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开式水源热泵水系统方式的研究利用

点击:767 日期:[ 2014-04-26 22:14:30 ]
                                  开式水源热泵水系统方式的研究利用                                        李 艳  王火召文                         (江南大学机械工程学院,江苏无锡 214122)     摘要:水源热泵作为一项新技术近年来在我国的应用发展很快,但部分地区在应用时不考虑实际情况,存在一定的盲目性。文章在简要介绍水源热泵原理、分类及系统构成的基础上,针对冬夏季不同水源水温及环境温度,对不同开式水系统的布置方式———水源水直接进入机组方式、混水方式、板式换热器方式、辅助加热或冷却方式进行了研究,以期指导水源热泵系统更好地推广应用。     关键词:水源热泵;开式系统;水系统方式     中图分类号:TU833 文献标识码:B 文章编号:1671 - 0959(2006)08-0095-03     水源热泵(WSHP)是利用地球表面浅层水源所吸收的太阳能和地热能而形成的低温、低位热能资源,采用热泵原理,通过少量高位电能的输入,实现低位热能向高位热能转换的一种技术。     水源热泵根据对水源利用方式的不同,分为闭式系统和开式系统。闭式系统的水源侧为一组闭式循环的换热盘管,换热盘管一般垂直或水平的置于地下或地表水体中,通过盘管内的循环介质和水体进行热交换而将热量释放或提取。开式系统直接利用水泵抽取地下或地表水输送至热泵机组,经过换热后排放。开式系统需对进入管路的水源水进行水质处理,并根据具体情况采取适当的水系统方式。水源热泵由水源系统、热泵机组、末端用户系统组成。其中水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网、水处理设备等。本文拟对水源系统进行总结研究,给出工程设计中不同工况下可以采用的水系统方式的建议。     1 水源水系统方式     由于工程场地环境千差万别,使得地表水、地下水、废水的水温、水量、水质情况各异,每一个工程不尽相同,水源水系统的连接方式也不相同。经研究总结,不同水源情况主要有以下几种管路设置方式。     1. 1 水源水直接进入机组方式     当水源水质较好,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,矿化度< 350mg / L[1],水源水温又适中,即冬季供热工况下水源水温为12℃ ~ 22℃,夏季制冷工况时水源水温在18℃ ~ 30℃之间时[2],水源水可以直接进入机组,来实现空调效果,见图1。水源水直接进入机组的特点为:能量损失少;系统管路简单,运行维护方便;但是对水源水质水温要求较高,适用性受到限制。                       制冷工况:阀门1、3、5、7 开启,2、4、6、8 关闭;制热工况:阀门2、4、6、8 开启,1、3、5、7 关闭。     1. 2 水源水混水方式     当夏季水源水温低于18℃,水源水不宜直接进入冷凝器,或冬季水源水温高于22℃,水源水不宜直接进入蒸发器时,建议采用混水方式,以保证机组高效稳定运行。工程中常用的混水方式有三种:     1. 2. 1 电动三通阀混水方式     采用电动三通阀的方式进行混水,同时应配有混水泵和相应的控制装置,见图2。混水泵和电动三通阀在通常情况下直接运行时关闭,在极端温度下混水运行时开启。电动三通阀混水方式的特点是:可以节约水源水量,系统操作、控制比较复杂,初投资略有增加。                        1. 2. 2 混水器混水方式     在系统中安装混水设备,除可使极端温度时系统高效稳定运行外,还可以起到节约水源水用量的目的,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。混水器混水方式见图3,运行方式为直接运行时阀门9 关闭,混水运行时阀门9 开启。                        1. 2. 3 混水池混水方式     如果工程场地面积较大,可修建混水池,除起到混水作用外,还可起到除沙的沉淀池作用,降低水中含沙量,避免机组、管道、阀门遭受磨损和堵塞,费用比漩流除沙器低,但是占地面积较大。混水池混水方式见图4,其特点是:可以与消防水池、沉淀池共用,可以节约水源水量和蓄能;增加了水池面积,从而增加水源水中的含氧量;控制难度大;占地面积大。                        1. 3 板式换热器方式     1. 3. 1 水源水质板式换热器     当水源水杂质较多,含盐度及其他矿化物浓度较高时,对金属的腐蚀性较强,可以采用板式换热器方式,把水源水和机组隔离开,使机组彻底避免了可能产生的腐蚀作用。如果对水源水的矿化物进行单独处理,应设置单独的除盐或除氯等处理装置,但这会造成很高的处理费用。