水源热泵空调系统设计方法试论

摘要：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，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；采用全电脑控制，自动程度高。由于系统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，使用寿命长。

关键词：水源热泵；空调系统；设计方法

地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。

1、水源热泵的特点

空调热泵按其热源来分可分为空气源热泵和水源热泵。

1.1 空气源热泵的优缺点

水象任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，更不是万能的。其应用也会受到制约。水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一般成本较高。而开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。水层的地理结构的限制，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。

1.2 水源热泵的特点

水源热泵基本上克服了空气源热泵的上述缺点，并且具有如下的特点：水源热泵是具备了利用地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散地相对地均衡。这使得利用储存于其中地近乎无限地太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源地一种技术。

便于计量和收费，空调用电负荷在用户位置，因此便于空调的计量与收费。这对于用户合理使用空调系统，节约空调系统的能耗，公平、公正、公开地摊派空调运行管理是很有利的。运行安全可靠，水源热泵机组的空调系统是可以基本保证全年按用户的需要开启空调系统，特别是春秋空调过渡季节均能运行，也就相当于四管制空调系统。一般，水源热泵供、回水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。夏季水体作为空调的冷源，冬季作为空调的热源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、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。

高效节能，水源热泵机组可利用的环境水体温度冬季为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℃，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好地水源热泵，利用江河湖水等，供热制冷空调的运行费用可30－40％。灵活应用，有的建筑物内，特别在过渡季节，部分区域需要供冷，部分区域需要供热，水源热泵可以同时供冷和供热，可以实现建筑内冷热量的转移和平衡，从而系统少用能源。水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗的是一次能源，其所产生的污染物和二氧化碳等气体会对周围的环境产生影响。所以节能实际上也是减少了污染。

2、水源热泵系统的管路设计

2.1 水源热泵系统管路设计的特点

闭式系统的水力计算中，与各用户所在的标高关系不太大；而开式系统中与用户的标高关系密切，即必须考虑高差产生的重力作用，这个作用压力，对标高低的用户有利，而对标高高的用户不利。为解决重力作用产生的上下用户的水力不平衡的问题，设计时，应将每一层作为一个独立的水系统分支，每层支管上应设一个平衡阀（或流量调节阀）。水系统管路各管段管径的确定，在水力计算中，应按夏季工况考虑，（指长江流域等冬冷夏热地区）因为夏季的水流量远大于冬季工况。应计算出合理的管径，这样即可以避免管材的浪费，又可以使初投资降低，节约资金。设计时，水环路尽可能地采用同程式系统，这样初投资费用虽然有所增加，但有利于保持环路的阻力平衡，这样空调系统运行效果更加良好。水源热泵需要一些特殊的接管组合，以保证机组的正常工作 。常见的有手动控制流量球阀接管组合，手动文丘里平衡阀组合和自动流量接管组合 。其中手动文丘里平衡阀组合是在手动球阀组合的基础上增加了一个用来测流量的文丘里接头；自动流量接管组合增加了自动流量控制阀，从而可以自动调节，以保证流量

2.2 水源热泵系统中的构件布置

水泵一般布置于辅助设备（如冷却塔、锅炉等）和水源热泵机组之间，这样布置可使机组的供水管处于水泵的压水段，而补给水管处于水泵的吸水段。

3、水源热泵机组设计中噪声控制问题

由于机组的噪声源除风机之外，还有制冷压缩机的噪声，所以噪声一般很大。此外，不适当的送、回风管路设计也会产生噪声问题。分体式机组就是把机组分为内机和外机两部分。内、外机有工质管道连接；内机由风机和蒸发器（夏季工况）组成，外机由压缩机和冷凝器（夏季工况）组成。选用分体式机组时，内机置于空调房间内，外机置于空调房间外的走道、过道等位置的吊顶内，这样空调房间的噪声可以大大下降。采用整体式时，应把机组吊装在卫生间或厨房内。

4、结论

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。

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