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井水温差对地下水源热泵水井方案的影响

   2010-05-28 高山9910
核心提示:水源热泵空调系统,井水水量,井水温差,能效比

     一、 水源热泵空调系统概述


    地表岩土层蕴藏了无穷无尽的低位热量,常温带的土壤/地下水温度相对恒定。水源热泵机组在电能的驱动下,将地下可循环再生但不可直接利用的低位能量开发利用,成为可利用的高位能。热泵可以满足冬季供暖、夏季供冷的需要,又能用来制取卫生热水,充分显示了其一机三用的优越特性,广泛应用于各类建筑物。

 
    地下水供应系统是水源热泵中央空调的关键部分之一,它是整个系统的能量来源,与传统中央空调系统对比,它取代了锅炉供热系统和冷却塔,是水源热泵系统的重中之重。空调系统从井水中提取的能量(Q=C.M.Δt)与井水流量M和井水供回温差Δt的乘积成正比。当空调系统设计值Q确定后,井水流量M变小,井水温差Δt就需加大,压缩机耗能增大,潜水泵耗能减小;反之,井水流量M变大,井水温差Δt减小,压缩机耗能减小,潜水泵耗能增大。那么,对于一个水源热泵系统而言,井水温差取多大,系统的能效比最高、投资最节省?本文将根据不同的工况对此作详细的计算分析。


    二、冬夏季运行不同工况下的能效比计算


    以郑州市某个建筑面积为12000m2的办公楼项目为例,夏季冷负荷1200kw ,冬季热负荷900kw。选配二台名义制冷量550kw的单螺杆式水源热泵机组。水井井深150米,单井出水量可达到70吨/小时,此时潜水泵扬程为60米。夏季井水出水水温为18℃,冬季井水出水水温为16℃。

 
    每小时井水的循环量计算公式为:

    制冷时:M =(制冷功率+ 输入功率)×860÷?T(井水利用温差);制热时:M =(制热功率―输入功率)×860÷?T(井水利用温差)


    在上述公式中,设计人员容易产生分歧的是 ?T 到底应该取多少。为此我们先了解一下水冷系统中的冷却塔。按照暖通空调设计规范,冷却塔的理论进出水温度为30/35 ℃,实际运行工况进出水温度为32/37 ℃ ,?T为5 ℃ ,它是指主机排出的35-37℃冷却水经冷却塔冷却为30-32 ℃再进入主机,如此周而复始地循环,建筑物的热量最终靠塔内的水蒸发而带走。?T能否再增大呢,不能,因为冷却塔是靠塔内水的蒸发(通过中央空调主机)而带走建筑物中的热量,再大就不经济了,主机也会自动保护停机。


    水源热泵主机在夏季既可以利用井水制冷,也可利用冷却塔制冷。如采用冷却塔,?T为5 ℃,机组冷却水的进水是30-32 ℃,排出水温是35-37 ℃ ,冷却水的平均温度为32.5—34.5℃。如果采用井水,假如井水的进水是18 ℃,温差?T是16℃,此时排出水温是34 ℃,井水的平均温度为26℃,冷却效果远优于冷却塔标准工况。

    实际上,在空调系统运行中出现设计最大负荷的时段所占的比例只有4-5% ,即使温差?T取18℃计算井水量,在流量不变的前提下,实际运行温差在绝大多数时段为10--12℃ 。因此,在实际应用中,可以将水源热泵井水温差扩大到16℃ 。

 
    依据台湾汉钟RC520 H-CR的参数表以及上述计算公式,可得出单台主机夏季运行各参数下表:

 

井水进水

温度℃

井水出水

温度℃

井水流量

/小时

潜水泵输入

功率kW

压缩机输入

功率kW

制冷量

kW

18

24

96

26

97.5

572.2

18

25

82

22

99.5

567.5

18

26

71

20

101.5

562.7

18

27

63

18.5

103.5

557.8

18

28

57

15

105.6

552.8

18

29

51

11

107.7

547.6

18

30

47

9.5

109.8

542.4

18

31

43

8.5

112

537.1

18

32

40

7

114.2

531.6

18

33

37

6

116.4

526.1

18

34

34

5.5

118.6

520.4

 

 

    根据上表计算可知:井水进出水温差Δt设定值变化时,热泵的能效比COP(输出量/压缩机+潜水泵耗电量)如下:


Δt =6℃ 时    COP=4.63
Δt =8℃ 时    COP=4.63
Δt =12℃ 时   COP=4.55
Δt =16℃ 时   COP=4.20
Δt =16℃与Δt =8℃相比,井水需求量减少了52%,能效比仅减少了9.2%  。
 

      冬季,依据台湾汉钟RC520 H-CR的参数表以及上述计算公式,可得出单台主机运行各参数下表:
 

井水进水

温度℃

井水出水

温度℃

井水流量

/小时

潜水泵输入

功率kW

压缩机输入

功率kW

制热量

kW

16

11

91

25.5

147.2

677.5

16

10

73

20

146.1

657.6

16

9

61

18.5

144.9

638.1

16

8

51

11

143.7

619.1

16

7

44

9

142.5

600.6

16

6

38

6

141.3

582.5

16

5

33

5.5

140

564.9

16

4

29

4.5

138.8

547.8

 

 

    根据上表计算可知:井水进出水温差Δt设定值变化时,热泵的能效比COP(输出量/压缩机+潜水泵耗电量)如下:

 
Δt =6℃ 时    COP=3.96
Δt =8℃ 时    COP=4.0
Δt =10℃ 时   COP=3.95
Δt =12℃ 时   COP=3.82
Δt =12℃与Δt =6℃相比,井水需求量减少了60%,能效比仅减少了3.5%。

 
   注:上述分析适合于地下水温较高的寒冷地区和夏热冬冷地区,东北地区浅层地下水出水水温只有8℃左右,冬季Δt最大值也只能取7℃ ,应区别对待。


   三、不同温差取值对空调系统实施方案的影响
 

   仍以建筑面积为12000m2办公楼的项目为例。
 
 

    第一种方案:当夏季Δt =8℃ ,冬季Δt =6℃时 ,该系统夏季井水需求量为142吨/小时,冬季井水需求量为146吨/小时,工程施工时取最大值146吨/小时。按照该项目所在地的地质条件,需要深150米的出水井2口,潜水泵2台,回水井4口,共六口井。水井及附属设备部分投资50万元。
 

    第二种方案:当夏季Δt =16℃ ,冬季Δt =12℃时 ,该系统夏季井水需求量为68吨/小时,冬季井水需求量为58吨/小时,工程施工时取最大值68吨/小时。按照该项目所在地的地质条件,需要深150米的出水井1口,潜水泵1台,回水井2口,共三口井。水井及附属设备部分投资25万元。
 

    由于出回水井之间须保持一定的间距,该项目建筑物周边位置有限,只具备4口水井位置,所以第一种方案不能实施。最后采取了第二种方案。
 
 
    四、结论:
 

    水源热泵系统设计水井方案时,确定最佳的井水进出温差Δt是关键因素。设计时必须考虑井水出水水温、热泵的能效比、水井部分投资额、水井施工所需场地限制等综合因素。必要时应根据项目的具体情况和主机型号进行详细计算,以提供科学的设计依据。
 
 
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