南方地区开式湖水源热泵的应用

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1、南方地区开式湖水源热泵的应用陈晓张国强林宣军林汉柱摘要：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，适合于建造地表水源热泵系统。2004年，在湖南省湘潭市城市中心区建造了利用湖水的试验性的开式水源热泵区域供冷供热系统。建造该系统前对运行时湖水水温分布进行了模拟分析。对系统投入运行以来每日的湖水进水温度进行了监测，对湖水源热泵和风冷热泵的能效比进行了测试。测试结果表明，该湖水源热泵的能效比及运行稳定性均优于风冷热泵。关键词：开式湖水源热泵应用研究模拟　1前言　　节能环保的地源热泵技术越来越受到人们的关注。按照ASHRAE

2、handbook规定的标准术语[1]，地源热泵包括土壤源热泵，地下水源热泵和地表水源热泵(Surfacep，S以下的水温在一天中变化很小，是水源热泵较理想的低位热源。　　湘潭城市中心区有面积为56000m2的人工湖，2003年以来，中心区内陆续建成和将要建成市委大楼、市政府大楼、广电中心和大剧院。这四幢建筑相距非常近，都离人工湖不远，适合于建造水源热泵区域供冷供热系统。2004年夏季该系统建成并对市政府大楼和大剧院供冷。本文介绍前期研究工作及系统试运行的测试结果及分析。　　2系统介绍　　地表水源热泵分为闭式和开式两种形式。闭式系统

3、将换热盘管放置在湖底或河的底部，通过盘管内的循环介质与水体进行热交换。冬季制热时，一般采用防冻液作为循环介质。这种系统容量一般比较小。在开式系统中，从湖底或河的底部抽水，送入板式换热器与循环介质换热；在冬季水温较高的南方地区，也可以将水处理后直接送入热泵机组，换热后在离取水点一定距离的地点排放。开式系统的换热效率比闭式系统高，初投资低，适合于容量更大的系统，该系统为开式系统。　　系统的构成见图1。中央机房位于一个公共广场的地下层，与各建筑的距离均不到280m。人工湖平均水深2.7m，取水处深3.5m，取水点在水面下2.5m处，距机

4、房约100m，湖水泵和水处理装置均位于机房，多台螺杆式热泵机组并联。为防止进水温度较低时蒸发器可能出现结冰，在湖水泵的出口设有辅助加热器，热源为来自附近一家宾馆的蒸汽。如果湖水温度低于7℃，湖水需在辅助加热器中加热到7℃后再进入蒸发器。　　敞开水体中的水不宜直接通过机组，先要进行净化处理。采用投药的化学处理方法会污染湖水。该系统使用物理方法处理湖水。湖水首先进入旋流除砂器，除去水中的颗粒物；然后通过综合水处理器，利用其中的高频高压电场及复合过滤体系进行杀菌灭藻和净化过滤处理。对处理前后的水质进行了检测（见表1），含沙量和浑浊度这两

5、项变化最明显，处理后各项指标均能满足机组的要求。　　表1处理前后的水质对比含沙量（mg/L）浑浊度（NTU）PH值总硬度（mg/L）处理前57.6528.16162处理后105.38.11155.2　　　　图1系统构造示意图　　3湖水温度模型　　对一定的水体而言，所能承担的负荷有一定的限度，否则会使机组的运行工况恶化。在应用湖　　水源热泵前，采用模拟的方法对放热、取热给水温带来的影响进行了预测。对于湖泊、池塘用作热泵的热源（汇）或热电厂的冷却池，多采用二维模型，如　　5测试结果及分析　　5.1湖水进水温度测试结果　　自系统投入运行

6、以来，每日均对进水温度进行监测。图4表示的是2004年夏季运行时每日的最高进水温度，夏季最高进水温度为31.6℃，比模拟结果高0.9℃，低于大多数空调用冷却塔的最高出水温度。图5表示的是冬季运行时每日的最低进水温度。随着气温下降和不断取热，进水温度不断下降。有17天的时间进水温度低于7℃，需要启动辅助加热装置。　　大多数建筑的冷负荷比热负荷大，如果土壤源热泵的埋地换热器不是足够大，夏、冬季放热与取热的不平衡往往会造成进水温度在以后的年份里逐渐增大。不过这种不平衡并不会对地表水源热泵以后年份的运行带来影响，这是因为地表水体会不断与外

7、界进行热交换，具有水温自我恢复能力。　　　　图4制冷期进水温度的变化情况　　　　图5制热期进水温度的变化情况　　　　5.2地表水源热泵和风冷热泵性能比较　　为了比较南方地区地表水源热泵和风冷热泵的性能，对不同水温、气温时该系统和螺杆式风冷热泵的COP进行了测试，风冷热泵的测试地点选择在中央机房附近的电信大楼。　　进出水温度由系统检测并显示，流量测试采用超声波流量计，机组和水泵的功率通过低压配电　　柜显示的电流、电压及功率因数计算出，测试时机组的负荷率均在90%以上。图6为夏季和冬季不同水温和气温下螺杆式水源热泵机组、地表水源热泵及

8、螺杆式风冷热泵的COP。测试结果显示，考虑湖水泵功率时地表水源热泵的COP仍高于风冷热泵，地表水显示出优于空气的换热性能。所测试的风冷热泵的夏季最高运行气温达到36.2℃，冬季最低运行气温为4.3℃，过高、过低的气温使风冷热泵的COP下降较快。地表