水源热泵机组的节能效果及环境影响分析

水源热泵机组的节能效果及环境影响分析

刘婷

天津中机建设工程设计有限公司天津300381

摘要：近年来水源热泵机组的节能效果及环境影响得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了水源热泵的现状，以及水源热泵技术的特点。在探讨节能型水源热泵机组的同时，结合相关实践经验，就工程应用实例展开了研究，阐述了个人对此的几点认识看法。

关键词；水源热泵机组；节能效果；环境影响

1前言

水源热泵机组作为应用中的重要方面，其节能效果及环境影响的关键性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对水源热泵机组节能效果及环境影响的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化其在实际应用中的整体效果。

2水源热泵系统原理和节能原理

水源热泵机组主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀组成.压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵系统的心脏；蒸发器使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器将从蒸发器中吸收的热量连同压缩机做功消耗所转化的热量传递给冷却介质，达到制热的目的；膨胀阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量.根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热。

3水源热泵系统的节能应用

3.1水源热泵的技术经济性

首先，水源热泵技术以水为载体提取土壤以及水中的热量。地表土壤和水体每年接收的太阳能数百倍于人类每年利用的能源，这些能源的一部分通过土壤传递给地下水体；同时，水体通过太阳能辐射直接或间接地得到补充，这相当于间接地利用近乎无限的太阳能。其中可以利用包括地下水体、河流、湖泊以及海洋等水体作为冷热源。地表土壤和水体作为一个大型的集热装置，能够收集47%的太阳能，且能够构成一个大型的动态能量平衡系统。存储于其中的太阳能的散发和接受相对较为均衡，因此，水源热泵利用的是清洁的可再生能源。

其次，水源热泵技术是一种高效环保节能技术。水源热泵机组可利用的水体温度长年保持在10~25度，在冬季，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环中的温度T提高，能效比也提高。在夏季，水体温度比环境温度低，所以制冷的温度T降低，使得冷却效果好，冷却效率高。水源热泵机组供热时省去了传统的锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排尘污染；供冷时省去了冷却塔噪音及霉菌污染以及向大气中排放热量而造成的“热岛效应”，是一种真正的节能环保绿色产品。

水源热泵技术具有良好的经济性。根据已有的应用实例来看，设计安装良好的水源热泵，平均来说，相对于传统供热制冷系统，可以节约用户1/3以上的运行费用。

3.2水源热泵系统的优化设计

作为一门发展中的技术，水源热泵系统的优化设计是十分重要的.在跟踪国际热泵先进技术的同时，作者最近研究了多种型号的水源热泵。热泵采用了Danfoss公司最新生产SM185涡旋压缩机，为解决单台压缩机功率偏小的问题专家开发了4台压缩机并联使用技术，4台压缩机根据能量的需求可同时使用，也可单机使用。经中国计量科学研究所测试，其能效比COP达到4.6.目前这种型号的热泵应用于中原油田、山东德州以及北京的一些单位。用户反映不仅达到了节能环保的目的，同时也为应用新能源开辟了新的领域，取得了很好的社会效益。在控制方面，水源热泵控制系统必须完成整个机组的自动运行，同时实现对机组的各项保护。系统通过温度传感器检测水温，根据温度变化启动压缩机和水泵，使出水温度稳定在设定的范围内。为了压缩机的安全，必须保证压缩机不频繁启动，当出现水断流，压缩机压力过高或过低以及水温过高或过低时，自动保护停机。同时，由于压缩机是价格昂贵的大功率器件，设计中必须增加一些电流保护、电压保护和相位保护器。在设计时，应根据所需要完成的工况，需要控制的水泵电机、压缩机等设计合理的主控制电气线路。

4控制系统设计

4.1水源热泵系统设备

以某高校图书馆水源热泵系统为例，有2台螺杆压缩机（1台备用），每台压缩机输入功率65kW，每台压缩机带有3个能量调节电磁阀，使压缩机能分别工作在25%，50%，75%和100%能级。每台压缩机带有排气温度过高保护，内部温度过高保护，高、低压力保护，油压差保护，均为开关量。系统有循环泵2台（1台备用），功率均为11kW；水源泵2台（1台备用），功率均为15kW。每台泵各匹配一个变频器。系统设水流开关2个，分别用于控制循环水水流和水源水水流，2个水流开关中任何一个断开时，压缩机都不能起动。这些设备和保护元件都需要检测其运行状态和起、停控制，都是开关量。

4.2控制系统硬件配置

根据系统分析和控制要求，系统要求的输入点数有：系统启动/停机按扭2点、水泵热保护2点、出水温度过低保护1点、供油温度保护1点、压缩机内部高温保护1点、压缩机高/低压保护2点、压缩机过流保护3点、水流保护2点、反向运转保护1点。共有输入开关量15点，温度模拟量输入4点。系统要求的输出点数有：水源泵驱动5点、循环泵驱动5点、压缩机驱动6点。共计输出开关量16点。根据系统特性及以上系统要求的输入/输出点数，考虑20%的裕量，选择日本欧姆龙（OMRON）公司生产的PLC系列产品组成控制系统，包括1台PLC（型号CP1H-XA40DRA）、1台触摸屏（型号NT5Z-ST121B-EC）、4台变频器（3G3RV系列）、1台温度传感器单元（型号CPM1A-TS102）。触摸屏通过RS-232C串行通讯接口（加选件板CP1W-CIF01）连接到PLC，变频器通过多速段端子连接到PLC的开关量输出端，温度传感器单元通过其所带的扩展I/O连接电缆和PLC相连，4路Pt100直接连接在温度传感器单元的接线端。触摸屏和PLC均通过外围设备USB端口与电脑连接。

4.3控制系统软件设计

系统是以回水温度为控制目标的，通过控制压缩机的能级及水泵的流量，实现回水温度的预期目标。本程序主要解决现场各泵的启停、切换、模拟量的处理和与触摸屏通信数据的处理等。因此可以将程序分为4个部分：系统初始化程序、模拟量处理程序、触摸屏通信程序和主控程序。当主控程序运行时，检测到温差超过触屏设定值后，程序自动跳入中断处理子程序，及时调整变频器输出频率，从而提高或降低水泵的转速，使水源热泵的温度固定在一定的范围内，满足人体舒适感要求。此外，在程序的编制过程中要优先考虑水泵的运行状态及互锁关系，避免烧坏变频器。同时要设定好RS-485端口的属性值和波特率，还要确保程序的地址值和触屏按钮的地址一一对应，否则通过触屏按钮无法控制系统的运行。

触摸屏系统主要由系统设置、PID参数设置、运行模式选择、温度显示、故障报警及复位等界面组成。在触摸屏上可以通过运行模式进行软启动PLC去控制电机的运转，PID参数可以用小键盘进行设置并控制处理，在温度界面还能够显示出进出水口相应的变化，如果出现报警信号，就可以根据报警复位系统在第一时间知道报警人所在的方位，并以最快的速度安排现场人员前去解决问题，大大的提高了解决问题的效率，实现一体化的现场管理。

5结束语

综上所述，通过改进热泵机组的结构，改变蒸发器水系统的串联与并联，既实现了节约地下水的取水量，减少取水井与回灌井的数量，又合理使用了蒸发器的换热面积，同时提高了系统的制热量及能效比。这样既减少了初投资，又降低了运行费用，具有显著的经济效益和社会效益，对水源热泵在我国的应用与发展将起到推动作用。

参考文献：

[1]孙强.浅谈水源热泵技术的国内外发展现状及趋势[J].佳木斯大学学报（自然科学版）.2007（03）