地表水水源热泵系统的设计

地表水水源热泵系统的设计

琚小飞

浙江中汇华宸建筑设计有限公司浙江省衢州市324000

摘要：我国南方地区的地表水资源丰富,其中蕴藏着丰富的低位热能,适合于发展地表水源热泵。根据项目使用要求,冷热负荷,水源条件,地表水源热泵系统对水温、水质和水量的要求等,进行了地表水源热泵系统的应用设计。

关键词：地表水源热泵；水系统；机房；自动控制

1引言

近年来节能环保的地源热泵技术越来越受到人们的关注。地源热泵包括土壤源热泵,地下水源热泵和地表水源热泵。我国南方地区有着丰富的地表水资源,长江中下游、西南地区、珠江三角洲和东南沿海地区的地表水资源在全国总量中所占的比例将近88%。南方地区地表水的温度变化范围比空气小,换热性能比空气好,是热泵比较理想的热汇热源[1]。

地表水源热泵就是利用江、河、湖、海的地表水作为热泵机组的热源和热汇.当建筑物的周围有大量的地表水域可以利用时，可通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组或将热泵机组的热量释放到地表蓄水体中。

2系统设计

2.1湖水温度分布的简化模型

一定的水体所能承担的负荷有一定的限度，否则会导致水温过高或过低，使机组的运行工况恶化。有必要对排热取热给水温分布带来的影响进行预测。夏季运行时，超温水体单位面积散热量比自然水体大，这使得废热能通过超温水体表面散出。冬季运行时，热泵机组需要从地表水体中提取热量，水温低于自然水温的冷水排入水体，经过紊动掺混后流向远区。水温更低的水排入后水温如何恢复的问题在实际中很少见,在这里将这种水温低于自然水温的水体称为弱温水体。弱温水体单位面积散热量比自然水体小,其净得热量为正值,这会使水温得到一定的恢复,这部分热量来源于太阳短波辐射和天空长波辐射。

2.2水源系统取水方案

采用开式水源热泵系统,据实地测算,湖水夏季计算温度取26℃,冬季计算温度取6℃。经分析计算,湖中取水处的深度约3.5m,取水口位于水面以下2.5m。水源系统由取水头部、引水管、泵房、水泵、供水管、水处理装置、回水管和排水口组成。常规水源热泵利用的是深井水,深井水的回灌问题是困扰水源热泵广泛应用的一大障碍,而且打井造价较高,增加初投资,加长回收年限。与气温相比,湖水温度一年四季的变化比较小,具有冬暖夏凉的特点。因此,如果空调建筑物附近有可利用的江、河、湖、海,而且冬季水温一般不低于4℃,利用地表水作为空调的冷热源是既节能又经济的方式。它可以大大降低空调采暖的能耗,减轻用电高峰期负荷,避免玻璃钢冷却塔的放置而影响建筑外观,减少燃煤锅炉所排放的污染物及其所带来的管道投资,改善大气环境和城市生态环境,符合当今世界可持续发展的要求。地表水源系统受水资源条件及气候条件的影响较大,适用性受到限制,需要考证水源的水温、水质、水量的可靠性,并采取适当措施进行水处理。要根据当地的实际情况,因地制宜地选择空调冷热源。

2.3取水头部

开式地表水换热系统的取水口，应选择水位较深、水质较好的位置，同时应位于回水口的上游且远离回水口，避免取水与回水短路；取水方式可根据水体情况选用直接式、沉井式或者船坞式等，但是取水口均应设置污物沉淀、过滤、和保护装置，取水口流速不宜大于1m/s。开式地表水换热系统应根据水质条件和水质分析结果采取相应的过滤、灭藻、防腐蚀等可靠的水处理措施，同时选用适应水质条件的材质制造的制冷剂-水换热器或中间水-水换热器，并选择合适的换热器污垢系数；经过处理的排放水不应污染本体。开式地表水系统中间的换热器宜选择板式换热器，且进换热器的地表水温度与出换换热器的热泵侧循环水温度之差≤2℃，中间换热器的阻力在70~80KPa之间，不应大于100Kpa；换热器地

