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水源热泵技术简介

2015-11-26来源:土木工程网

1. 水源热泵定义 
  水源热泵是以水为介质来提取能量实现制热和制冷的一个或一组系统。针对水源热泵机组,就是通过消耗少量高品位能量,将地表水中不可直接利用的低品位热量提取出来,变成可以直接利用的高品位能源的装置。 水源热泵是利用太阳能和地热能来制冷、供热,应该说其属热泵中“地源热泵”的一种。 经过严格测试及不同地区热泵的应用实例测算,水源热泵制热的性能系数在3.3—4.4之间,制冷的性能系数在4.1—5.8之间。

2. 水源热泵工作原理

地球表面浅层水源(如深度在1000米以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋)吸收了太阳进入地球的辐射能量,这些水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中,由于水源温度低,所以可以高效地带走热量,而冬季,则从水源中提取能量,由热泵原理通过空气或水作为制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。 水源热泵根据对水源的利用方式的不同,可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热盘管,该组盘管一般水平或垂直埋于湖水或海水中,通过与湖水或海水换热来实现能量转移(该组盘管直接埋于土壤中的系统称为土壤源热泵,也是地源热泵的一种);开式系统是指从地下或地表中抽水后经过换热器直接排放的系统。 水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质,即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。然而,更为方便的是由水回路中的三通阀来完成。虽然在水源热泵系统图中表示了水源直接进入蒸发器(制冷时为冷凝器),在某些场合,为避免污染封闭的冷水系统(通常是处理过的),需间接地用一个换热器来供水;另一种方法是利用封闭回路的冷凝器水系统。 水作为热泵制热、制冷过程的介质,满足以下两个条件即可利用:一是水的温度在7℃~30℃之间,二是水量要充足。水源水可以是各种工业用废水、生活用水、海水、江、河水等,甚至是各种工业余热。提取水中的热(冷)量比较简单易行的方式是打井,利用井泵提取地下水作为循环介质。

由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的冷热源,所以其具有以下优点:

1) 环保效益显著 水源热泵是利用了地表水作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统,没有燃烧过程,避免了排烟、排污等污染;供冷时省去了冷却水塔,避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以说,水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

2) 高效 水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12~22℃,水体温度比环境空气温度高,所以热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高。而夏季水体为18~35℃,水体温度比环境空气温度低,所以制冷的冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,机组效率提高。据美国环保署EPA估计,设计安装良好的水源热泵,平均来说可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。

3) 节能 水源热泵使用的电能本身为一种清洁的能源,但在发电时,消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。设计良好的水源热泵机组,与空气源热泵相比,相当于减少30%以上的电力消耗,与电供暖相比,相当于减少70%以上的电力消耗。所以,水源热泵在节能的同时还减少和降低了发电时一次能源消耗过程中产生的污染排放和温室效应。

4) 应用范围广 可广泛的应用于宾馆、办公楼、学校、商场、别墅区、住宅小区的集中供热制冷,以及其它商业和工业建筑空调,并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒酿造、冷轧锻造、冷库及室内种植和恒温养殖等行业上。

5) 一机多用 利用一套设备即可供冷,又可供热,还可提供生活热水。对空调系统来说,一台热泵提供两种热源,可节省一次性投资,其总投资额仅为传统空调系统的60%,并且安装容易,安装工作量比其他空调系统少,安装工期短,更改安装也容易。

6) 自动化程度高 水源热泵机组由于工况稳定,所以可以设计简单的系统;部件较少,自动控制程度高。

7) 没有任何污染 水源热泵技术采用的制冷剂,可以是R22或R134A、R407和R410A等替代物质。水源热泵机组的运行没有任何污染,没有燃烧,没有排烟,不产生任何废渣,废水、废气和烟尘,使环境更优美。可以建造在居民区内,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。

