水源热泵工作原理及其系统构成

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1、中国物业管理远程教育网(收集整理) 学习改变人生做成功物业管理人 水源热泵工作原理及其系统构成1、水源热泵工作原理及其系统构成“热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词得来。在自然环境中，水往低处流动，热向低温位传递。水泵将水从低处泵送到高处利用。而热泵可将低温位热能“泵送”（交换传递）到高温位提供利用。在我国暖通空调术语标准（GB50155-92）中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”； 在新国际制冷词典（New International Dictionary of Refrigeration）中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上

2、是与制冷机相同的，只是运行工况不同。其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（Coefficient of Performance ）。热泵有多种，以水作为热源和供热介质的热泵称为水源热泵。水源热泵性能系数（即COP值）高于空气源

3、热泵，系统运行性能稳定。水源热泵工程是一项系统工程，一般由水源系统、水源热泵机房系统和末端散热系统三部分组成。其中，水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。2、水源热泵对水源系统的要求水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。具体说，水源的水量，应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热量和制冷量将随之减少，达不到用户要求。水源的水温应适度，适合机组运行工况要求。例如，清华同方GHP型水源中央空调系统在制热运行工况时，水源水温应为1222

4、；在制冷运行工况时，水源水温应为1830。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。水源系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。3、水源原则上讲，凡是水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷复荷的需要，水质对机组设备不产生腐蚀损坏的任何水源都可作为水源热泵系统利用的水源，既可以是再生水源，也可以是自然水源。3.1 再生水源 是指人工利用后排放但经过处理的城市生活污水、工业废水、矿山废水、油田废水和热电厂冷却水等水源，有条件利用再生水源的用户，变废为利，可减少初投资，节约水资源。但对大多数用户来说，可供选择的是自然界中的水

5、源。3.2 自然界中的水源 自然界中的水分布于大气圈、地球表面和地壳岩石中，分别称之为大气水、地表水和地下水。陆地上的地表水和地下水均来自于大气降水。地表水中的海水约占自然界水总储量的96.5%。滨海城市有条件利用海水，国外有应用海水作热泵水源的实例。我国一些沿海城市利用海水作工业冷却水源已有多年历史。近年，国内有用海水作热泵水源的研究，但海水水源热泵技术的实用化尚待时日。陆地上的地表水，即江、河、湖、水库水比海水和地下水矿化度低，但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类等有机物较多，含砂量和浑浊度较高，须经必要处理方可作热泵水源。 地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层中的的水体。地下水分布广泛

6、，水质比地表水好，水温随气候变化比地表水小，是水源中央空调可以利用的较为理想的水源。3.3 水量与水源的选择 水量是影响水源热泵系统工作效果的关键因素，一项工程所需水量多少由该工程负荷与机组性能确定，所选择的水源水量应满足负荷要求。如果其他各种条件均具备，但水量略有不足，其缺口可采取一定辅助弥补措施解决。如水量缺口较大，不能满足负荷要求，就应考虑其他方案。 就某项具体工程而言，应从实际情况出发，判断是否具备可利用的水源。不同工程的场地环境和水文地质条件千差万别，可利用的水源各不相同，应因地制宜地选择适用水源。当有不同水源可供选择时，应通过技术经济分析比较，择优确定。4、水质自然界中的水处于无休

7、止循环运动中，不断与大气、土壤和岩石等环境介质接触、互相作用，使其具有复杂的化学成分、化学性质和物理性质。应用水源热泵时，除应关心水源水量外，还应关注水的温度、化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。但是，目前对水源热泵所用水源的水质尚无有关规定，本文所提数据参考了冷却水水质标准和某些地下水回灌水质的有关规定。4.1 温度 地表水水温 随季节、纬度和高程不同而变化。长江以北和高原地区，冬季地表水结冰，无法利用于制热供暖。夏季水温一般低于30，可用于制冷空调。地下水水温 随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。近地表处为变温带，变温带之下的一定深度为恒温带，地下水温不受太阳辐射影响。

8、不同纬度地区的恒温带深度不同，水温范围1022。恒温带向下，地下水温随深度增加而升高，升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为2.5/100m，大于这一数值为地热异常。富含地下水的地热异常区可形成地热田。据1997年统计数字，全国已发现地热点3200多处，开发利用130 处地热田，年开采地热水3.45亿m3。目前，许多地热用户排放弃水温度较高（约40）。应用水源热泵可使弃水中的30温差得到再利用，大大提高地热能利用率。4.2 含砂量与浑浊度有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀会造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下水回灌会造成含

9、水层堵塞。用于水源热泵系统的水源，含砂量应1/20万，浑浊度20毫克/升。如果水源热泵系统中装有板式换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应0.5毫米。4.3 水的化学成分及其化学性质自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体，使得水具有有酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等化学性质，对机组材质有一定影响。酸碱度 水的pH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。水源热泵的水源pH值应为6.5-8.5。硬度 水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。水源热泵水源水中的CaO含量应200 mg/L。矿化度 单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度，用于水源热泵系统的水源水矿化度应3g/L。

