我国水源热泵研究现状

1  引言

 

  水源热泵根据水来源不同(如:地热水、地下水、地表水、河川水、海水等), 可分为:地热水水源热泵, 地下水水源热泵, 地表水水源热泵, 河川水水源热泵, 海水水源热泵等。本文将近年来我国水源热泵方面的一些主要的研究现状进行介绍并指出有待进一步开发研究的方向。

 

  2  研究现状

 

  2.1  地下水水源热泵

 

  地下水水源热泵的经济性是决定地下水水源热泵能否得到广泛应用的关键问题之一。根据对宁波市某一空调面积为72132m2 的实际工程分别采用地下水水源热泵和溴化锂吸收式制冷系统的经济性比较得出, 采用地下水水源热泵系统比溴化锂吸收式制冷系统单位面积初投资可节省75.32 元/m2 , 制冷总运行费减少45.5 %, 供暖总运行费减少35.5 %[ 1] 。而在湖南地区气候条件下, 由投资及运行费用折合成的现值成本作为比较依据, 对地下水水源热泵机组、风冷热泵机组、溴化锂直燃机组、水冷冷热水机组+燃油热水锅炉这四种不同的系统的经济性进行比较的结果表明:在给定的建筑面积和冷负荷条件下, 地下水水源热泵机组的现值成本比其它三种系统都要小20 %以上, 其中, 溴化锂直燃机组的现值成本最高, 同时, 随着空调面积从10000m2 增大到80000m

 

  2 , 风冷热泵的现值成本增加最快。

 

  深井蓄热型地下水热泵系统是对地下水水源热泵系统的一种改进[ 3] 。该系统采用“冬灌夏用” 、“夏灌冬用”的地下水使用技术, 在供冷时, 冷水井为抽水井, 热水井为回灌井, 而在供热时, 则以热水井为抽水井, 冷水井为回灌井, 这样, 利用深井地下水的蓄热特性, 就可以将热泵供冷时冷凝器产生的热量蓄藏于热水井中供供热时使用,而将供热时蒸发器产生的热量蓄藏于冷水井中供供冷时使用, 如此可充分利用热泵产生的冷量和热量。计算表明, 在标准空调工况下, 该系统比常规地下水热泵系统节能20 %～ 30 %, 同时该方法还可有效控制地面沉降问题。

 

  在相关文献给出的井水与土壤间传热数学模型的基础上, 对地下水水源热泵系统在冬季工况进行了数值模拟的结果表明, 当井水温度达到一定程度时, 井水与土壤间的换热基本达到平衡, 此时热泵的取热量都是从井周围的土壤中获得的,而井水与土壤间的换热主要依赖两个因素:井内水的流动强弱和井水与周围土壤间温差的大小;同时, 井的结构尺寸(如:深度和直径)对取热量有很大的影响, 在制热量确定时, 井的结构尺寸应与之相匹配;此外, 不同的运行方式和时间对井水温度和取热量也有不同的影响[ 4] 。此外, 关于水源热泵系统设计的应用程序也有相关介绍[ 5] 。

 

  2.2  地热水水源热泵

 

  低温地热水水源热泵系统一般有三种不同的应用方案:单独作供暖用, 供暖与供生活热水兼顾, 供暖、供生活热水与夏季空调兼顾。比较这三个方案可以发现, 方案三既有供暖, 又有生活热水供应, 同时还兼顾夏季空调, 运行成本最低, 投资费用处在方案一和方案二之间, 是三者当中的优选方案[ 6] 。

 

  针对地热水温度高、腐蚀性强、矿化度高等特

 

  点, 可以考虑使用井下换热器技术来利用地热水热能[ 7] , 其优点是:只取热, 不取水, 对环境的影响小, 不会引起地面沉降和地震危险。但与此同时,也就对井下换热器部分的防腐提出了很高的要

 

  求。另外, 针对地热水水源热泵系统的特点, 应对系统中板式换热器进行优化设计。目前已有研究分析了板片材料、单片面积、流程、流道、流体速度等选取的原则, 并在综合考虑技术、经济、环境效益及节能的基础上, 提出了一种板式换热器计算机优化算法[ 8] 。这些可在今后板式换热器设计选用中作为参考依据。

 

  另外, 近年来关于水源热泵系统的新工质也有不少研究。在大量计算的基础上, 有学者提出一种低环害非共沸二元混合工质应用于低温及中高温地热水水源热泵系统中, 并结合实验给出了该系统运行中EER 等重要参数的数据及变化曲面, 不仅证明了该混合工质优秀的循环性能, 并有利于该系统进行智能控制, 为该项技术在实际工程中的推广应用奠定了基础[ 9, 10] 。遗憾的是, 关于该种二元混合工质的具体成分及实验配比尚缺少详细的介绍。

 

  2.3  其它类型的水源热泵

 

  综合土壤源热泵和空气源热泵的优缺点, 利用浅水池水作为冷热源将是一种很好的水源热泵系统改进形式。结合理论分析和实验可以看出:

 

  提高浅水池水下换热器性能, 改善土壤特性, 优化水池设计, 利用太阳能等措施可以有效提高整个浅水池水源热泵系统的性能。

 

  在一般的水源热泵系统中, 往往都要加装辅助热源或辅助排热装置。如果能够在水源热泵系统中合理利用太阳能, 对于节能和环保而言都将有重大意义。目前, 关于利用太阳能的开式环路水源热泵空调系统形式已有初步的研究[ 12] , 对7种不同的工况下系统的运行情况进行了比较, 并由此得出引入太阳能后系统的特点。但这些研究大部分是理论研究, 尚需具体的实验进行论证。

 

  生活及工业废水属于未利用能, 也是一种很好的水源热泵水源, 在有条件的地区, 可积极推广应用, 关于利用生活及工业废水的水源热泵, 目前典型的应用实例主要有两个, 一个是大连电力住宅大厦利用大连第一发电厂冷却循环水为热源的水源热泵系统, 另一个是山东兖州兴隆庄矿区单身职工公寓和新建住宅小区利用矿区内矿井水为热源的水源热泵系统。