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節(jié)能型水源熱泵機(jī)組及其應(yīng)用論文
摘要：本文概述了水源熱泵的發(fā)展與現(xiàn)狀，對目前水源熱泵機(jī)組應(yīng)用所存在的問題進(jìn)行了分析，提出了一種節(jié)能型水源熱泵機(jī)組結(jié)構(gòu)，對水源熱泵在我國的應(yīng)用與發(fā)展具有推動(dòng)作用。
關(guān)鍵詞：水源熱泵節(jié)能雙蒸發(fā)器串并聯(lián)
一、概述：
日益增長的能源消耗和環(huán)境污染是困擾人類社會的兩大難題，引起了世界各國的高度重視。根據(jù)國際能源熱泵組織（IEAHeatPumpCentre）和歐洲熱泵協(xié)會（EHPA）統(tǒng)計(jì)的資料表明，目前歐洲有450萬臺熱泵用于住宅，150萬臺熱泵用于第三產(chǎn)業(yè)，2.5~3萬臺熱泵用于工業(yè)。EHPA的目標(biāo)是到2010年在歐洲至少有1500萬臺熱泵用于住宅，這相當(dāng)于每年節(jié)省100TWh的能源和減少4000萬噸的CO2的排放。至2002年瑞士熱泵在新住宅的占有率超過1/3，日本建筑物的熱泵占有率達(dá)到20%，而我國熱泵的應(yīng)用在1990年之后才得到了迅速發(fā)展，至1997年已安裝1140萬臺，而且呈迅速發(fā)展的勢頭。
隨著我國加入WTO和2008年奧運(yùn)會的成功申辦，我國的城市中心區(qū)域正在逐步禁止使用燃煤鍋爐，與此同時(shí)，燃油鍋爐的使用也正在受到一定程度的限制，這樣就給熱泵機(jī)組的應(yīng)用提供了巨大的發(fā)展空間。熱泵機(jī)組主要分為空氣源熱泵和水源（地源）熱泵，由于空氣源熱泵受環(huán)境、氣候的影響較大，其應(yīng)用受到了很大程度限制，而地下水溫度冬夏變化不大，因此以地下水做冷熱源的水源熱泵系統(tǒng)使這一問題得到了有效的解決。它以耗能少，利用可再生能源，不消耗水資源，不污染環(huán)境，符合可持續(xù)化發(fā)展的要求等諸多優(yōu)勢受到社會各界的廣泛歡迎。
二、水源熱泵的現(xiàn)狀：
水源熱泵應(yīng)用的最大問題在于要結(jié)合實(shí)際情況，提供一個(gè)穩(wěn)定的水源，同時(shí)要解決地下水的回灌問題以及冬季如何最大限度的利用水中所蘊(yùn)藏的能量。目前此類工程的應(yīng)用一般采取自然回灌，由于自然回灌只是重力做功，而取水是動(dòng)力做功，要維持水系統(tǒng)的平衡，確保取出的水全部回灌，取水井與回灌井?dāng)?shù)比例一般采取1：2或2：3。這不僅增加投資，而且在部分負(fù)荷時(shí)回灌井利用率低。因此能否解決既要減少投資，又能節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)保證100%回灌問題，將直接關(guān)系到水源熱泵的應(yīng)用與發(fā)展。因此研究開發(fā)一種節(jié)水、高能效比的水源熱泵機(jī)組有助于水源熱泵的應(yīng)用與推廣，并且會具有很好的市場前景。
三、節(jié)能型水源熱泵機(jī)組：
為了克服熱泵工況增大傳熱溫差所帶來的諸多技術(shù)問題，我們在機(jī)組的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了研究與探索。其結(jié)構(gòu)是機(jī)組采用兩個(gè)小型蒸發(fā)器，每個(gè)蒸發(fā)器與一臺或幾臺壓縮機(jī)及冷凝器、膨脹閥等組成各自獨(dú)立的制冷循環(huán)系統(tǒng)。兩個(gè)蒸發(fā)器的進(jìn)出水管之間通過閥門控制來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。夏季制冷工況運(yùn)行時(shí)兩個(gè)蒸發(fā)器水管之間的閥門打開，空調(diào)末端系統(tǒng)的回水分兩路同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的出口合流后進(jìn)入空調(diào)末端，也就是說冷水并聯(lián)流過兩個(gè)蒸發(fā)器。系統(tǒng)的冷量是通過兩個(gè)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)蒸發(fā)器的進(jìn)出口水溫都是12/7℃（進(jìn)出水溫差Δt=5℃）；冬季熱泵工況運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)蒸發(fā)器水管之間的閥門關(guān)閉，作為熱源的地下水依次流過兩個(gè)蒸發(fā)器，也就是說兩個(gè)蒸發(fā)器的水串聯(lián)，作為熱源的地下水通過兩個(gè)蒸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)Δt=10℃的溫降。與水并聯(lián)流過蒸發(fā)器相比，串聯(lián)時(shí)水流過蒸發(fā)器的流通面積減小，彌補(bǔ)了水流量減小對流速的影響，這樣流經(jīng)每個(gè)蒸發(fā)器的水流量、流速與夏季工況運(yùn)行時(shí)一致，對傳熱性能的影響較小，既達(dá)到了節(jié)約地下水的目的，又不影響換熱性能。
