深浅井蓄热型水源热泵系统性能分析.doc

深浅井蓄热型水源热泵系统性能分析吴丽娟1，朱 能1（河北九派集团，河北石家庄 100051；天津大学环境科学与工程学院，天津300072）摘 要：基于对地下水资源进一步深度利用和节能的目的，结合具体工程设计实例对深浅井蓄热型水源热泵系统以及多台水源热泵机组井水侧串联、井水多级提取利用的系统方案进行应用性研究。该形式通过采用“冬灌夏用”、“夏灌冬用”的蓄热方式充分利用了热泵产生的冷量和热量，同时从广义来讲这种非同期的同层回灌可在一个循环周期内（一年）保证原水源层的水量和水温，并有效控制地面沉降问题；此外机组井水侧多级串联将常规地下水利用温差由815提高到30以上，增加了地下水资源利用率，减少了打井数量；最后探讨了井水侧串联时各级机组的水温控制和级数的确定。关键词： 水源热泵 蓄热型 多级串联 优化中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：Characteristics Analysis on Water Source Heat Pumps Combined with Deep and shallow Wells Abstract: In this paper, the characteristics of water source heat pumps combined with deep and shallow wells, in which well side heat pumps were connected in series, were investigated through design example，for the purpose of father utilization of groundwater source. Its virtues such as energy storage and exchange between the two wells, using heat resource adequately, requiring wells as fewer as possible, and avoiding ground sedimentation were discussed. and the conclusion that WSHPs in series can enhance well utilize temperature difference from 710 to 30 and then save more energy compared with WSHPs alone in the same water inlet and outlet temperature was put forward. At last, the method of water temperature control and numbers of stages in series were suggested in this dissertation.KEY WORDS：groundwater source heat pumps; characteristics in series; optimization design 6深浅井蓄热型水源热泵空调系统，属于典型的地下水水源热泵形式,系指冬季从建筑物内提取冷量并储存，供给建筑物夏季使用；而夏季从建筑物内提取热量并蓄存，供给建筑物冬季使用，“冬灌夏用，夏灌冬用”，利用井水的温度差异将水源热泵技术与地下储能技术相结合向建筑供冷供热。地下含水层在某种程度上是国家的一种战略物资，而地下水往往是优质的饮用水；且与其它国家相比，中国北方地区水资源更为紧，因而这作为一个技术问题兼作社会问题，必须从多方面考虑，针对水源热泵系统的工艺流程优化、节水节电技术以及地下水的回灌技术等进行多方面的研究，提供一个科学合理的系统解决方案。本文重点在于热泵工艺流程优化。地下水水源热泵系统最大的特点就是利用地热资源，而水源热泵机组自身换热器的传热温差一般为710，这就限制了地热资源的充分利用1。本项目的设计理念是将深浅井蓄热（冷）型地下水水源热泵系统与水源热泵机组井水侧多级串联相结合，实现建筑冬夏负荷的地下储备和互补，并通过机组串联将地下水利用温差提高到30以上，减少取水量和水井个数，充分利用地下水资源。1.工程概况本工程为天津市某商贸区水源热泵机房设计，负责11x104m2建筑物的冬季供热和6 x104m2建筑物的夏季供冷。建筑功能以商贸、娱乐为主，冬季设计热负荷8800kW，供回水温度50/40；夏季设计冷负荷7000kW，供回水温度7/12。设计采用三组六口井，3口低温浅水井，水温10，流量803=240 m3/h；3口高温深水井，水温38，流量803=240 m3/h。