余鑫，李蕊，代彥軍

（1-上海核工程研究設計院，上海 200233；2-上海交通大學，上海 200240）

開式河水源熱泵系統(tǒng)的設計與性能分析

余鑫*1，李蕊2，代彥軍2

（1-上海核工程研究設計院，上海 200233；2-上海交通大學，上海 200240）

本文主要研究了河水源熱泵的運行性能，并在上海一校園的綠色能源實驗室搭建了河水源熱泵系統(tǒng)實驗臺。首先對河水水質(zhì)進行了測試，測試結(jié)果顯示水源熱泵的水源側(cè)應選擇間接換熱方式。本文設計了水源熱泵系統(tǒng)并搭建了測試系統(tǒng)，對系統(tǒng)的冬夏季運行工況進行了測試。實驗結(jié)果表明：在典型夏天工況，系統(tǒng)COP為5.2；在典型冬天工況，系統(tǒng)COP為3.1。

河水源熱泵；水質(zhì)測試；系統(tǒng)設計；系統(tǒng)測試

0 引言

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)[1]。河水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)就是從江河中提取熱量的熱泵系統(tǒng)。江河水源熱泵的優(yōu)點是：河水具有流動性，因此具有一定的攜能能力；水的比熱比空氣大，溫度變化常滯后于空氣溫度的變化，溫度較為穩(wěn)定，因而使得熱泵的運行工況較為穩(wěn)定；水的傳熱性能好，換熱設備較緊湊。其缺點是：熱泵裝置必須靠近水源，或設有一定的蓄水裝置；對水質(zhì)也有一定的要求，應進行水質(zhì)分析后采用合適的換熱器材質(zhì)和結(jié)構(gòu)型式，以防出現(xiàn)腐蝕等問題。

近些年來，水源熱泵系統(tǒng)在我國的發(fā)展及應用明顯加快，在浴室[2]、醫(yī)院[3]、世博園[4-5]等大型公共建筑中得到了應用。而關于水源泵的研究主要集中在以下幾個方面：1）地表水源水體水溫預測研究，其中主要有美國水資源工程公司Orlob和Seln及美國麻省理工學院的Huber和Harleman分別獨立提出的深分層蓄水體溫度變化的一維數(shù)學模型（WRE模型和MIT模型[6]）、我國水利水電研究院提出的垂向一維模型[7]及江春波等人提出的立面二維模型[8-10]；2）水源熱泵排水對水體的影響，溫排水對水體的影響研究主要集中在電站排水對水體生態(tài)的影響，我國在近幾年頒布了相應標準，已對熱污染源作出了一定的限制，《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-20020）規(guī)定：中華人民共和國領域內(nèi)江、河、湖泊、水庫等具有適用功能的地面水水域，人為造成的環(huán)境水溫變化應限制在：夏季周平均最大溫升≤1 ℃，冬季周平均最大溫降≤2 ℃[11]；3）水源熱泵的效益評估，鄧波等[12]對上海世博園區(qū)域供冷所應用的大型地表水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性及對環(huán)境的影響作出了分析，得出結(jié)論水源熱泵具有較好的經(jīng)濟效益且在設計和施工合理的情況下不會對環(huán)境造成影響。丁力行等[13]對湖南地區(qū)應用水源熱泵的經(jīng)濟性進行了分析。

本文首先對河水水質(zhì)進行了測試分析，選擇適合的水源熱泵水側(cè)換熱方式。然后根據(jù)綠色能源實驗樓的冷暖需求設計了開式河水源熱泵系統(tǒng)，并搭建了測試平臺對水源熱泵系統(tǒng)的冬夏季運行工況進行了測試分析。

1 開式水源熱泵系統(tǒng)設計

綠色能源實驗樓（GEL）主要采用了開式河水源熱泵系統(tǒng)為實驗樓第一和第二層的大部分房間（約607 m2）提供冷和熱，系統(tǒng)采用風機盤管為末端進行空氣調(diào)節(jié)。制冷模式下，風機盤管的進回水溫度為7 ℃和12 ℃；制熱模式下，風機盤管的進回水溫度為45 ℃和40 ℃。GEL樓制冷和供熱的設計最大負荷分別為83.50 kW和40.56 kW。圖1為綠色能源實驗樓外觀，其基本設計參數(shù)列于表1。

圖1 綠色能源實驗室

表1 GEL樓基本設計參數(shù)

1.1 水源側(cè)水質(zhì)分析及系統(tǒng)選擇

根據(jù)河水進入熱泵機組的方式不同，水源側(cè)水系統(tǒng)可分為直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)。直接式系統(tǒng)是指河水經(jīng)過簡單處理后直接進入熱泵機組的冷凝器或蒸發(fā)器。其特點是：不設板式換熱器，無換熱溫度能級損失，運行效率高；少一級循環(huán)水泵，節(jié)能性好；但直接式系統(tǒng)對水質(zhì)有一定要求，機組換熱器應耐腐蝕、易清洗，季節(jié)轉(zhuǎn)換清洗工作量較大，僅適合于大型電動熱泵機組。間接式系統(tǒng)是指河水不直接進入熱泵機組的冷凝器或蒸發(fā)器，而是利用板式換熱器，將河水與熱泵側(cè)的冷熱源水進行分隔的系統(tǒng)。間接式系統(tǒng)對熱泵機組的換熱器有很好的保護，無需經(jīng)常清洗；缺點是使進入熱泵機組的冷熱源水夏季升高（1～2）℃，冬季降低（1～2）℃，運行效率降低；多了一級循環(huán)水泵，增加了能耗，板式換熱器的管理清洗較熱泵機組更加麻煩。