8) 运行稳定、可靠,维护方便水体的温度一年四季相对稳定,其波动的范围远远小于空气的变动,是很好的热泵热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、更稳定,也保证了系统的高效性和经济性,不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。由于系统简单,机组部件较少,运行简单、稳定,相对来说维护费用要低得多,使用寿命可长过20年以上。

特别提醒

合理利用地下水资源进行热泵空调,在设计和使用上有两个问题应予以关注。

(1)地下水源的选择 采用地下水源热泵时,选择水源的原则应为:水量充足,水温适当,水质良好,供水稳定。就某项工程来说,应根据当地实际情况,判断是否具备可资利用的地下水源,一项工程所需水量,主要取决于该项工程的冷热负荷和地下水温度,适用的地下水源条件是,水文地质特征为砂、卵石、砾石地层以及裂隙地带;含水层厚度大于5m,冬季地下水温度不低于10℃。 此外,还要注意水质情况,包括含砂量与浑浊度,以及水的化学性质。含砂量与浑浊度高造成机组和管阀磨损,回灌时会造成含水层堵塞,因此,地下水源含砂量应小于20万分之一,向地下含水层回灌水的浑浊度应小于20毫克/升;总矿化度小于3克/升,希望水中Cl小于100毫克/升,SO4 2-小于200毫克/升,Fe2-小于1毫克/升,H2S小于0.5毫克/升,地下水腐蚀性条件达不到要求时,水源热泵系统应考虑防腐措施。

(2)人工回灌 我国水资源非常缺乏,主管部门对开采地下水有严格管理,并且规定,除非有较大需水用户进行二资利用,否则必须进行回灌。当然,为了保证地下水源热泵空调系统长期正常运行,以补充地下水源,调节水位,维持储量平衡。为了避免在热泵装置中冷却或加热后回灌到地下的水,因短路而又被抽回,回灌井与取水井之间的距离应尽可能远一些。目前,虽然还没有回灌水质的国家标准,但回灌水质至少应等于原地下水水质,以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染。

因此,应遵守以下条款: 

(1)地下水应在封闭系统中输送;

(2)热泵空调系统中与地下水接触的部件应采用耐腐蚀材料制造;

(3)取水管路上和回灌水管路上应装有水表和采集水样用的旋塞阀;

(4)定期对地下水进行化验,并将化验结果报送有关部门备案;

(5)如发现地下井水异常,特别是水中出现化学物质或其它无关物质时,应及时与有关部门联系,并采取措施。地下水回灌的方法有三种,即:真空回灌、重力(自流)回灌和压力回灌。 真空回灌:真空回灌是利用存颇低的静水位(低于地面10m)形成真空进行回灌。含水层渗透性要良好。由于回灌时,对井的滤水层冲击力不强,所以很适用于老井。采用真空回灌,对于细颗粒含水层,回灌量一般为取水量的1/3-1/2;对于粗颗粒含水层,回灌量可达取水量的1/2-2/3。 重力回灌:依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层,此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层,其回灌量一般为取水量的50%;对于渗透性好的砾卵石层来说,回灌量可达取水量的75-90℃。 压力回灌:压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层,其缺点是回灌时,对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。上海曾广泛采用此法进行回灌。 为了预防井管堵管,及时清除堵塞含水层和井管的杂质,在进行回灌以后,经常开泵,排除回灌井水中的过堵塞物,即进行回场。回灌井的回扬次数和回扬持续时间,主要取决于含水层颗粒大小和渗透性。在岩溶裂隙含水层中的回灌井,长期不回扬,回灌能力仍能维持不变,在松散粗大颗粒含水层中的回灌井,每周回扬1-2次,在中、细颗粒含水层中的回灌井,回扬间隔应进一步缩短,而对于细颗粒含水层中的回灌井来说,经常回场尤为重要。

因此,系统调试完成并正常运行之后,为了预防井管堵管,及时清除堵塞含水层和井管的杂质,保证系统的可靠运行,需每年对回灌井和抽水井进行清理一次,

(来源:土木工程网  四川打井

(原标题:水源热泵技术简介)



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