低温地表水源热泵系统可行性试验分析

2017-04-01朱孔阳

综合智慧能源 2017年2期

关键词：蒸发器源热泵热泵

朱孔阳

(广东省输变电工程公司，广州 510160)

低温地表水源热泵系统可行性试验分析

朱孔阳

(广东省输变电工程公司，广州 510160)

为了实现节能减排，减少供暖期内煤、天然气等一次能源消耗，对低温地表水源热泵系统供暖的可行性进行研究。受冬季地表水源温度的限制，采用闭式水源热泵系统。对该系统分别采用单级、双级耦合运行，计算并分析系统制热效能比(EER)，得出冬季水温极端情况下热泵提供45.0 ℃水时，系统制热效能比均大于2.6，证明了冬季利用低温水源供热的可行性。同时对单级热泵系统和双级耦合热泵系统制热效能比作对比，确定了低温水源热泵系统分别提供45.0 ℃和50.0 ℃热水的单、双级切换条件的水温为5.0 ℃和8.0 ℃。

水源热泵；单、双级切换；制热效能比；闭式系统

0 引言

近年来，全球能源消耗平均以每年3%的速度递增[1]。地表水源热泵具有高效节能、系统运行稳定可靠、环境效益显著等特点。我国北方地区冬季气温很低，很多地区地表水源的温度低于0 ℃，而在水层底部一般高于表层水3～5 ℃，充分利用底层地表水来供热，具有很高的应用价值。如果能够在北方地区发展热泵系统，就可以减少一次能源的使用，减少经济对煤炭资源的依赖[2]，同时减少温室气体和氮氧化物的排放量，减轻对环境的污染，实现人类与环境的和谐发展。

1 单、双级耦合热泵系统联合运行

双级耦合热泵系统是指两台热泵机组接力运行，低温热泵机组从户外低温水源中提取热量，将热量运输至高温热泵机组低温侧，高温热泵机组制取高温水。双级耦合热泵系统具有以下优点：适用性强；组装灵活方便，操作简单；能克服水源温度低这一不利因素持续供暖。

温度较高时，双级耦合热泵系统制热效能比(EER)低于单级热泵系统；反之，温度较低时，单级热泵系统效能较低。因此，供暖期内，控制水源温度，适时合理地切换单、双级热泵系统，将更具经济性。

2 热泵系统的选取

热泵系统的选取主要取决于水源水质以及水温情况。地表水的水质指标包括水的浊度、硬度以及藻类和微生物含量等。开式系统直接利用水源热泵系统，具有更高的能源利用效率，可充分提取水中的热能。对于水质的具体要求，在目前还没有机组产品标准的情况下，可以参照以下要求：pH值，6.5～8.5；CaO的质量浓度<200mg/L；Cl-的质量浓度<100mg/L；SO42-的质量浓度<200mg/L；Fe3+的质量浓度<1mg/L；H2S的质量浓度< 0.5mg/L[3]。

闭式系统与外界间接连接，通过换热盘管与地表水源进行换热。由于间接连接存在传热温差，导致换热盘管中的介质与外界水源温度相差2～7 ℃，因而会降低热泵及组的制热性能，即机组的EER有所下降。由于冬季供暖期内地表水水温会低于5 ℃，因而采用闭式地表水源热泵系统，并且环路内必须采用防冻液。

开式系统和闭式系统水源热泵原理如图1所示。江水换热器的材料采用高密度聚乙烯塑料管[4]。江水换热器多做成平铺的环状盘管，通过重物将其沉入江底，盘管里流动的载冷剂与管外流动的江水进行换热。在施工安装固定闭式换热器时，要注意水的流速问题[5]。

图1 水源热泵开式系统和闭式系统原理

3 试验系统

该试验系统主要由2台水/水热泵机组、1台低温冷水机组、3个水箱、模拟室及末端设备和数据检测采集系统5部分组成，试验系统如图2所示，试验照片如图3所示。

图2 试验系统

图3 试验系统照片

本试验系统的测量仪表及数据采集系统由34980A测量单元、34924A终端数据集成模块和34924T接线盒3个部分组成，采集系统由美国安捷伦公司生产。温度、压力、流量分别由4线制铠装铂电阻、涡轮流量变送器、精度为0.5级的压力变送器测得。测量的数据通过数据线远传至数据采集系统，并实时存入电脑。

