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水源热泵工作原理及其系统构成
水源热泵工作原理及其系统构成
来源:中制冷设备网    2009-6-4
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摘要:
            水源是应用水源热泵的前提。文中阐述了影响水源热泵运行工效的水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性等因素。介绍了各类水源、取水构筑物、水处理技术、回灌技术,指出了水源方案设计和施工中应注意的一些问题。

 

              1、水源热泵工作原理及其系统构成

            “热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词得来。在自然环境中,水往低处流动,热向低温位传递。水泵将水从低处泵送到高处利用。而热泵可将低温位热能“泵送”(交换传递)到高温位提供利用。在我国《暖通空调术语标准(GB50155-92)》中,对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”;
            在《新国际制冷词典(New International Dictionary of
            Refrigeration)》中,对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见,热泵在本质上是与制冷机相同的,只是运行工况不同。其工作原理是,由电能驱动压缩机,使工质(如R22)循环运动反复发生物理相变过程,分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热,使热量不断得到交换传递,并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能。在此过程中,热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动,其蒸发器吸收的是低位热能,但热泵输出的热量是可利用的高位热能,在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数,即COP值(Coefficient
            of Performance
            )。热泵有多种,以水作为热源和供热介质的热泵称为水源热泵。水源热泵性能系数(即COP值)高于空气源热泵,系统运行性能稳定。

            水源热泵工程是一项系统工程,一般由水源系统、水源热泵机房系统和末端散热系统三部分组成。其中,水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。

 

            2、水源热泵对水源系统的要求

            水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时,对水源系统的原则要求是:水量充足,水温适度,水质适宜,供水稳定。具体说,水源的水量,应当充足够用,能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足,机组的制热量和制冷量将随之减少,达不到用户要求。水源的水温应适度,适合机组运行工况要求。例如,清华同方GHP型水源中央空调系统在制热运行工况时,水源水温应为12—22℃;在制冷运行工况时,水源水温应为18—30℃。水源的水质,应适宜于系统机组、管道和阀门的材质,不至于产生严重的腐蚀损坏。水源系统供水保证率要高,供水功能具有长期可靠性,能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。

 

            3、水源

            原则上讲,凡是水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷复荷的需要,水质对机组设备不产生腐蚀损坏的任何水源都可作为水源热泵系统利用的水源,既可以是再生水源,也可以是自然水源。

            3.1 再生水源
            是指人工利用后排放但经过处理的城市生活污水、工业废水、矿山废水、油田废水和热电厂冷却水等水源,有条件利用再生水源的用户,变废为利,可减少初投资,节约水资源。但对大多数用户来说,可供选择的是自然界中的水源。

            3.2 自然界中的水源

            自然界中的水分布于大气圈、地球表面和地壳岩石中,分别称之为大气水、地表水和地下水。陆地上的地表水和地下水均来自于大气降水。

            地表水中的海水约占自然界水总储量的96.5%。滨海城市有条件利用海水,国外有应用海水作热泵水源的实例。我国一些沿海城市利用海水作工业冷却水源已有多年历史。近年,国内有用海水作热泵水源的研究,但海水水源热泵技术的实用化尚待时日。陆地上的地表水,即江、河、湖、水库水比海水和地下水矿化度低,但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类等有机物较多,含砂量和浑浊度较高,须经必要处理方可作热泵水源。


            地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层中的的水体。地下水分布广泛,水质比地表水好,水温随气候变化比地表水小,是水源中央空调可以利用的较为理想的水源。

            3.3 水量与水源的选择

            水量是影响水源热泵系统工作效果的关键因素,一项工程所需水量多少由该工程负荷与机组性能确定,所选择的水源水量应满足负荷要求。如果其他各种条件均具备,但水量略有不足,其缺口可采取一定辅助弥补措施解决。如水量缺口较大,不能满足负荷要求,就应考虑其他方案。
            就某项具体工程而言,应从实际情况出发,判断是否具备可利用的水源。不同工程的场地环境和水文地质条件千差万别,可利用的水源各不相同,应因地制宜地选择适用水源。当有不同水源可供选择时,应通过技术经济分析比较,择优确定。