10、腐蚀性 水中Cl-、游离CO2等都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。应用水源热泵系统时，对腐蚀性、硬度高的水源，应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或鈦板换热器。5、取水构筑物从水源地向水源热泵机房供水，需建取水构筑物。依据水源不同，取水构筑物可分为地表水取水构筑物和地下水取水构筑物两类。5.1 地表水取水构筑物按结构形式地表水取水构筑物可分为活动式和固定式两种。活动式地表水取水构筑物有浮船式和活动缆车式。较常用的是固定式地表水取水构筑物，其种类较多，但一般都包括进水口、导水管（或水平集水管）和集水井，地表水取水构筑物受水源流量、流速、水位影响较大，施工较复杂，要针对具体情况

11、选择施工方案。5.2 地下水取水构筑物地下水取水构筑物有管井、大口井、结合井、辐射井和渗渠等类型，表1列出了地下水取水构筑物的型式及适用范围。在实际工程中，应根据地下水埋深、含水层厚度、出水量大小、技术经济条件不同选取不同形式。5.3 管井地下水取水构筑物中最常见的型式是管井，一般由井孔、井壁管、滤水管、沉砂管组成。井孔用钻机钻成，井壁管安装在非含水层处，用以支撑井孔孔壁，防止坍塌，井管与孔口周围用粘土或水泥等不透水材料封闭，防止地面污水渗入；滤水管安装在含水层处，除有井壁管作用外其主要作用是滤水挡砂；井管最底部为沉砂管，用以沉积水中泥沙，延长管井使用寿命。6、水源系统设计和施工中应注意的问题

12、6.1 供水水源的可行性研究拟采用水源热泵系统时，应先调查工程场地的供水水源条件，向当地水管理部门咨询或请专业队伍进行必要的水文地质调查或水文地球物理勘查，了解是否有适合水源热泵利用的水源，通过可行性研究，确定利用地表水或是地下水的供水水源方案。6.2 地表水源工程设计与施工当选用地表水源时，设计取水量要考虑水温因素和需水量的保证率，取水构筑物标高与洪水季节水位的关系。施工应同时考虑供水管和排水管的布置。6.3 管井工程设计和施工拟选择地下水源和管井取水方案时，对规模较大的工程，应根据所需水量和地下水回灌需要，结合场地环境和水文地质条件，按一定采灌比确定抽水井和回灌井井数、合理布置井位和井间距

13、。井深应大于变温带深度，以保证冬季水源水温度10。为防止回灌井堵塞，确保水源系统长期稳定供水，抽水井和回灌井应互相切换使用，因此各个井的井深和井身结构应相近。井中滤水管和滤网应有一定强度，能承受抽灌往复水流的压力变换。6.4 管井施工质量必须十分重视管井质量问题。应找专业队伍施工，做好每一工艺环节，建成优质井，才能获得较大出水量和优质水。一口优质井可以使用二十多年。成井质量不好，不仅影响井的寿命，还影响到取水和回灌效果，最终影响水源热泵正常工作和制热或制冷效果。甲方应参与最后阶段的抽水试验工作，认定可信和准确的抽水试验结果数据。管井竣工后，应由甲方、施工单位和行政主管部门或监理会同到现场，按合

14、同规定的水量、水温和水质进行工程质量验收。 形式 尺 寸 深 度(m) 适 用 范 围 出 水 量 (m3/d)地下水类型 地下水埋深 含水层厚度 水文地质特征管井 井径501000mm150600mm 井深201000m,常用300m以内 潜水，承压水，裂隙水，溶洞水 200m以内,常用在70m以内 大于5m或有多层含水层 适用于任何砂、卵石、砾石地层及构造裂隙、岩溶裂隙地带 单井出水量500-6000m3/d,最大可达2-3万m3/d大口井 井径210m,常用48m 井深在20m以内,常用615m 潜水，承压水 一般在10m以内 一般为5-15m 砂、卵石、砾石地层，渗透系数最好在20m/

15、d以上 单井出水量500-1万m3/d,最大为2-3万m3/d辐射井 集水井直径46m,辐射管直径50-300mm，常用75150mm 集水井井深312m 潜水，承压水 埋深12m以内,辐射管距降水层应大于1m 一般大于2m 补给良好的中粗砂、砾石层，但不可含有飘砾 单井为50005万m3/d,最大为3.1万m3/d渗渠 直径为4501500mm,常用为6001000mm 埋深10m以内，常用46m 潜水，河床渗透水 一般埋深8m以内 一般为46m 补给良好的中粗砂、砾石、卵石层 一般为1030m3/d.m,最大为50-100m3/d.m7、水质处理与节水技术7.1 水处理技术如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。在水源系统中经常采用的水处理技术有以下几种：除砂器与沉淀池 当水源水中含砂量较高时，可在水源水管路系统中加装旋流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和管阀遭受磨损和堵塞。国产旋流除砂器占地面积较小，有不同规格，可按标准处理流量选配除砂器型号和台数。如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池费用比除砂器低，但占地面积大。净水过滤器 有些水源，浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含