水/水热泵机组采用全封涡旋压缩机，机组参数为：热泵机组制热功率，21.8kW；耗电功率，4.9kW；地表水源侧阻力，30kPa；制热水侧阻力，30kPa；电源电压，380V；制冷剂采用R22。低温冷源系统是由制冷机组、水箱、一级热泵机组及其相应的附件构成。

水箱分为低温水箱、热水箱、中间环路蓄水箱。低温水箱作为热泵的低温热源，其下部设有用于降温的换热盘管，内部设有电加热器，与水/水热泵机组连接口处设有可调电加热器，因而本试验台可以非常精确地控制热泵机组的进水温度。低温水箱与热泵机组循环管路中传热介质为水，为了防止温度过低而导致结冰，采用大流量小温差方式循环。热水箱用来贮存热泵产生的高温水，为末端装置提供热量。中间环路蓄水箱在双级耦合热泵系统中起到稳定水温的作用。

4 单级热泵机组和双级耦合热泵机组的运行

4.1 单级热泵运行

单级热泵运行如图4所示，蒸发器侧循环水进口水温分别控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，向末端设备提供45.0 ℃和50.0 ℃的热水，运行工况参数见表1和表2。

图4 单级热泵运行示意

根据热泵机组的制热功率和热泵、水泵的能耗可以计算出单级热泵机组系统供热效能比K1：

(1)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000 ，

(2)

式中：P为热泵吸收低温水的功率，kW；P1为机组输入功率，kW；PX为循环水泵总功率，kW；c为水的比热容，4.2×103J/(kg·K)；t1为蒸发器侧进水温度，℃；t2为蒸发器侧回水温度，℃；qV为一级蒸发器侧循环水流量, m3/h；ρ为水的密度,1.0×103kg/m3。

表1 45.0 ℃热水时单级热泵机组运行工况参数

表2 50.0 ℃热水时单级热泵机组运行工况参数

4.2 双级耦合热泵运行

根据热泵机组的制热量和热泵、水泵的能耗可以计算出双级耦合热泵系统系统供热效能比K2。

(3)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000，

(4)

式中：P为热泵吸收低温水的功率，kW；P1′为一级热泵输入功率，kW ；P2为二级热泵输入功率，kW；PX为循环水泵总功率，kW；c为水的比热容，4.2×103J/(kg·K)；t1为蒸发器侧进水温度，℃；t2为蒸发器侧回水温度，℃；qV为一级蒸发器侧循环水流量, m3/h；ρ为水的密度,1.0×103kg/m3。

2台热泵机组双级耦合运行系统如图5所示。一级热泵机组蒸发器侧循环水进口水温分别控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，中间环路保持在10.0～20.0 ℃，向末端设备提供45.0 ℃和50.0 ℃的热水，运行工况参数见表3和表4。

图5 双级热泵运行示意

项目参数一级热泵蒸发器侧进水温度t1/℃8．07．06．05．04．0一级热泵蒸发器侧回水温度t2/℃4．53．62．71．80．9一级热泵输入功率P1′/kW3．003．003．002．902．90二级热泵输入功率P2/kW4．204．204．204．204．10一级蒸发器侧循环水流量qV/(m3·h-1)4．384．374．364．364．38循环水泵总功率PX/kW2．802．802．802．802．80系统供热效能比2．792．732．682．652．62

表4 50.0 ℃热水时双级耦合热泵机组运行工况参数

对试验数据进行整理，得出结果如图6和图7所示。结合表1和表2，可以得出以下结论。

(1)在冬季极端水温条件下，江水深水层水温4.0 ℃时，热泵机组提供45.0 ℃热水时，系统供热效能比最低值接近2.6。由此可见，冬季采用松花江江水作为水源热泵的地位热源具有很好的前景。

(2)热泵系统提供45.0 ℃热水的单双级切换温度是5.0 ℃，提供50.0 ℃热水的单双级切换温度是8.0 ℃。当水源温度低于5.0 ℃时，双级耦合热泵供热效能比EER要高于单级运行，当水温高于5.0 ℃时，采用单级热泵运行比双级耦合更经济。当水源温度低于8.0 ℃时，双级耦合热泵供热效能比EER要高于单级运行，当水温高于8.0 ℃时，采用单级热泵运行则具有更高的效率。因此，在冬季12月、1月、2月寒冷月份，采用双级耦合方式运行,采暖期的其他月份则采用单级运行。