 

            4、水质

            自然界中的水处于无休止循环运动中,不断与大气、土壤和岩石等环境介质接触、互相作用,使其具有复杂的化学成分、化学性质和物理性质。应用水源热泵时,除应关心水源水量外,还应关注水的温度、化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。但是,目前对水源热泵所用水源的水质尚无有关规定,本文所提数据参考了冷却水水质标准和某些地下水回灌水质的有关规定。

            4.1 温度

            地表水水温
随季节、纬度和高程不同而变化。长江以北和高原地区,冬季地表水结冰,无法利用于制热供暖。夏季水温一般低于30℃,可用于制冷空调。

            地下水水温
            随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。近地表处为变温带,变温带之下的一定深度为恒温带,地下水温不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不同,水温范围10—22℃。恒温带向下,地下水温随深度增加而升高,升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为2.5℃/100m,大于这一数值为地热异常。富含地下水的地热异常区可形成地热田。据1997年统计数字,全国已发现地热点3200多处,开发利用130
            处地热田,年开采地热水3.45亿m3。目前,许多地热用户排放弃水温度较高(约40℃)。应用水源热泵可使弃水中的30℃温差得到再利用,大大提高地热能利用率。

            4.2 含砂量与浑浊度

            有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物,使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀会造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。用于水源热泵系统的水源,含砂量应<1/20万,浑浊度<20毫克/升。如果水源热泵系统中装有板式换热器,水源水中固体颗粒物的粒径应<0.5毫米。

            4.3 水的化学成分及其化学性质

            自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体,使得水具有有酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等化学性质,对机组材质有一定影响。

            酸碱度 水的pH值小于7时,呈酸性,反之呈碱性。水源热泵的水源pH值应为6.5-8.5。
            硬度 水中Ca2 、Mg2 总量称为总硬度。硬度大,易生垢。水源热泵水源水中的CaO含量应<200 mg/L。

            矿化度 单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度,用于水源热泵系统的水源水矿化度应<3g/L。

            腐蚀性
            水中Cl-、游离CO2等都具腐蚀性,溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。应用水源热泵系统时,对腐蚀性、硬度高的水源,应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或鈦板换热器。

 

            5、取水构筑物

            从水源地向水源热泵机房供水,需建取水构筑物。依据水源不同,取水构筑物可分为地表水取水构筑物和地下水取水构筑物两类。

            5.1 地表水取水构筑物

            按结构形式地表水取水构筑物可分为活动式和固定式两种。活动式地表水取水构筑物有浮船式和活动缆车式。较常用的是固定式地表水取水构筑物,其种类较多,但一般都包括进水口、导水管(或水平集水管)和集水井,地表水取水构筑物受水源流量、流速、水位影响较大,施工较复杂,要针对具体情况选择施工方案。

            5.2 地下水取水构筑物

            地下水取水构筑物有管井、大口井、结合井、辐射井和渗渠等类型,表1列出了地下水取水构筑物的型式及适用范围<1>。在实际工程中,应根据地下水埋深、含水层厚度、出水量大小、技术经济条件不同选取不同形式。

            5.3 管井

            地下水取水构筑物中最常见的型式是管井,一般由井孔、井壁管、滤水管、沉砂管组成。井孔用钻机钻成,井壁管安装在非含水层处,用以支撑井孔孔壁,防止坍塌,井管与孔口周围用粘土或水泥等不透水材料封闭,防止地面污水渗入;滤水管安装在含水层处,除有井壁管作用外其主要作用是滤水挡砂;井管最底部为沉砂管,用以沉积水中泥沙,延长管井使用寿命。

 

            6、水源系统设计和施工中应注意的问题

            6.1 供水水源的可行性研究

            拟采用水源热泵系统时,应先调查工程场地的供水水源条件,向当地水管理部门咨询或请专业队伍进行必要的水文地质调查或水文地球物理勘查,了解是否有适合水源热泵利用的水源,通过可行性研究,确定利用地表水或是地下水的供水水源方案。

