高性能水源热泵技术研究分析

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一  前言
　　我国除南方地区天气较暖，仅需夏季供冷外，其它大部分地区都为夏热冬冷，故需夏季供冷，冬季供热。其冷热源过去主要有以下几种形式：
　　风冷热泵(冷水机组)。一般用于长江流域地区。北方山东、河南、天津、北京、陕西地区也有应用报道。
    (电或溴化锂)冷水机组+锅炉（或城市热网）。燃煤锅炉已在许多城市被禁用。
$ {5 y6 m4 e+ ]2 N    溴化锂直燃机。各地区都有应用。
　　由于北方地区冬季寒冷，风冷热泵仅可用于过渡季节供暖，而锅炉的使用又受到城市地区有关容量的限制，溴化锂直燃机的燃料价格随着油价的上涨，过去使用较多的燃油型溴化锂机组的使用费用较高。故近几年来，在能够使用井水、江河水的地区，水源热泵（有厂商称为水水热泵、地源热泵）系统正日益受到青睐。
　　目前在东北、北京、山东、河南、湖南等地已有许多工程采用了水源热泵系统。当前促使业主与设计单位采用这种空调系统的主要推动力是：①城市环保要求不允许设置锅炉房与烟囱，无环境污染；②可为工程同时解决空调冷、热源问题；③初投资费用和运行费用省；④冬季供热效率在3.2以上。这些推动力对水源热泵较快地进入实际工程，无疑起着重要的推动作用，为打破我国空调方式与空调系统过分单调的局面，起着较好的促进作用。
6 T( f5 P6 P+ m; K- f; Z　　水源热泵系统发展较快，市场前景良好，但也存在良莠不齐现象。故撰写本文，试图对水源热泵系统主机技术进行分析，以利于帮助厂商、客户和设计师正确设计、选型和应用。
二  水源热泵工作原理
　　作为自然界的现象，热量总是从高温区流向低温区。如同把水从低处提升到高处而采用水泵一样，采用热泵可以把热量从低温区转移到高温区。
; P2 u2 L+ V$ H) J% o! H　　热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置组成。压缩机起着压缩和输送制冷剂从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏； 蒸发器是输出冷量的设备，它使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却介质的热量，达到制冷的目的； 冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；节流装置对制冷剂起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。
　　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，使制冷剂不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
　　蒸发器、冷凝器根据制冷剂与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式、水—空气式、空气—水式和空气—空气式共四类。
8 w  |* [7 h4 t8 @2 d( ]　　水源热泵是利用水进行冷热交换来作为热泵的冷热源，本文仅研究水-水式水源热泵。图2中，水源热泵冬季把外界水源中的热量“取”出来，通过水源热泵制取热水供给室内采暖；夏季通过水源热泵制取冷水把室内热量取出来，释放到外界

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三  性能系数
　　首先考虑理想的制冷循环，系统的性能系数完全取决于冷凝温度Tc和蒸发温度Te。
9 q4 D8 n  Z, z4 c  c0 z　　供热循环的COP值比制冷循环小，冷凝温度为48 ℃时，供热性能系数约为冷凝温度38 ℃时，制冷性能系数的88%；冷凝温度为58 ℃时，供热性能系数约为冷凝温度38 ℃时制冷性能系数的73%。
　　实际循环的吸气饱和温度要略低于蒸发温度，排气饱和温度要略高于冷凝温度，但仅零点几度，差异很小。压缩机的机械损耗、压缩余隙的损耗，吸排气阀损耗、端盖部分的温度损耗和电机效率，使得压缩机的综合效率一般仅为50-68%。这样，水源热泵实际性能系数大为降低，但实际循环COP随蒸发温度、冷凝温度变化规律和理论循环是一致的。
　　一些厂商宣传中夸大供热性能系数，如冷凝器热水出水温度55℃时供热性能系数为4.2-5.6，而夏季冷凝器冷却水出水温度在30-37 ℃时性能系数仅为4.1-4.6。这种做法是有违热力学规律的，并会误导用户，最终影响水源热泵的健康发展。
/ f8 z! ]& A# G% E  z4 w四  制冷剂
- w2 n% `: l1 a% x　　CFC制冷剂，由于其大气寿命很长且含氯量高，已不再为水源热泵选择。水源热泵产品多使用R-22或R134a，由于R22的压力比R134a高，在热水温度很高的场合，常使用R134a。
　　水源热泵由于冷凝温度的升高，导致冷凝压力增高，但不同的制冷剂在不同温度下的压力变化是不同的。表示在不同温度下制冷剂的饱和压力。相同温度下R134a制冷剂饱和压力低于R22制冷剂饱和压力。水源热泵使用R22制冷剂对于蒸发器和冷凝器等压力容器的设计要求将提高，使用R22制冷剂的水源热泵热水水温建议不要超过56℃。

