 表三 单位面积费用表元/m2 工程 风冷热泵机组 水源热泵机组 夏季 15.7 10.7 冬季 25.7 14.36 以上工程水源热泵机组，风冷热泵机组的简要比拟，紧供参考，由于涉及一些实际情况可能会有一定的区别，相关方案的费用，以及使用情况会有一些区别。此工程水源热泵机组，风冷热泵机组方案的简要比拟以北方地区气候条件为根底适情况而定。高性能水源热泵技术研究 摘要：针对近几年在国内迅速开展的水源热泵，本文对水源热泵的工作原理和性能系数变化情况进行了分析。同时对高性能水源热泵主机进行了研究，重点分析了制冷剂选择、压缩机形式、节流装置、控制系统、换热器等。关键词：水源热泵 性能 1 前言 我国除南方地区天气较暖，仅需夏季供冷外，其它大局部地区都为夏热冬冷，故需夏季供冷，冬季供热。其冷热源过去主要有以下几种形式：1风冷热泵(冷水机组)：一般用于长江流域地区，北方山东、河南、天津、北京、陕西地区也有应用报道。2(电或溴化锂)冷水机组+锅炉或城市热网：由于北方地区冬季寒冷，风冷热泵仅可用于过渡季节供暖，而锅炉的使用又受到城市地区有关容量的限制，溴化锂直燃机的燃料价格随着油价的上涨，过去使用较多的燃油型溴化锂机组的使用费用较高。故近几年来，在能够使用井水、江河水的地区，水源热泵有厂商称为水水热泵、地源热泵系统正日益受到青睐。目前在东北、北京、山东、河南、湖南等地已有许多工程采用了水源热泵系统。当前促使业主与设计单位采用这种空调系统的主要推动力是：城市环保要求不允许设置锅炉房与烟囱，无环境污染；可为工程同时解决空调冷、热源问题；初投资费用和运行费用省；冬季供热效率在 3.2 以上。这些推动力对水源热泵较快地进入实际工程，无疑起着重要的推动作用，为打破我国空调方式与空调系统过分单调的局面，起着较好的促进作用。水源热泵系统开展较快，市场前景良好，但也存在良莠不齐现象。故撰写本文，试图对水源热泵系统主机技术进行分析，以利于帮助厂商、客户和设计师正确设计、选型和应用。2水源热泵工作原理 作为自然界的现象，热量总是从高温区流向低温区。如同把水从低处提升到高处而采用水泵一样，采用热泵可以把热量从低温区转移到高温区。制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵制冷系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置组成。压缩机起着压缩和输送制冷剂从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵制冷系统的心脏；蒸发器是输出冷量的设备，它使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却介质的热量，到达制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，到达制热的目的；节流装置对制冷剂起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功电能起到补偿作用，使制冷剂不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。水源热泵是利用水进行冷热交换来作为热泵的冷热源，本文仅研究水-水式水源热泵。水源热泵冬季把外界水源中的热量“取出来，通过水源热泵制取热水供应室内采暖；夏季通过水源热泵制取冷水把室内热量取出来，释放到外界 3.性能系数 首先考虑理想的制冷循环，系统的性能系数完全取决于冷凝温度Tc 和蒸发温度 Te。供热循环的 COP 值比制冷循环小，冷凝温度为 48 时，供热性能系数约为冷凝温度38 时，制冷性能系数的 88%；冷凝温度为 58 时，供热性能系数约为冷凝温度38 时制冷性能系数的 73%。实际循环的吸气饱和温度要略低于蒸发温度，排气饱和温度要略高于冷凝温度，但仅零点几度，差异很小。