            6.2 地表水源工程设计与施工

            当选用地表水源时,设计取水量要考虑水温因素和需水量的保证率,取水构筑物标高与洪水季节水位的关系。施工应同时考虑供水管和排水管的布置。

            6.3 管井工程设计和施工

            拟选择地下水源和管井取水方案时,对规模较大的工程,应根据所需水量和地下水回灌需要,结合场地环境和水文地质条件,按一定采灌比确定抽水井和回灌井井数、合理布置井位和井间距。井深应大于变温带深度,以保证冬季水源水温度>10℃。为防止回灌井堵塞,确保水源系统长期稳定供水,抽水井和回灌井应互相切换使用,因此各个井的井深和井身结构应相近。井中滤水管和滤网应有一定强度,能承受抽灌往复水流的压力变换。

            6.4 管井施工质量

            必须十分重视管井质量问题。应找专业队伍施工,做好每一工艺环节,建成优质井,才能获得较大出水量和优质水。一口优质井可以使用二十多年。成井质量不好,不仅影响井的寿命,还影响到取水和回灌效果,最终影响水源热泵正常工作和制热或制冷效果。甲方应参与最后阶段的抽水试验工作,认定可信和准确的抽水试验结果数据。管井竣工后,应由甲方、施工单位和行政主管部门或监理会同到现场,按合同规定的水量、水温和水质进行工程质量验收。


            形式 尺 寸 深 度(m) 适 用 范 围 出 水 量 (m3/d)

            地下水类型 地下水埋深 含水层厚度 水文地质特征

            管井 井径50—1000mm150—600mm 井深20—1000m,常用300m以内 潜水,承压水,裂隙水,溶洞水
            200m以内,常用在70m以内 大于5m或有多层含水层 适用于任何砂、卵石、砾石地层及构造裂隙、岩溶裂隙地带
            单井出水量500-6000m3/d,最大可达2-3万m3/d

            大口井 井径2—10m,常用4—8m 井深在20m以内,常用6—15m 潜水,承压水 一般在10m以内 一般为5-15m
            砂、卵石、砾石地层,渗透系数最好在20m/d以上 单井出水量500-1万m3/d,最大为2-3万m3/d

            辐射井 集水井直径4—6m,辐射管直径50-300mm,常用75—150mm 集水井井深3—12m 潜水,承压水
            埋深12m以内,辐射管距降水层应大于1m 一般大于2m 补给良好的中粗砂、砾石层,但不可含有飘砾
            单井为5000—5万m3/d,最大为3.1万m3/d

            渗渠 直径为450—1500mm,常用为600—1000mm 埋深10m以内,常用4—6m 潜水,河床渗透水 一般埋深8m以内
            一般为4—6m 补给良好的中粗砂、砾石、卵石层 一般为10—30m3/d.m,最大为50--100m3/d.m

 

            7、水质处理与节水技术

            7.1 水处理技术

            如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时,可以采取相应的技术措施进行水质处理,使其符合机组要求。在水源系统中经常采用的水处理技术有以下几种:

            除砂器与沉淀池
            当水源水中含砂量较高时,可在水源水管路系统中加装旋流除砂器,降低水中含砂量,避免机组和管阀遭受磨损和堵塞。国产旋流除砂器占地面积较小,有不同规格,可按标准处理流量选配除砂器型号和台数。如果工程场地面积较大,也可修建沉淀池除砂。沉淀池费用比除砂器低,但占地面积大。

            净水过滤器
            有些水源,浑浊度较大,用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞,影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源,可以安装净水器进行过滤。

            电子水处理仪
            在水源中央空调系统运行过程中,冷凝器中的循环水温度较高,特别是在冬季制热工况下,水温常常在50℃以上,水中的钙、镁离子容易析出结垢,影响换热效果。通常在冷凝器循环水管路中安装电子水处理仪,防止管路结垢。