五  压缩机
　　大型水源热泵机组，往往选用半封闭螺杆式压缩机或活塞式压缩机。
　　活塞式压缩机性能可靠，易维护，性价比实惠。螺杆式压缩机零部件少，结构简单，容积效率高，其夏季制冷运行季节制冷性能系数比往复压缩机高6-20%，冬季运行供热性能系数比往复压缩机提高12-20%。对于比较寒冷、热水温度在56℃以上场合推荐使用螺杆压缩机。
　　另外，一台机组中采用多台压缩机，可以降低启动电流，配以一定的控制程序，可在部分负荷时轮流使用，延长压缩机使用寿命，并且部分负荷时效率比单压缩机机组要高。即使一台压缩机出现故障，其余压缩机仍可继续工作。
六  节流装置
　　由于制冷、制热工况不同，制冷剂循环量变化大，必要时，需两个或多个热力膨胀阀以适应工况要求。在液态管路阻力大的场合，要注意适当加大相应膨胀阀的孔量，以免出现供液不足的情况。
8 M- S! o- U" L1 C+ ]: F4 ?4 w    水源热泵的生产厂家应注意电子膨胀阀的应用研究。就电子膨胀阀本身特性而言，它可以控制各回路的吸气压力及过热度，控制制冷剂循环量，比热力膨胀阀更为有效地适应负荷的变化，使机组部分负荷性能得到提高。
% t8 r; d0 X9 [% k+ g    现在已有采用进口1500 分级步进电机驱动的电子膨胀阀，它可快速响应、精确控制制冷剂蒸发量维持冷水或热水温度稳定，尤其适合于水源热泵冷凝温度制冷、供热季节变化大的要求。

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七  控制系统
　　分析水源热泵制造商的技术资料，控制系统水平参差不齐。虽然，微电脑技术已得到普遍使用，但多数厂商的控制系统仍停留在开停机、参数显示和具有简单保护功能水平。个别技术源自国外的合资企业产品控制系统较先进，能够根据制冷和供热运行情况，对机组冷热运行进行精确显示、控制和保护。采用先进的控制系统将使得水源热泵能够更加高效、可靠稳定运行。
　　用户操作界面。常采用触摸屏，可以有效地进行参数、故障显示。水源热泵的机房环境夏季温度高、冬季温度低，必须注意机房温湿度的控制，以及控制柜内的温度控制，温度高和低都会影响触摸屏的寿命。值得注意的是，国外技术中，近来采用微电脑控制的图形化用界面，可以突破语言障碍，操作人员可以通过表示为图形的按键，进行快捷操作。实现进出冷水温度和热水进出温度，蒸发压力、冷凝压力及温度，油过滤器压差和油温，电机温度，电子膨胀阀开度，压缩机运行小时数及机组运行小时数等显示。同时由于采用工业设计标准开发，充分考虑机房环境，可靠性较好。
+ Z& d/ s- x8 ~: b+ O! x　　冷热水温度控制。采用PID 控制算法可保证蒸发器和冷凝器出水温度恒定，避免机组频繁启停，有效保持机组运行的稳定性和经济性。通过连续监视蒸发器冷水进口温度以精确控制机组负载，并控制机组启动时蒸发器出水温度降低速率在0.1~1.1℃ /分钟，有效避免过冷水出水温降速率过快导致的能量浪费，提高机组性能系数，延长机组寿命。
　　机组的控制。应能自动控制各制冷回路以及各回路中的每台压缩机的启停及上下载顺序，以均衡各回路及压缩机的运行时间。 实现冷水及冷却水泵的联锁，保证机组高效安全运行。
# D* e3 N' N7 f. Q! r; v4 D# y    故障预诊断和报警。机组启动前通过快速模拟检测确认机组的各个开关、传感器、电压和压缩机是否正常。运行中通过人机界面显示各种设置点及实际运行参数，监视机组运行必要时报警。还能对机组进行有效的保护，如冷水出水温度过低、油压低、制冷剂压力高、漏电流、电机过载、电压过高及过低和缺相、冷(热)水流量低保护等。一些机组可以提供百余种显示和报警信息，根据报警信息再采取相应的方法即可解除。
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八  其它零部件的设计和选择
　　冷凝器和蒸发器主要以壳管式为主，设计压力应在水源热泵最高冷凝压力以上，按照壳管式压力容器标准进行设计。其传热管多采用内外侧强化传热管。满液式蒸发器一般比干式蒸发器效率高，易于维护，并可以在夏季外界水源温度低、而冬季外界水源温度高时，分别将二台机组冷凝器和蒸发器进行串联，以节约水量、提高效率。采用板式换热器的冷凝器和蒸发器已经出现，这可使机组设计得更为紧凑，但需注意解决维护简便性和换热器可靠性问题。
　　采用满液式蒸发器时，油分离器作为水源热泵的重要部件，分设置在压缩机内和压缩机外两种形式。水源热泵夏季冷凝器冷却水温度常较低，若油分离器分油效果不好，会导致压缩机缺油。设置在压缩机内因受空间限制，分油效果不如设置在外部为好，但较紧凑。外置式油分离器常和冷凝器组合在一起，分油效果佳。
+ R/ g3 G' h. \传感元件宜采用国外知名厂商的产品，并确认符合水源热泵的使用条件。
) I& j% }: ^3 N, s& j" J　　机组蒸发器和冷凝器应进行保温，以节约能源，提高机组效率。
九  结论
2 N0 E  y) z3 C7 }& E) w　　作为在空调暖通领域应用热泵技术，应对水源热泵主机开展综合研究，正确选择机组的制冷剂、压缩机、节流装置和其它合适的元器件，并设计开发先进可靠的控制系统、换热器和油分离器，以确保能够提供高效可靠的水源热泵主机，从而扩大低品位能的应用范围，为寻求暖通空调冷热源的最佳解决方案而努力。