压缩机的机械损耗、压缩余隙的损耗，吸排气阀损耗、端盖局部的温度损耗和电机效率，使得压缩机的综合效率一般仅为 50-68%。这样，水源热泵实际性能系数大为降低，但实际循环 COP 随蒸发温度、冷凝温度变化规律和理论循环是一致的。一些厂商宣传中夸大供热性能系数，如冷凝器热水出水温度 55时供热性能系数为 4.2-5.6，而夏季冷凝器冷却水出水温度在 30-37 时性能系数仅为 4.1-4.6。这种做法是有违热力学规律的，并会误导用户，最终影响水源热泵的健康开展。4.制冷剂 CFC 制冷剂，由于其大气寿命很长且含氯量高，已不再为水源热泵选择。水源热泵产品多使用 R22 或 R134a，由于 R22 的压力比 R134a 高，在热水温度很高的场合，常使用 R134a。水源热泵由于冷凝温度的升高，导致冷凝压力增高，但不同的制冷剂在不同温度下的压力变化是不同的，相同温度下 R134a 制冷剂饱和压力低于 R22 制冷剂饱和压力。使用 R22 制冷剂对于蒸发器和冷凝器等压力容器的设计要求将提高；使用 R22 制冷剂水温建议不要超过 56。5.压缩机 大型水源热泵机组，往往选用半封闭螺杆式压缩机或活塞式压缩机。活塞式压缩机性能可靠，易维护，性价比实惠。螺杆式压缩机零部件少，结构简单，容积效率高，其夏季制冷运行季节制冷性能系数比往复压缩机高 6-20%，冬季运行供热性能系数比往复压缩机提高 12-20%。对于比拟寒冷、热水温度在 56以上场合推荐使用螺杆压缩机。另外，一台机组中采用多台压缩机，可以降低启动电流，配以一定的控制程序，可在局部负荷时轮流使用，延长压缩机使用寿命，并且局部负荷时效率比单压缩机机组要高。即使一台压缩机出现故障，其余压缩机仍可继续工作。6.节流装置 由于制冷、制热工况不同，制冷剂循环量变化大，必要时，需两个或多个热力膨胀阀以适应工况要求。在液态管路阻力大的场合，要注意适当加大相应膨胀阀的孔量，以免出现供液缺乏的情况。水源热泵的生产厂家应注意电子膨胀阀的应用研究。就电子膨胀阀本身特性而言，它可以控制各回路的吸气压力及过热度，控制制冷剂循环量，比热力膨胀阀更为有效地适应负荷的变化，使机组局部负荷性能得到提高。现在已有采用进口 1500 分级步进电机驱动的电子膨胀阀，它可快速响应、精确控制制冷剂蒸发量维持冷水或热水温度稳定，尤其适合于水源热泵冷凝温度制冷、供热季节变化大的要求。7控制系统 分析水源热泵制造商的技术资料，控制系统水平参差不齐。虽然，微电脑技术已得到普遍使用，但多数厂商的控制系统仍停留在开停机、参数显示和具有简单保护功能水平。个别技术源自国外的合资企业产品控制系统较先进，能够根据制冷和供热运行情况，对机组冷热运行进行精确显示、控制和保护。采用先进的控制系统将使得水源热泵能够更加高效、可靠稳定运行。8.其它零部件的设计和选择 冷凝器和蒸发器主要以壳管式为主，设计压力应在水源热泵最高冷凝压力以上，按照壳管式压力容器标准进行设计。其传热管多采用内外侧强化传热管。满液式蒸发器一般比干式蒸发器效率高，易于维护，并可以在夏季外界水源温度低、而冬季外界水源温度高时，分别将二台机组冷凝器和蒸发器进行串联，以节约水量、提高效率。采用板式换热器的冷凝器和蒸发器已经出现，这可使机组设计得更为紧凑，但需注意解决维护简便性和换热器可靠性问题。采用满液式蒸发器时，油别离器作为水源热泵的重要部件，分设置在压缩机内和压缩机外两种形式。水源热泵夏季冷凝器冷却水温度常较低，假设油别离器分油效果不好，会导致压缩机缺油。设置在压缩机内因受空间限制，分油效果不如设置在外部为好，但较紧凑。外置式油别离器常和冷凝器组合在一起，分油效果佳。机组蒸发器和冷凝器应进行保温，以节约能源，提高机组效率。9.结论 作为在空调暖通领域应用热泵技术，应对水源热泵主机开展综合研究，正确选择机组的制冷剂、压缩机、节流装置和其它适宜的元器件，并设计开发先进可靠的控制系统、换热器和油别离器，以确保能够提供高效可靠的水源热泵主机，从而扩大低品位能的应用范围，为寻求暖通空调冷热源的最正确解决方案而努力。