            板式换热器
            有些水源矿化度较高,对金属的腐蚀性较强,如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。如果通过水处理的办法减少矿化度,费用很大。通常采用加装板式换热器中间换热的方式,把水源水与机组隔离开,使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。当水源水的矿化度小于350mg/L时,水源系统可以不加换热器,采用直供连接。当水源水矿化度为350-500mg/L时,可以安装不锈钢板式换热器。当水源水矿化度>500mg/L时,应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。也可安装容积式换热器,费用比板式换热器少,但占地面积大。
            如果通过水处理的办法减少矿化度,费用很大。通常采用加装板式换热器中间换热的方式,把水源水与机组隔离开,使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。当水源水的矿化度小于350mg/L时,水源系统可以不加换热器,采用直供连接。当水源水矿化度为350-500mg/L时,可以安装不锈钢板式换热器。当水源水矿化度>500mg/L时,应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。也可安装容积式换热器,费用比板式换热器少,但占地面积大。

            除铁设备
            水源中央空调系统也可以用来供应生活热水。但有时水源水中含铁较多,虽然对制热没有影响,洗浴时对人体健康也不会造成损害,但溶于水中的铁容易生成氢氧化铁沉淀在卫生洁具上,形成有碍视觉感官的褐色污渍。当水中含铁量>0.3
            mg/L时,应在水系统中安装除铁处理设备。

            7.2 节水节电技术

            水源热泵空调系统的水资源费和井泵运行费往往是工程系统运行费的最大开支,为合理有效利用水源,减少水源浪费和节约电费,在系统设计中应考虑采用节水和节电技术措施。

            混水器 为节约水源水用量,可在系统中安装混水设备,一般采用容积式混水器,也可采用射流式混水器。前者体积大费用低,后者体积小费用高。

            变频调速器 为节约水源水量和电量,可以安装变频调速器控制水源水泵,取得减少耗水量和耗电量的效果。

 

            8、地下水人工补给(俗称回灌)

            8.1 人工回灌及其目的

            所谓地下水人工补给(即回灌),就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。这样做可以补充地下水源,调节水位,维持储量平衡;可以回灌储能,提供冷热源,如冬灌夏用,夏灌冬用;可以保持含水层水头压力,防止地面沉降。所以,为保护地下水资源,确保水源热泵系统长期可靠地运行,水源热泵系统工程中一般应采取回灌措施。

            8.2 回灌水的水质

            目前,尚无回灌水水质的国家标准,各地区和各部门制定的标准不尽相同。应注意的原则是:回灌水质要好于或等于原地下水水质,回灌后不会引起区域性地下水水质污染。实际上,水源水经过热泵机组后,只是交换了热量,水质几乎没发生变化,回灌不会引起地下水污染。


            8.3 回灌类型

            根据工程场地的实际情况,可采用地面渗入补给,诱导补给和注入补给。
            注入式回灌一般利用管井进行,常采用无压(自流)、负压(真空)和加压(正压)回灌等方法。无压自流回灌适于含水层渗透性好,井中有回灌水位和静止水位差。真空负压回灌适于地下水位埋藏深(静水位埋深在10米以下),含水层渗透性好。加压回灌适用于地下水位高,透水性差的地层。对于抽灌两用井,为防止井间互相干扰,应控制合理井距。

            8.4 回灌量

            回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关,其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般说,出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌,在一个回灌年度内,回灌水位和单位回灌量变化都不大;在砾卵石含水层中,单位回灌量一般为单位出水量的80%以上。在粗砂含水层中,回灌量是出水量的50-70%。细砂含水层中,单位回灌量是单位出水量的30-50%。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。

            8.5 回扬

            为预防和处理管井堵塞主要采用回扬的方法,所谓回扬即在回灌井中开泵抽排水中堵塞物。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。在岩溶裂隙含水层进行管井回灌,长期不回扬,回灌能力仍能维持;在松散粗大颗粒含水层进行管井回灌,回扬时间约一周1—2次;在中、细颗粒含水层里进行管井回灌,回扬间隔时间应进一缩短,每天应1—2次。在回灌过程中,掌握适当回扬次数和时间,才能获得好的回灌效果,如果怕回扬多占时间,少回扬甚至不回扬,结果管井和含水层受堵,反而得不偿失。回扬持续时间以浑水出完,见到清水为止。对细颗粒含水层来说,回扬尤为重要。实验证实:在几次回灌之间进行回扬与连续回灌不进行回扬相比,前者能恢复回灌水位,保证回灌井正常工作。