冬季深井采水浅井回灌，夏季浅井采水深井回灌，这样在一个循环周期内（一年）仍可保证同层回灌量。每口井中均设置一台潜水泵互换使用；水井采水量依照“以灌定采”原则，由能够回灌量决定，并可根据实际负荷一采一灌或一采多灌，保证井水的回灌量。由于井水侧水源串联存在级数的确定问题，设计需根据井水的情况以及建筑物使用功能等具体情况而定。对于水源热泵机组，冷凝器蒸发器均有特定的工作温度限定要求，各个厂家的具体要求不尽相同。对于本案选用的机组，机组运行范围见表1-1。表1-1 机组运行时冷凝器蒸发器工作范围表蒸发器最小值最大值蒸发器进水温度6.821蒸发器出水温度415冷凝器最小值最大值冷凝器进水温度2042冷凝器出水温度2547机组运行的环境温度640实际中当制冷运行时机组冷凝器进水温度15；满负荷运行冷凝器进水温度20，否则需用水阀进行冷凝压力控制；当机组制热运行时，蒸发器进水温度超过40时也会出现压缩机过载，故进入蒸发器的热源水温度推荐使用范围为1220，不建议使用10以下的热源水。根据目前水源热泵机组的工作性能和技术要求，通过理论分析和计算机模拟计算，选择确定了深浅井的取水温度和每级水源热泵提取地下水温差值，以保证整个系统运行工作效率的最大化。为使各级串联机组的冷凝器、蒸发器进出水温度均遵循此标准，选定在进入机组之前采用混水的方案达到设计要求。水源热泵机组与井水相对应选用了三组六台，水源热泵井水侧采用三级串联并掺混水的方法：每一组为两台并联，三组串联，夏季制冷时从浅层井（10左右）采水240 m3/h和最后一级机组冷凝器的部分出水（40.7）58m3/h混合（第一级机组初始水温16），串联送入、三级热泵机组冷凝器，可利用温差约达30，井水温度升高至40左右后，回灌至相应井组的深层井中，机组提供制冷量（7044kW）所需冷量（7000kW）；冬季制热时从深层井（38左右）采水240 m3/h和最后一级机组蒸发器的出水（10）240m3/h混合（第一级初始水温24），先后送入、三级热泵机组的蒸发器，井水水温降至10左右回灌至相应浅层井中，机组提供制热量（9618kW）所需冷量（8800kW）。详见表1-2,1-3。表1-2 制冷工况机组水温匹配及相应参数级数进水温度/出水温度机组制冷量蒸发器水流量冷凝器水流量蒸发器冷凝器kWm3/hm3/h112/716/24.51248*2215149212/724.5/32.81178*2203149312/732.8/40.71096*2189149系统70441214298级数进水温度/出水温度机组制热量冷凝器水流量蒸发器水流量冷凝器蒸发器kWm3/hm3/h140/5024/18.81735*2149240240/5018.8/14.21596*2138240340/5014.2/101478*2127240系统9618828480表1-3 制热工况机组水温匹配及相应参数2.系统性能分析对机组的设计工况与名义工况下的制冷量、制热量、耗功率等性能参数作以比较,见表2-1,2-2：表2-1 制冷工况时机组参数比较进/出水温度（）制冷量输入功率COP机组蒸发器冷凝器kWkW第1级12/716/24.512482375.27第2级12/724.5/32.811782404.91第3级12/732.8/40.710962484.42名义工况12/730/3511352774.1表2-2 制热工况时机组参数比较进/出水温度（）制热量输入功率COP机组冷凝器蒸发器kWkW第1级40/5024/18.817353175.47第2级40/5018.8/14.215963284.87第3级40/5014.2/1014783324.45名义工况50/5515/712883703.48图2-4制热工况lgP-h图分析图2-2制热各工况机组性能参数比较 由图2-1知对于夏季工况，蒸发器内水温不变，第、级机组冷凝器内平均水温低于名义工况下的平均水温，相应的冷凝温度低于名义工况下的冷凝温度，机组的制冷量增大，输入功率降低，COP增加；对于第级机组，机组的制冷量减小，但输入功率降低，COP仍为增加，因而对于整个系统设计工况的COP增加，优于名义工况。冬季工况由图2-2知，冷凝器内进出水温度为4050，较名义工况的5055进出水温度降低，温差加大，各级机组的制热量增大，输入功率降低，COP增加，整个系统设计工况的COP增加，优于名义工况。由此可见机组串联对于井水利用更为有利。图2-3制冷工况lgP-h图分析图2-1制冷各工况机组性能参数比较上述结论可以通过压焓图分析得出，对于一台给定的水源热泵机组，其蒸发器的换热面积与换热方式是确定的，因此，蒸发器的对数换热温差是确定的。本机组采用逆流流动形式的蒸发器，其水侧温度的变化量与制冷剂侧温度的变化量是一致的，因此可以用蒸发器制冷剂温度的变化对制热量的影响来反映水侧温度对制热量的影响。