水源熱泵空調系統簡要概述

來自專欄暖通南社

水源熱泵機組是指以水為熱源(匯)的可進行製冷/制熱的一種整體式熱泵機組，通常是水/空氣或水/水兩種水源熱泵機組。

目前常用的有兩類：

一是小型的水/空氣熱泵機組和水/水熱泵機組 (四通換向閥功能轉換)；

二是可用於集中供熱、供冷的水/水熱泵機組，它以地下水、地表水、城市污水為熱源(閥門轉換)。

水源熱泵機組根據用途的不同，在ISO13256-1標準中被分為三種：

（1）水源熱泵：此種熱泵是採用循環流動的水作為熱源熱匯，而低品位熱能主要取自建築自身的餘熱，不足者由外部熱源補充。

（2）地層水源熱泵：此種水源熱泵機組採用水井、湖泊、河流作為熱源熱匯，此時，低品位熱能取自天然水體。

（3）地源閉式環路熱泵此種熱泵採用閉式循環流體作為熱源與熱匯，低品位熱能取自土壤或地面水。

1.地下水源熱泵系統

2.地表水源熱泵系統

3.海水源熱泵系統

4.污水源熱泵系統

影響水源熱泵系統運行性能的因素：

水源的水量、水溫、水質和供水穩定性是影響水源熱泵系統運行效果的重要因素。

熱源(熱匯)循環水系統的水處理方法：

水源熱泵機組的水源可使用程度總體上用兩大指標來衡量，即水質指標和水溫指標。

水質指標指的是水的濁度、硬度以及藻類和微生物。

水溫指標指的是水源在冬、夏季的溫度狀況。

地表及淺層的水源一般都是生水。它們需經過水處理後方可送入機組使用。水處理方法主要有：除砂，除鐵，化學方法(俗稱加藥)，靜電處理，磁化處理，離子交換，高頻電子，防垢，防腐，防生物粘泥，防止海水腐蝕和防治海生生物，污水的防堵塞與防腐蝕。

水源熱泵空調系統設計要點：

1.水文地質工程勘察：

工程場地狀況調查的主要內容：

場地規劃面積、形狀及坡度；

場地內已有建築物和規劃建築物的佔地面積及其分布；

場地內樹木植被、池塘、排水溝及架空輸電線、電信電纜的分布；

場地內己有的、計劃修建的地下管線和地下構築物的分布及其埋深；

場地內已有水井位置等。

地下水水文地質勘察

勘察內容有：地下水類型；含水層岩性、分布、埋深及厚度；含水層的富水性和滲透性；地下水徑流方向、速度和水力坡度；地下水水溫及其分布。

水文地質試驗內容有：抽水試驗；回灌試驗；抽水和回灌試驗時，測定靜水位和動水位；測量井水水溫；取水樣並化驗分析水質；水流方向試驗；滲透率、流速試驗。

地表水水文勘察

勘察內容有：地表水源性質、水面用途、深度、面積及其分布；地表水水溫、水位動態變化；地表水流速和流量動態變化；地表水水質及其動態變化，引起腐蝕與結垢的主要化學成分；地表水利用現狀；地表水取水和回水的適宜地點及路線。

2. 地下水回灌設計

對於開採的地下水應要求回灌，即將抽出的地下水，經地下水水源熱泵機組換熱後再注入到地下，且必須是等量回灌，即抽出的水量應與回灌的水量相等。同時回灌還可以儲能，達到冬季回灌蓄冷為夏季空調用，夏季回灌熱為冬季供暖所用。

為防止地下水資源受到污染，要嚴格控制人工回灌水質。

回灌水水質要堅守一個準則：回灌水的水質條件要等於甚至高於原地下水水質條件。

另外，要求同層回灌，回灌井處的地質結構要有良好的覆蓋層和止水層，防止回灌後各個含水層相互貫通，引起水質污染。

3.地表水取水設計

地表水取水設計應考慮環境保護問題，冷熱交替問題，冷熱平衡問題。

取水溫差過大會破壞生態環境

取水、排水口位置不當機組運行效率會降低

取水區域不當會損壞換熱盤管。

污水源熱泵系統的特殊問題：

污水流經管道和設備(換熱設備、水泵等)時，在換熱表面上易發生積垢、微生物貼附生長形成生物膜、污水中油貼附在換熱面上形成油膜，漂浮物和懸浮固形物等堵塞管道和設備的入口。