四、工程應(yīng)用實(shí)例：
以下是某單位辦公樓應(yīng)用本新型節(jié)能水源熱泵機(jī)組作為冷熱源的設(shè)計(jì)實(shí)例：
1、辦公樓建筑面積：4600m2，室內(nèi)末端采用嵌入式風(fēng)盤，經(jīng)計(jì)算需要的冷負(fù)荷Q0=460kW，需要的熱負(fù)荷Qh=506kW。
2、水源條件：單井水量50~60m3/h，水溫：夏季16℃，冬季15℃。
3、選用四臺40HP半封活塞壓縮機(jī)，每兩臺壓縮機(jī)與一臺蒸發(fā)器、一臺冷凝器組成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。
4、設(shè)計(jì)工況：
制冷工況：蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，其進(jìn)出水溫度12/7℃，蒸發(fā)溫度2℃；冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，其進(jìn)出水溫度16/26℃，冷凝溫度31℃。
制熱工況：蒸發(fā)器1、2水系統(tǒng)串聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，蒸發(fā)器1進(jìn)出水溫度15/9.5℃，蒸發(fā)溫度5.5℃；蒸發(fā)器2進(jìn)出水溫度9.5/5℃，蒸發(fā)溫度1℃;冷凝器1、2水系統(tǒng)并聯(lián)，氟系統(tǒng)獨(dú)立，其進(jìn)出水溫度40/45℃，冷凝溫度50℃。
5、計(jì)算結(jié)果如下：
�、僦评涔r：
系統(tǒng)總制冷量：Q0=466kW，
系統(tǒng)總功率：Pi=89.5kW
系統(tǒng)制冷系數(shù)：Cop=5.2
井水(水系統(tǒng)并聯(lián))取水量：47.2m3
�、跓岜霉r：
系統(tǒng)總制熱量：Qk=511kW，
系統(tǒng)總功率：Pi=121.7kW
系統(tǒng)制熱系數(shù)：Cop=4.2
井水(水系統(tǒng)串聯(lián))取水量：34m3
經(jīng)過一個(gè)冬季和夏季的運(yùn)行結(jié)果表明，在當(dāng)?shù)厮礂l件下兩口井就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全可靠運(yùn)行，制冷及制熱效果完全滿足用戶的要求。減少了初投資和運(yùn)行費(fèi)用，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益.
五、結(jié)論：
采用此結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)器的進(jìn)出水無論是在制冷時(shí)的5℃溫差，還是在制熱時(shí)的10℃溫差，蒸發(fā)器的換熱性能基本一致，也就是說蒸發(fā)器的換熱面積在冬、夏兩種工況下得到了充分利用。同時(shí)熱泵工況運(yùn)行時(shí)，水量減少20%，系統(tǒng)的制熱量提高了10%左右，Cop提高了7%左右。
綜上所述，通過改進(jìn)熱泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)，改變蒸發(fā)器水系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)約地下水的取水量，減少取水井與回灌井的數(shù)量，又合理使用了蒸發(fā)器的換熱面積，同時(shí)提高了系統(tǒng)的制熱量及能效比。這樣既減少了初投資，又降低了運(yùn)行費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對水源熱泵在我國的應(yīng)用與發(fā)展將起到推動(dòng)作用。
參考文獻(xiàn)：
1、《HeatPumps——7thInternationalEnergyAgencyConferenceonHeatPumpingTechnologies》…………………….中國建筑工業(yè)出版社
2、《制冷原理及設(shè)備》……………………………………吳業(yè)正主編
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