 

            9、应用水源热泵的限制条件

            水源热泵中央空调系统是一种高效、节能、环保型产品,但并不是在任何条件下都可以应用。其制约条件是电源和水源。目前,我国电力供应较充足,容易解决。而水源则是其主要限制条件,没有适合可靠的水源,就不能使用水源热泵。例如有些工程规模大,制冷或制热负荷大,所需水源水量很多,虽然工程场地有一定面积,也可以钻井,但因水资源量不足,难以完全满足工程负荷需要。有些工程所在场地下面虽然有地下水,但是由于该工程地处繁华市区,场地面积狭小,无处布井取水,场地环境条件限制了水源热泵系统的应用。

 

            10、水源热泵应用工程实例

            10.1 工程概况

            为治理北京大气污染,北京市地质勘察技术院承担完成了地热加水源热泵供暖示范工程项目。冬季供暖的办公楼和家属楼共6幢,建筑面积约3万平方米,砖混结构,原暖通设计为燃煤锅炉供暖,末端为单管串联上送下回系统,铸铁四柱813型暖气片。示范工程热源为地热井,水温68℃,水量125m3/h,两眼45m浅层第四系水井,水温16℃,单井出水量50
            m3/h ,井间距100m。

            该工程因地热钻探施工周期限制,供暖试验分两期进行。一期工程从1999年12月5日至2000年3月8日,以16℃地下水为热源,利用水源热泵对五层综合办公楼进行供暖试验。该楼建筑面积4078m2,建筑高度18m,三七墙,单层玻璃窗。供暖前,对运行14年之久的暖气管路进行了化学清洗,更换了部分锈损暖气片。为对比供暖效果和夏季进行制冷,在一、二层办公楼加装了风机盘管。由1号井抽出的16℃地下水送入热泵机组蒸发器吸热后由2号井回灌入地下,保护地下水源。热泵输出的52℃热水对办公楼供暖。

            二期工程自2000年3月8日(地热井竣工)至4月5日,进行了地热加水源热泵供暖运行试验。地热井68℃地热水对2.5万
            m2建筑进行“一次”供暖,部分地热水经过板换温度降至13℃后作为弃水排放,板换冷侧端的循环水经热泵热能转换后输出52℃热水对办公楼进行供暖。2000年夏季,利用1、2号抽、灌井和水源热泵机组对办公楼进行了制冷空调。

            10.2 主要技术参数

            热泵主机:清华同方人工环境设备公司生产的GHP型水源中央空调系统,1台,名义制热量360kW,制冷量275 kW,装机功率64
            kW,制热工况下冷凝器出/回水温度52℃/42℃,制冷工况下蒸发器出回水温度7℃/12℃,制热/制冷工况切换由水管路阀门组开关实现。板式换热器:BR0.24Ⅶ型1台,12
            m2,300 kW,40-13/10-15℃,不锈钢材质。冷水潜水泵:QJ50-50/6
            型2台,流量50m3/h,扬程50m,功率7.5kW。南院暖气循环泵:ISG型80-160,3台,流量50 m3/h,扬程32
            m,功率7.5 kW。冷水循环泵:DFB80-32B型2台,流量42 m3/h,扬程24m ,功率5.5kW。

            10.3 运行效果

            冬季供暖,水源热泵连续运行126天,性能稳定,以供回水温度(52/42℃)控制压机启停,平均每小时耗电40度,冷水井水源用量18
            m3/h,室外气温-10
            ℃时,多数房间室温18℃,供暖系统末端少数房间15-16℃,安装了风盘的房间室温可达20-25℃。夏季制冷,水源热泵连续运行120天,以冷冻水回水温度(12℃)控制压机启停,室外气温33-40℃,室内温度22-26℃。

 

            参考文献:

            <1> 供水水文地质手册,地质出版社,1976。
            <2> 汪光焘 主编,城市节水技术与管理,1994。
 

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