其最終的結果是出現污水的流動阻塞和由於熱阻的增加而惡化傳熱過程。由於設備結垢導致機組耗功增加。所以，在設計中一定要選擇能效比高的機組。

由於污水流動阻塞使換熱設備流動阻力不斷增大，引起污水量的不斷減少，同時傳熱熱阻的不斷增大，又引起傳熱係數的不斷減小，其供熱量隨運行時間的延長而衰減。

污水源熱泵機組的運行穩定性比其它水源熱泵差。在系統設計中應考慮穩定性環節。

由於污水的流動阻塞使污水源熱泵的運行管理和維修工作量大，應該預留一定的維護空間。

例如，為了改善污水源熱泵運行特性，換熱面需要每日3～6 次水力沖洗，污水流動過程中，流量呈周期性變化，周期為一個月，周期末對污水換熱器進行高壓反衝洗。

地下水源熱泵系統設計：

開式環路地下水源熱泵系統的設計步驟：

完成試驗井

確定所需的地下水總水量

供水井和回灌井設計

確定水井群與熱泵機組的連接方式

計算每組供水管和回水盤管的水流量，選擇管材

確定潛水泵至膨脹罐的管道尺寸

確定隔膜式膨脹罐出口側各管段尺寸

確定總管尺寸(即供水管的起始端、排水管的末端)，根據管路總流量確定總管管徑

確定回水立管管徑

選擇需要的管件

計算開式系統並聯管路的壓力損失

計算隔膜式膨脹罐出口側壓頭

選擇膨脹罐

確定潛水泵與膨脹罐間管道尺寸

選擇潛水泵型號

確定管道保溫層的厚度

水源熱泵機房系統設計：

熱泵機組的選擇：

根據建築的空調面積和房間功能進行空調冷、熱負荷計算，統計建築空調總冷、熱負荷。

大部分建築需要考慮房間的同時使用率，一般建築的同時使用率為70~80%，特殊情況需根據建築功能和使用情況確定。

根據計算出的總冷、熱負荷，以其中較大值來確定主機型號，注意機組在偏離額定工況時需進行參數修正。

製冷同時製取衛生時的參數修正。

主機台數可根據建築業主和建築所備機房情況進行確定，建議選用2台以上。

空調負荷的確定：

系統水循環泵的選擇：

流量的確定：一般按照水源熱泵樣本中提供的制熱/製冷時的水流量來選取，可以按照如下公式進行計算選取，公式中的Q為熱泵機組制熱/製冷量中的較大值。

揚程確定：

循環水泵揚程的組成：

1.熱泵機組換熱器水阻力：一般為6～7.5mH2O；(具體值可參看產品樣本)

2.末端設備（空氣處理機組、風機盤管等）表冷器或蒸發器水阻力：一般為6～7mH2O；（據體值可參看產品樣本）

3.回水過濾器阻力，一般為3～5mH2O；

4.分水器、集水器水阻力：一般一個為3mH2O；

5. 系統水管路沿程阻力和局部阻力損失：一般為7～10mH2O；

綜上所述，冷凍水泵揚程為26～35mH2O，一般為32～36mH2O。

注意：揚程的計算要根據系統的具體情況而定。

在水泵樣本中選取水泵時，以上中下三列中的中間欄數據為準。

水泵並聯運行情況：

由上表可見：水泵並聯運行時，流量有所衰減；當並聯台數超過3台時，衰減尤為厲害。

建議：

1.選用多台水泵時，要考慮流量的衰減，留有餘量。2.空調系統中水泵並聯不宜超過3台，即進行水源熱泵主機選擇時也不宜超過三台。

潛水泵的選擇：

流量的確定：

一般按照水源熱泵樣本中提供的制熱/製冷時的井水流量來選取，還可以按照如下公式進行計算選取，公式中的Q為熱泵機組制熱/製冷量，N為機組輸入功率；

揚程的確定：

1、潛水泵的揚程依據水井動水位的位置來確定，一般潛水泵放置在動水位以下1m左右的位置；

2、潛水泵所需克服的阻力包含動水位至井口的高差h1，旋流除砂器阻力，Y性過濾器阻力、機組阻力、以及井水管道阻力，此部分阻力一般取經驗值7～10mH2O；

3、潛水泵揚程= h1+ 7～10mH2O。

補水定壓裝置的選擇：

補水定壓裝置的方式：

1、高位膨脹水箱補水定壓；

2、變頻補水定壓；

3、落地式膨脹水箱（膨脹罐）補水定壓；

系統補水量的確定：

系統補水量一般為系統中總水容量的2%～3%確定，系統中水容量按照建築面積每平方米1.3L計算；

補水泵揚程的確定：

根據建築高度來確定補水泵的揚程，並且留有3-5mH2O餘量；即補水泵的揚程=機房到系統最高點高差H+ 3-5mH2O。

水處理設備的選擇：

水處理設備總類：

電子水處理儀；（5000㎡以下建築及衛生熱水系統採用電子水處理儀）

軟化水處理儀（鈉離子交換器）（10000㎡以上建築採用軟化水處理）

電子水處理儀的選取：根據系統水水流量或者系統水管徑選取。

軟化水處理儀的選取：根據系統水補水量選取，系統補水量一般為系統中總水容量的2%～3%確定，系統中水容量按照建築面積每平方米1.3L計算；一般10000㎡建築選取1m3/h處理量處理儀。