對河水水質(zhì)進行了測試，測試結(jié)果見表2。對比表中數(shù)據(jù)可以看出，河水水質(zhì)參數(shù)基本能滿足熱泵機組的水質(zhì)要求。但濁度較高，從保護機組運行的角度，本水源熱泵系統(tǒng)采用間接式系統(tǒng)。

表2 江水水質(zhì)主要參數(shù)

直接式系統(tǒng)的設計相對比較簡單，最關鍵是選取合適的水流量。夏季制冷時，冷卻水測流量根據(jù)冷凝負荷的大小，按照5 ℃溫差設計即可。冬季制熱時，必須保證機組換熱器出口水溫在2 ℃以上，因此水側(cè)進出口溫差一般保持在3 ℃以內(nèi)。在某些地區(qū)，若冬季地表水溫低于5 ℃，則不適合采用開式熱泵系統(tǒng)；間接系統(tǒng)的設計主要是冷卻水與水源之間的中間換熱器的設計，一般選取板式換熱器。水源側(cè)的溫差選取與直接式一樣，冷凝測溫差一般按照5 ℃設計，參照換熱器的選型計算。

1.2 水源熱泵系統(tǒng)設計

水源熱泵系統(tǒng)圖見圖2。在制冷模式下，水從河流底部通過潛水泵提取上來，并在通過除沙裝置后流入板式換熱器。在板式換熱器內(nèi)，被河水冷卻的循環(huán)水流動后冷卻冷凝器。如圖2所示的閥門2、4、5、7打開，同時閥門1、3、6、8關閉。經(jīng)過冷卻的冷凍水流入分水器，然后被分配到各個房間的風機盤管內(nèi)。在制熱模式下，循環(huán)水被從河里抽取的河水加熱，然后流入蒸發(fā)器加熱制冷介質(zhì)。如圖5所示的閥門1、3、6、8打開，而閥門2、4、5、7關閉。經(jīng)過加熱的水流入分水器，然后被分配到各個房間的風機盤管內(nèi)。熱泵機組參數(shù)見表3。

圖2 水源熱泵系統(tǒng)流程圖

表3 熱泵機組參數(shù)

1.3 取排水口設計

河體距離水源熱泵系統(tǒng)機房約10 m?？紤]到水體的溫度垂向分層，將取水口置入河面2 m以下。河水被潛水泵提升經(jīng)水處理設備后進入板式換熱器。為了避免排水的影響，排水點設置在距離取水口10 m遠的下游。圖3為取排水口示意圖。

圖3 取排水口示意圖

2 系統(tǒng)測試與分析

采用熱電阻（精度±0.15 ℃）測試了河水溫度、板換的進出口溫度、蒸發(fā)器進出口溫度及冷凝器進出口溫度。數(shù)據(jù)采集間隔為10 s。流經(jīng)板換的河水流量、冷卻水流量及冷凍水流量采用超聲波流量計測量（精度5%）。

2.1 夏季運行工況

夏季運行見圖4～圖7，在室外平均溫度為33 ℃，河水溫度為30 ℃的情況下，機組的制冷量為72.8 kW，COP約為5.2。

圖4 夏季室外溫度及濕度

2.2 冬季運行工況

冬季運行情況見圖8～圖11，在室外平均溫度約為11 ℃、河水溫度為9 ℃的情況下，機組的制熱量約為68.2 kW，機組COP約為3.1。

圖5 河水進出口溫度

圖6 蒸發(fā)器側(cè)冷凍水進出口溫度

圖7 冷凝器側(cè)冷卻水進出口溫度

圖8 冬季室外溫度及濕度

圖9 河水進出口溫度

圖10 冷凝器進出口溫度

圖11 蒸發(fā)器進出口溫度

3 結(jié)論

1) 對河水水質(zhì)進行了測試，發(fā)現(xiàn)濁度不能滿足機組的要求，為保護機組換熱器，采取間接式換熱方式。

2) 在室外平均溫度為33 ℃、河水溫度為30 ℃的情況下，機組的制冷量為72.8 kW，COP約為5.2。

3) 在室外平均溫度約為11 ℃、河水溫度為9 ℃的情況下，機組的制熱量約為68.2 kW，機組COP約為3.1。

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Design and Performance Analysis of Open Loop River Water Source Heat Pump System

YU Xin*1, LI Rui2, DAI Yan-jun2
(1-Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China; 2-Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The operation performances of water-to-water heat pumps using river water as the heat source and sink were investigated. The system test-bed was constructed in Sino-Italy green energy laboratory in a campus in Shanghai. An initial experiment was carried out on the quality of river water. The results indicate that the water should not go through the heat pump directly. The river water source heat pump system and performance testing system were designed, and then the system performances in a typical summer day and a typical winter day were investigated and analyzed. The results indicate that the system COP in the typical summer day and COP in the typical winter day are 5.2 and 3.1, respectively.

River water source heat pump; Water quality test; System design; System experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.109

*余鑫（1983-），男，工程師，博士。研究方向：空調(diào)系統(tǒng)，通風系統(tǒng)。聯(lián)系地址：上海市虹漕路29號，郵編：200233。聯(lián)系電話：021-61863657。E-mail: yuxin@snerdi.com.cn。