环境变化对水源热泵的影响及应对措施

李 岩

（河南广播电视台104 台，河南郑州 450018）

0 引言

某发射台建筑面积约4600 m2，现有两套西亚特LWP1800中央空调水源热泵机组，供发射台办公区域供暖/制冷、供热水使用。近年来，供暖/制冷效果渐差，无法满足办公区域夏季26 ℃、冬季22 ℃要求。本文对机组运行环境、运行相关数据进行分析，并提出相关解决措施。

1 水源热泵工作原理

水源热泵是以地下水为冷热源，采用热泵原理，以电为动力将地下水中的热量、冷量提取出来。下面以制冷为例说明其工作原理：井水为机组排热源，制冷剂在蒸发器内吸热蒸发，制取冷水送入房间使用，制冷剂再经压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽送入冷凝器，再由井水带走热量、排至井中（图1）。

图1 水源热泵工作原理

2 机组运行数据

选取2017 年和2018 年8 月份2#机组2#机头的运行数据进行分析，发现同一机组同一机头出水温度逐年升高（图2、图3）。

图2 2017 年8 月份2#机组2#机头温度曲线

图3 2018 年8 月份2#机组2#机头温度曲线

3 原因分析

对比2017 年、2018 年相同月份同一机组同一机头数据可以发现冷凝器出水温度升高。冷凝器出水温度的高低与空调井出水流量大小密切相关：水流量大，冷凝器出水温度低，制冷效果好；水流量小，冷凝器出水温度高，制冷效果差。供水（空调井水）→除沙器→1#阀门→2#主机冷凝器→7#阀门→回水井（回地下）。

（1）机组老化。现有机组于2004 年投入使用，至今已有15年，机组出现老化。冬季，外部电路不稳定导致机组出现高压保护，水泵停止工作、蒸发器结冰，蒸发器铜管因结冰次数增多而膨胀变薄，继而引发内漏。

（2）地下水位下降。气候变化，周边高层建筑增加，地下水不能100%回灌，地下水总体供给的不平衡会导致地下水位不断下降，原抽水井井深100 m，水量已无法满足机组运行要求。现已加深至150 m，如果继续加深地下水温度会升高，导致热交换效率降低，机组运行效率降低。

4 解决办法

4.1 下地埋管

换热器埋管的布置方式分为垂直布置和水平布置两种方式。其中，水平布置通常为浅层埋管，就是将塑料管水平敷设在离地面1～2 m 的地沟内，受地表气候变化的影响，初期投资一般较少但换热性能较差，受可利用土地面积的限制；垂直埋管布置方式，是在地层中垂直钻孔，占地面积小，缺点是初期投资较高。由于决定地埋管换热器实际换热量的因素是多方面的，除了工程所在地岩土热物理性质、换热器内水流速度等相对固定的因素，还包括室外气象参数、建筑物负荷等随时间不断变化且变化幅度也较大的因素。该台为中波发射台站，院内铺设大量的地网线，因此不适合地埋管系统。

4.2 配合其他机组

台专家组成员从前瞻性、节能性、性价比、科学性等角度对中央空调系统改造项目进行了论证，倾向于选用风冷模块机组方案。该机组具有如下优点：

（1）新空调系统属于闭式水循环系统，水质干净，不易污染，极大降低水质对设备的污染及腐蚀，确保设备经久耐用。

（2）模块化设计，系统运行更可靠。机组采用涡旋式压缩机，根据外界温度的变化及室内实际使用情况，系统智能计算，启用相应数量的压缩机自动调节，经济节能。

（3）机身轻薄，节省空间。

（4）日常维护日程安排灵活。双回路设计，供暖/制冷机组和制热水机组的每个压缩机均为独立系统，互不干扰。在任意回路出现故障的情况下可实现边运行边检修，单台机组断电维护无需中断系统运行，保障能源的稳定性。

4.3 改造项目实施可行性

（1）安装位置及噪声。经现场勘测，新空调机组安装在原空调机房前的空地上，场地满足风冷模块机组对空间的要求。同时，水泥固化地面，设备底座设置弹簧减振器，降低传振。另外，机组设备安装简单、检修方便，维保费用低，噪声小。

（2）供电负荷。原空调机房两组供电线路，一组1×120 为独立电源，一组2×120 为并联电源，配电柜配置满足风冷模块机组对负荷的要求。

（3）压缩机的选择。5 台供暖/制冷机组，采用涡旋式压缩机10 台：10 台压缩机将系统分为10 个能量级，根据外界温度的变化及室内实际使用情况系统智能计算，启用相应数量的压缩机自动调节，经济节能；1 台制热水机组采用2 台压缩机，供暖/制冷机组和制热水机组的每个压缩机均为独立系统，互不干扰；在某个压缩机出现故障的情况下可实现边运行边检修，保障能源的稳定性。

4.4 改造后的机组

系统设计参数为：进水温度为12 ℃，出水温度为7 ℃；夏季室外环境温度为35 ℃，冬季室外环境温度为-5 ℃。为满足夏季室内温度22 ℃、冬季18 ℃的要求，采用5 台风冷热泵模块机组、1 台热水机组，实现冬季供暖、夏季制冷和生活热水。

（1）改造后机组情况。模块式风冷热泵机组不需冷却塔，无需专用机房，便于管理和维护，在河南广播电视台投入使用以来，运行状况良好，空调主管道、末端管道、风盘电机等为原有系统，各末端水流量匹配平衡，室内空调区域的使用效果较为理想。

（2）改造后配电柜。风冷模块机组电源使用原空调机房2×120 电源，即取自低压配电室AA03-1 低压开关柜。

（3）改造后的经济效益。考虑到改造前机组的实际运行情况，选取2017 年7 月份与2020 年7 月份用电情况进行对比，2017年的有功电量数为346 200 kW·h，2020 年为316 850 kW·h，每月少用电近30 000 kW·h。按当前电价0.585 元/（kW·h）计算，每月可节省电费约17 000 元。

5 结束语

新机组的使用解决了原有中央空调机组因老化和地下水位下降而无法满足办公区域制冷/暖需求的问题，同时实现了自动化控制。风冷模块机组可以根据不同季节及不同负荷（开启空调的房间数量）的使用情况灵活实现多级能量调节，调节投入运行的模块机组数量，使机组的输出功率时刻保持与实际需求相一致，满足经济节能要求。同时，可以按照所需制冷/暖量的大小，选择不同的单机组成不同制冷/暖量的机组集成，空调系统增容时只需增加新的模块单元即可，便于扩容和分步投入使用。