軟化水箱大小的確定：根據軟化水小時處理水量來確定水箱的大小。

過濾裝置的選擇：

旋流除砂器的選擇：原則上一台熱泵機組對應一台旋流除砂器，在系統較大時，不受此原則限制；

以熱泵機組井水需求量的大小確定旋流除砂器的型號及台數。

快速除污器的選擇：根據系統水總管路管徑大小確定快速除污器型號，一個系統僅用一台快速除污器，在地下水含沙量較高的情況下，建議井水系統也裝設快速除污器。

集分水器尺寸確定：

管徑的確定：

按並連接管的總流量通過集管斷面流速V=1.0-1.5m/s確定，最大不宜超過4m/s。分支管管內流速一般為V=2.0m/s。

【例】集管上擬連接4根DN80管道，這些管內的流速均等於2m/s，試確定集管的直徑.

【解】DN80鋼管內徑81mm，其斷面積F=1/4πd2n=1/4×3.1416×812=5153mm2

連接管斷面積和：∑F=5153×4=20612mm2

取： V=1.2.0m/s

則集管應有斷面積為：F』=20612×2.0/1.2=34353mm2

相應直徑：D=

=209mm，選擇φ=219×6mm。

長度確定：

運行費用計算：

計算公式：運行費用=額定功率×開機台數×每天運行時間×實際運行天數×日運行系統×年運行係數×電價。

計算條件：

1、運行時間：冬季 天，日平均運行 小時；

2、日運行係數：0.75（查《實用供熱空調設計手冊》在一日中由於室外溫度及氣候條件的不同，末端系統負荷隨之調節變化）。

3、年運行係數：0.8（查《實用供熱空調設計手冊》在一年中由於室外溫度及氣候條件的階段性變化，末端系統負荷隨之調節變化）。

4、電價： 元/KW·h。

分體水源熱泵機組：

無需專用機房，可以安裝在屋頂、天花、壁櫃、外牆等隱蔽場所。改建、擴建工程簡便易行。

單台外機的主要組成：壓縮機、四通閥、室外換熱器、高低壓儲液罐、電控盒(無風機)。

多台並聯繫統圖：

安裝要點：

1.水系統臟堵：板式換熱器兩片釺片之間的間距很小,水中雜質即使很小，也容易造成臟堵,安裝水系統管路的時候,注意防止外界雜質進入；系統中安裝過濾器；使用的循環水應保證較高的水質。

2.每台主機的進出水管要安裝球閥，方便維修。

3.接室外機的進出水口時,應仔細檢查,防止進出水管接反變成順流換熱(換熱效果變差,系統能力不足)。

基礎知識：

標準煤：我國把每千克含熱量為7000大卡（29306焦耳）的定為標準煤,也稱標煤。國家發改委提供的數據:火電廠平均每千瓦時供電煤耗由2000年的392g標準煤降到360g標準煤,2020年達到320g標準煤。即一噸標準煤可以發三千千瓦時(3000度)的電。

工業鍋爐燃燒1噸標準煤污染物排放量：

各種能源摺合成標準煤係數：

標煤量折算：

燃煤系統標煤折算量：

標煤量=總制熱量÷標煤發熱量÷鍋爐效率=總制熱量÷8.14÷70%÷1000

式中8.14KW為標煤發熱量7000大卡/千克折算值

熱泵系統標煤折算量：標煤量=熱泵耗電量÷單位電量標煤耗量=熱泵耗電量÷360÷1000

式中360g為發一度電標煤耗量

以上計算二者之差即為標煤節約量

壓力單位換算：

1公斤出水壓力：是1平方厘米承受1公斤水重量的壓力（也稱千克力），即：1公斤壓力＝1×10/0.0001＝100000Pa＝0.1MPa =1Bar

1MPa =10公斤壓力，1公斤壓力=10mH2O，1H2O=10Kpa

熱量單位換算：

千焦和千瓦時之間的換算係數為3600，即：1000KJ=0.277KW·h

千焦和大卡（千卡）之間的換算係數為4.20 ，即：1000KJ=238.10KCal

千卡和千瓦時之間的換算係數為860，即：1000KCal=1.163KW·h

也可使用暖通南社公眾號：nhvaca中：「問南社」「暖通空調單位換算小程序」進行智能計算。

本文來源於互聯網，暖通南社整理編輯。