表水侧宜设反冲洗装置。取水头部由3组U-PVC贴砾滤水管制成,贴砾层空隙小于0.5mm,可以过滤水中泥沙。采用销连接方式,将两根滤水管连接成一组。取水头安装于湖中央底部,挖深至水面以下3.5m,湖底用混凝土进行硬化处理,作为取水头部基座。基座面积4m×3m,厚1.5m。每组滤水管固定于基座的支架上,支架间隔1.5m。3组滤水管通过四通接头汇接于引水管。取水头部外面再用20～40目尼龙栅网包裹,以阻拦水草、树叶等较大尺寸的污物。网上的污物较多时,设备自行启动反冲洗功能,将污物从旁通管清除。反冲洗时,装置仍然维持过水能力。反冲洗时间长短可以根据情况设定。水头部安装于人工湖中心水面以下,安全隐蔽,不易遭受损毁。取水头部结构简单,有效实用,节省投资,施工便利。U-PVC管耐腐蚀性好,不生锈,不用做防腐处理,使用寿命长,内部光滑,不结垢,水流畅通,不易堵塞。过滤管之间采用销式连接,便于拆卸清洗,检查维护方便。

2.4水源水管

虽然湖水的含盐量及矿化度低,但是敞开水体含氧量较高。综合考虑抗腐蚀性及经济成本,水源水管(包括引水管、供水管、回水管)均选用U-PVC塑料管。另外,水源水管上的附件和阀门,也选用抗腐蚀产品。引水管一端通过变径弯头连接在取水头部的四通接头上,另一端与泵房中的水源水泵连接。引水管沿河底东侧铺设。供水管沿管沟直埋,埋深1m,由泵房铺设到机房。为了减少回水对取水温度的干扰,并且使回水与湖水进行充分的热量交换,将排水口设置在距离取水口约150m的南端。

2.5水处理装置

尽管湖水中基本无水藻、沙子等杂质物,但为了防止水源水系统的阀门、管件、换热器等设备及其附件在实际运行中被堵塞,而妨碍系统的正常运行,在本系统中设置盖压式全自动过滤机。供水管中的水源水流经过滤器后进入板式换热器,与水源热泵主机进行热交换。盖压式全自动过滤机具有自动清洗能力,当过滤网上的污物较多时,设备自行启动反冲洗功能,将污物从旁通管清除。反冲洗时,装置仍然维持过水能力。反冲洗时间长短可以根据情况设定。

一定的水体所能承担的负荷有一定的限度,否则会导致水温过高或过低,使机组的运行工况恶化。有必要对排热取热给水温分布带来的影响进行预测。夏季运行时,超温水体单位面积散热量比自然水体大,这使得废热能通过超温水体表面散出。冬季运行时,热泵机组需要从地表水体中提取热量,水温低于自然水温的冷水排入水体,经过紊动掺混后流向远区。水温更低的水排入后水温如何恢复的问题在实际中很少见,在这里将这种水温低于自然水温的水体称为弱温水体。弱温水体单位面积散热量比自然水体小,其净得热量为正值,这会使水温得到一定的恢复,这部分热量来源于太阳短波辐射和天空长波辐射。开式湖水源热泵系统的排水量较小。湖水速度场一般在较短的时间内便会达到稳定,可以将流动按定常流处理。

3经济性分析

由于地表水源热泵系统利用江河湖泊作为水源热泵系统的水源,因此不用打井,无冷却塔并不影响建筑外形立面,但需要增加室外管网投资。由于水源热泵机组为一机两用制冷、制热或一机三用制冷、制热、生活热水,因此在初投资方面与其他形式的集中空调系统相比具有优势。

结论

在建造地表水源热泵系统前,对热泵机组排热取热给湖水温度分布带来的影响进行了预测。采用简化模型计算了制冷和制热运行时湖水温度的分布情况,为系统的优化设计提供了依据。该系统投入运行以来的情况表明,制冷运行时

的进水温度低于大多数空调用冷却塔的出水温度。除冬季水温极低时需启动辅助加热装置外,其他时间系统均能稳定运行。对该系统和风冷热泵的COP进行的测试表明地表水源热泵的COP值和运行稳定性均优于风冷热泵。试验可以为类似地表水源热泵系统的设计提供参考。

参考文献

[1]李艳.可再生能源.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]荣华、徐莹、孙德兴、任南琪.暖通空调HV&AC.北京:中国建筑工业出版社,2008.