同理对于采用逆流流动形式的冷凝器也可以用冷凝器制冷剂温度的变化对制热量的影响来反映冷凝器水侧温度对制热量的影响；并且对于一台给定的热泵设备，其压缩机也是确定的，因此制冷剂的体积流量也确定，可以使用单位容积制热量作为制热量的评价参数2。图3-1夏季两级机组与系统总工况性能参数比较以第一级设计工况和名义工况为例进行比较。由图2-3知，对于夏季工况，蒸发器内水温不变（进出水温度均为127）,压缩机的吸气比容v不变，冷凝器内平均水温低于名义工况下的冷凝器平均水温，相应的冷凝温度低于名义工况下的冷凝温度，机组的制冷量q0=h1-h4，大于名义工况的制冷量 q0=h1-h4，耗功量w0=h2-h1，小于名义工况的耗功量w0=h2-h1，COP增加；对于冬季工况由图2-4知，冷凝器内平均水温低于名义工况下的冷凝器平均水温，相应的冷凝温度低于名义工况下的冷凝温度，蒸发器内平均水温高于名义工况下的蒸发器平均水温，相应的蒸发温度高于名义工况下的蒸发温度，机组的制热量为qk=h2-h3，名义工况的制热量qk=h2-h3，在R134a的工作范围内h2的减小幅度小于h3的减小幅度，因而qk=h2-h3qk=h2-h3，同时，蒸发温度的升高使蒸发压力随之升高，因而压缩机的吸气比容v减小，并且减小的比例较大。图3-2夏季单位系统流量性能参数比较因此单位容积制热量为： 。v的减小使分母有较大改变，单位容积制热量随蒸发温度的升高而迅速升高。这就意味着，对于一台给定的水源热泵机组，随着制冷剂蒸发温度的升高，制热量迅速增加，输入功率也略有增加，但COP增加。3. 实际运行分析由于整个商贸区目前只有部分建筑物启用（冬季建筑面积约20000m2，夏季建筑面积约12000m2），且受当年天津暖冬天气的影响，系统只需开启一至两台水源热泵机组就可满足用户需要。因此测得开启单台水源热泵机组和开启两台水源热泵机组串联运行的条件下的性能参数。由图3-1、3-2可知， 夏季制冷时，水源侧供水平均水温较低的第级机组的单位制冷量、耗电量比第级机组大，EER也较大；串联机组的单位系统流量制冷量比单级运行时大，尽管整个系统耗电量增加了，但总的系统效率是增加的（串联的EER2.62，单级的EER2.54）。从该角度来讲，机组串联利大于弊。由图3-3、3-4可知， 冬季制热时，水源侧平均水温较高的第级机组的单位制热量、耗电量比第级机组大；串联机组的单位系统流量制热量要比单级运行时大，尽管整个系统耗电量增加了，但总的系统效率是增加的（串联的EER4.01,单级的EER3.36）。从该角度来讲，机组串联利大于弊。图3-3冬季两级机组与系统总工况性能参数比较图3-4冬季单位系统流量性能参数比较4. 设计要点与结语4.1深浅井蓄热（冷）型地下水水源热泵系统采用地热深井与承压淡水浅层井组成的蓄热（冷）型地下水水源热泵系统与地下储能技术相结合向建筑供冷供热，实现了冬夏负荷的地下储备和互补，同时避免了同期同层回灌长期运行时引起的回灌温度漂移。此外深浅井两口井深不同，采水层面不同，可以利用垂直间距有效解决井间距问题，两井间距可以做到很小在不影响操作的情况下，间距可以为57米。（同期回灌的同层井水源热泵系统受此限制，井与井之间的距离不能太小，一般井间距要求在70100米之间），因而不仅节约井位占地面积，还可减少井水管道投资。因此，深浅井储能型水源热泵系统除了拥有节约用水量的优势以外，它的另一大特点是特别适用于地面面积狭窄，没有足够的打井位置的项目。4.2 水源热泵机组井水侧多级串联该方法优化了水源热泵机组利用地下水的工艺流程，地下水源经过三级串联使用，将常规地下水利用温差由815提高到30以上，在不增加凿井数量和单井出水量的情况下，23倍的提高水源热泵机组供冷、供热能力。计算表明，在标准空调工况下，该系统比常规地下水热泵系统节能20303，特别适合出水量较少的地区采用。4.3井下潜水泵加设变频调速器的取水方案以及确保水质的回灌原则井下潜水泵加设变频调速器，井水源供水系统变流量。相对于传统的井下潜水泵定流量供水系统以及井下潜水泵采用常规的定流量水泵、潜水泵的出水通过换热器与热泵机组的自循环水源进行换热的方式，本方案相对初投资偏高，但其优点就是通过采用变频水泵在用户端使用量不大或者发生变化时，井水源供水可以根据负荷的变化自行调整出水量和耗电量，更合理的利用水资源，同时节省运行费用。回灌水水质目前尚无国家标准，各地区和各部门制定的标准不尽相同。本工程回灌原则为通过旋流除砂器、净水过滤器、除铁设备以及锰砂过滤池等水处理设备的设置确保： 回灌水源的水质优于原地下水的水质，最好达到饮用水的标准；地下水采灌过程全封闭，回灌后不会引起区域性地下水的水质变坏和受污染，并防止交叉污染；回灌水源中不含有能使井管和滤水管腐蚀的特殊离子或气体。4.4 级数与水温的确定在热能用途和空调（或采暖）形式确定的前提下，系统产生的温降也就基本确定，因此确定水源热泵机组串联级数的主要因素为水源侧的供水温度和回灌温度。以冬季为例，供水温度越高所需的级数越多，同时