我国水源热泵研究现状

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安建筑科技大学 作者:王芳

  分析了近年来我国水源热泵的发展动态,对应用较多的地下水水源热泵、地热水水源热泵等的研究状况进行了重点论述,并在此基础上进一步指出了我国水源热泵研究与应用中存在的一些不足之处及有待深入研究和改进的方向。

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75132 元/m2,制冷总运行费减少451.5%,供暖总运行费减少35.5%。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80000m2,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。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。此外,关于水源热泵系统设计的应用程序也有相关介绍。

  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。

  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 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。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。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 ,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。

3、有待解决的问题及改进方向

  3.1、系统研究方面

  水源热泵机组工况参数的确定以及性能的适用性直接关系到水源热泵系统的全年正常运行和能量消耗,但是目前我国还没有具体的标准可循。由于水源热泵是采用井水、地热水、湖泊水、河流水、生活及工业废水等作为热源,而地下井水温度一般为8 ~ 20℃ ,河湖地面水温度一般为0 ~24℃ ,地热水温度一般都在40~45 ℃以上,其温度范围有较大差异,将其笼统纳入一个标准是否合适也值得进一步研究讨论。同时,在水源热泵系统中,不同的换热方式、不同的换热器形式对整个系统影响尚缺少详细的比较。此外,不同地区、不同深度的地下水水温不同,它们对系统各部分的工况以及系统整体性能的影响目前还没有很详细的研究。同时,如何实现水源热泵机组的各部分优化匹配也需要进行更详细的研究。

  在以往的热泵中,一般都采用R22 作为制冷剂,而根据蒙特利尔议定书,作为中间替代物的R22 也将于2010年禁止使用。所以,应该考虑采用新的工质如:R134a,R407c,R410A,混合工质(HCFC-123/HFC-134a) 以及天然工质CO2在热泵中的应用,以进一步提高热泵的工作及环保性能。受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响,水源的基本条件的不同,水源热泵的一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说,水源热泵的运行效率较高、费用较低,但与传统的空调制冷取暖方式相比,在不同的地区不同需求的条件下,水源热泵的投资经济性会有所不同。如果能够对水源热泵适用的各个主要地区进行详细的经济性分析,将对水源热泵的推广使用起到积极的作用。

  关于空气源热泵、土壤源热泵、水环热泵等已有相关的全年能耗分析软件可为其应用提供重要参考,但对于水源热泵而言,这方面还有待进一步研究。另外,目前国产水冷式空调器用于地下水水源热泵不尽合理,需开发与之相适应的产品。

  3.2、关于水体应用研究方面

  由于水源热泵的应用受地域限制较多,不同地区的不同政策、不同水质地层结构将对水源的出水、打井投资、回灌技术等提出不同程度的要求; 而各个地区的初投资、运行维护费用等也不尽相同,因此应对水源热泵作出更为合理的技术经济评价。这也是水源热泵可以得到进一步推广和应用的关键。我国国土广阔,不同地区的具体条件不同,水源热泵等并非都适用,现在还缺少对各个典型地区水源热泵应用情况的分析,以便进一步明确水源热泵合理的应用区域范围。另外,关于水井老化、回灌困难等问题,一般文献都说得很笼统,并没有很明确地指出水井的一般使用年限是多少,在实际应用中有可能遇到什么问题,怎解决。关于水质净化的实现方式及经济分析也少有研究介绍。而水源热泵采用闭环系统,其中地表水、河川水、海水等自然水体经升温或降温后再排回水源当中去,这从生态上来讲是否合理也应加以探讨。

  技术方面,水源的探测开采技术需要提高,但相应的开采费用需要降低。为了避免可能产生的地面沉降问题,还应该尽量使含水层抽灌水量平衡,即求抽灌水尽量在同一含水层进行(这项技术目前还很难达到,应结合当地情况考虑回灌方式) 。

  3.3、关于太阳能与水源热泵综合利用的新技术关于太阳能和水源的组合使用问题目前还没有太多的研究,其应用合理性、经济性还未得到详细的论证。关于太阳和土壤的联合使用虽然有研究,但从文献中可以看到,其总体平均供热系数仅为2.78,如何进一步提高COP 值还值得进一步研究。此外还可以因地制宜开展关于土壤、水源、空气、太阳能、地热、废热等的双联甚至三联热泵的研究,以此来扩大热泵的应用范围,满足用户需求。

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