如果水源水直接进入机组,时间稍长会对机组的蒸发器、冷凝器等部件造成损坏,从而减少机组使用寿命,危害更大。基于以上原因,建议采用板式换热器。当矿化度在350 ~ 500mg / L 时,可用不锈钢板式换热器;当矿化度> 500mg / L时,建议安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。也可以安装容积式换热器,费用比板式换热器少,但占地面积大。为保护板式换热器不受磨损,进入其中的水源水中固体颗粒物的直径应< 0. 5mm[1,3]。     水源水质板式换热器方式见图5,其特点为:解决了夏季水源水温低于18℃和冬季水温高于22℃的问题;中间循环介质处于闭式环路系统,保证了进入主机的水源水质;可以适用于不同水质的水源水,节省了水量,并提高了机组的适用范围;运行管理较为复杂,使运行费用略有增加。                       1. 3. 2 水源水温板式换热器     水源水温不合适,亦可设置板式换热器( 见图6),来解决夏季水温低于18℃和冬季水温高于22℃的极端情况问题,使机组正常运行。同时可解决地表水系统中冬季供热工况下可能出现的水源水温过低而导致的冰堵现象,热泵机组与板式换热器间用不冻液( 常用的防冻液有丙稀乙二醇、乙烯乙二醇、甲醇水溶液、乙醇水溶液等)作为载冷剂,通过板式换热器与水源小温差换热,避免由于进机组温度过低而使蒸发器结冰。在水温水质适宜的情况下,夏季为了提高换热效率减少换热损失可以直接引用湖水作为载冷剂,增加地表水与制冷剂之间的传热温差,在相同条件下,增加机组的制冷量或制热量。运行方式:     1)冬季运行水温适合,夏季运行水温较低时:冬季阀门9、11 开,阀门10、12 关;夏季阀门10、12 开,阀门9、11 关。     2)夏季运行水温适合,冬季运行水温较高时:冬季阀门10、12 开,阀门9、11 关;夏季阀门9、11 开,阀门10、12 关。                        1. 4 辅助加热或冷却的方式     当水源水量受到限制,冬季水源水温小于10℃,不满足冬季供热需求,或者夏季水源水温大于32℃,不满足夏季供冷需求,或者两者都不能满足时。也就是说,当建筑物在极端最热、最冷的天气,负荷过大时,建议采用辅助加热或冷却的方式来解决。     1. 4. 1 采用辅助加热方式     冬季供暖时,机组在供热工况下工作,不断从水系统中吸收热量,若余热量不够用则会导致水温降低,当水源温度低于10℃时,可以启用辅助加热设备向系统补充热量。常用的辅助加热设备有以下几种:电加热器、燃油或燃气加热器、太阳能加热器和其他废热回收装置[4]。当需要补充的热量较少时,加热量< 200kW,使用电加热器较好,它的控制容易实现,使用管理方便。对需要较大的补充加热量( 加热量> 200kW)时,则应使用燃油或燃气加热或蒸汽加热器。如何选择加热设备还是要根据具体条件和经济技术比较后确定。     辅助电加热示意图见图7,其特点为:解决了冬夏季空调房间冷热负荷过大,水源水温不够的问题,控制较复杂,可靠性高,初投资小。可以利用夜间低谷电加热蓄水箱中的水,用于白天的系统供热,起到移峰填谷的作用。                        运行方式:夏季阀门9 开,阀门10 关;冬季峰时使用时用电锅炉,阀门10 开,阀门9 关,平时使用时不需要启用电锅炉,运行同夏季。     1. 4. 2 采用辅助冷却的方式     当夏季极端气温水源温度高于32℃时,可采用辅助冷却的方法使水源水温降低后再输入机组进行换热。并且将水中的热量通过冷却设备排到空气中,避免水源温升过快。通常采用冷却塔形式,见图8。当水温高于32℃时,辅助冷却设备启用。     辅助冷却塔方式特点:解决了夏季水温过高,水量不够,或夏季峰时负荷过大的问题,控制较复杂,可靠性高,初投资较小,受安装条件限制。运行方式见表1。                           如采用地表水作为冷热源,夏天水源水温过高时,可以采用喷泉式的喷淋方法使水在江、河、湖、海中或周边喷淋,既可降低水温,使水温保持在32℃以下,又能成为一道风景线。     2 结 语     水源热泵是一种高效、节能、环保的集供暖、供冷于一体的新型中央空调方式,但其适用性受到限制。目前闭式系统在我国已经有了一些比较成功的应用,但开式系统的研究与应用尚不广泛,有待于进一步推广。工程设计中,在通过技术经济比较确定采用该系统后,要注意工程所在地的水源水质、水量和水温条件,根据实际情况采取具体的水系统方式,最大可能地发挥水源热泵的性能,使其高效节能地运行。     水源热泵的推广应用,需要不同专业不同领域的共同努力和配合,从政府政策、热泵机组的设计制造、系统的设计安装和运行管理等各方面来共同参与。笔者希望文中所给出的水系统方式能给设计和施工人员在工程应用中提供借鉴。     参考文献:     [1] 曲云霞,张林华,方肇洪,等. 地下水源热泵及其设计方法[J]. 可再生能源,2002(6):11 ~ 14.
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