关于水源热泵机组若干设计问题的探讨

    水源热泵技术是利用地球表面浅层水(如地下水、地表水、海水、江水及湖泊水)中蕴含的低位能源作为热泵的低温侧热源，实现低温热能向高温热源转移的一种技术，具有良好的节能与环境效益。水源热泵系统因为具有能效系数高，运行成本低和安全、可靠等优点，在建筑空调和生产工艺上得到了广泛的应用。本文就水源热泵机组设计中的若干问题展开论述。

    1、制冷系统构成

    水源热泵完成制冷与制热的功能转换有两种方式，一是通过水源热泵系统空调水与地源水的转换，另一种方式是通过四通换向阀进行制冷剂侧的切换。本文论述的对象为水侧转换的螺杆式水源热泵机组。

    如图1所示，水源热泵机组制冷系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀以及其它辅助元件构成。与常规的水冷冷水机组比较，增加了辅助冷却系统。

图1  水源热泵机组制冷系统原理图

    2、螺杆压缩机选型

    压缩机是水源热泵机组中最主要的设备。一般来说，由于水源热泵机组具有冬天制热功能，所以其与常规冷水机组所采用的压缩机在内容积比方面有较大的区别。

    螺杆压缩机的进气、压缩和排气过程发生在同一个方向。在此过程中吸进来的气体被压缩, 体积慢慢缩小向排气口推进。被压缩了的气体通过一个设定尺寸和几何形状的排气孔口排出﹐该排气孔的位置决定了压缩机的内容积比(Vi)。Vi值与质量流量和工作压力比做相应调整﹐以防止过压缩或压缩不足而降低效率。如某品牌螺杆压缩机具有2.2、2.6、3.0、3.5、4.8等不同Vi值，而用在水源热泵机组上的压缩机Vi值一般为3.0。

     除了Vi值不同以外，用于水源热泵机组的螺杆压缩机与常规冷水机组的压缩机比较如表1所示。

表1 热泵型压缩机与单冷型压缩机的对比

    3、喷射冷却系统

    由于热泵压缩机运行工况较苛刻，其负载较水冷机组约高出20%至30%以上，在该种条件下，压缩机电机与压缩室将会出现高温，此高温会随运行状态而变化，由于接近保护设定值上限，故极易使保护开关作动，致使系统停机。

    如图1所示的喷液系统即为防止压缩机过热而设计的保护系统，此系统将液管一部份冷媒引出，通过节流阀的控制将液态冷媒喷入压缩机内进行冷却，达到保护压缩机之目的。选用单级喷液或双级喷液系统, 取决于吸气过热度之大小或压缩机负载大小。如压缩机长期处于高冷凝温度下运行,并且吸气温度又较高, 则应采用双级液喷的系统。一般来说，水源热泵机组均采用双级喷液系统，对压缩机的电机和压缩室进行喷液冷却，如图2所示。
 

图2  螺杆压缩机双级喷液示意图

    4、节流阀选型

    作为制冷循环的四大部件之一，节流装置在系统中起着非常关键的作用，选用合适的节流机构与制冷系统相匹配是整个制冷设备安全运行与降低能耗的重要一环。

    目前，水源热泵机组常见的节流阀有机械式膨胀阀、节流孔板、电子膨胀阀、电子调节阀以及它们的组合应用等多种形式。由于安全稳定和价格便宜等原因，机械式膨胀阀多用于干式水源热泵机组。由于机械式膨胀阀调节范围相对较小，所以对于制冷量和制热量相差较大的机组，应采用特殊方式处理，比如采用并联节流方式，则可以很好地匹配制冷与制热工况。对于带有冰蓄冷功能的机组，这一点应被特别关注。

    5、换热器设计

    如图3所示，在制冷工况运行时，蒸发器内水侧为空调冷冻水；在制热工况运行时，蒸发器内水侧为水源水。

图3  水源热泵系统原理图

    国家标准《GB/T 19409-2003 水源热泵机组》规定水源热泵机组的标准工况如表2所示。机组在制冷运行时，蒸发器进出水温度分别为12℃、7℃，温差为5℃。标准规定，机组在制热时使用侧出水温度与热源侧出水温度由名义制冷工况下蒸发器和冷凝器的水流量和机组的制热量决定。一般来说，制热时使用侧出水温度为45℃，热源侧出水温度为7~8℃，机组制热时蒸发器水侧温差为7~8℃，有部分厂家产品温差达到9℃。

表2 水源热泵机组标准工况

    对于冷凝器来说，在制冷工况运行时，其水侧为水源水，在制热工况运行时，其水侧为连接末端的热水。如表2所示，标准工况制冷时，冷凝器进出水温度分别为18℃、29℃，温差为11℃。标准工况制热时，冷凝器进出水温度分别为40℃、45℃，温差为5℃。

    一般来说，在标准制冷工况下机组的冷凝热（制冷量与输入功率之和）与标准制热工况下的制热量（也即冷凝热）相差在10%范围内，根据热量计算公式q=cm⊿t可知，机组冷凝器在制冷和制热工况下的流量相差较大，接近一倍。这就对冷凝器的流速设计提出了新的课题。如果不做特殊设计，满足制冷流速要求时（此时流量较小），则机组在制热运行时流速会出现流速过高的情况，结果将造成系统阻力过大，严重时将加剧地下水中的沙粒对换热管的磨损。反过来，满足制热流速要求时（此时流量较大），则机组在制冷时流速会出现过低的情况，结果将导致换热系数降低，严重时将导致机组高压保护。

   本人认为可以通过调整温差或调整流程的办法来解决冷凝器的制冷和制热流量不均的问题。调整温差的办法，就是适当平衡机组在制冷和制热时的冷凝器进出水温差。当然，本人也不建议在很大程度上降低冷凝器制冷时的进出水温差，否则水源水泵的耗功将会显著提高，系统将失去“大温差小流量”的节能优势。

图4  两流程冷凝器示意图

图5  四流程冷凝器示意图

    如图4所示，冷凝器水侧为两流程结构，图5为四流程冷凝器结构。如果在水量相差接近一倍的情况，可以考虑采用变流程结构冷凝器，即在制热时冷凝器流量较大，采用图4所示的两流程冷凝器，在制冷时冷凝器流量较小，采用图5所示的相同管径的四流程冷凝器，这样在制冷和制热时流过管内的流速就大体相同了。当然，在采用变流程时，沿程温差也在发生改变，该种办法的换热效果如何，还需要试验进一步验证。

    蒸发器同样也存在着和冷凝器类似的温差问题，处理方法可以借鉴冷凝器的处理方法。

    鉴于直接式换热机组效率高，目前很多地表水水源热泵系统采用直接式系统，即取消地表水源和机组之间的中间换热器。由于地表水水质相对地下水水质较差，污垢、生物粘泥和水垢将会在换热器管壁上形成，机组的清洗问题显得尤为重要。目前清洗方式有人工机械式清洗、人工化学式清洗、自动在线橡胶绵球清洗以及自动在线尼龙刷清洗等多种方式。

    值得一提的是，近来，自动在线橡胶绵球清洗受到越来越多的关注，那么适用该种清洗办法的水源热泵机组的换热设计应注意哪些问题呢？本人认为有三个问题值得关注，一是机组要设计成满液式机组，这样蒸发器换热管内侧为水侧，便于清洗；二是蒸发器和冷凝器的换热管内径应相同，这样可以做到一台清洗装置可以清洗两个换热器；另外，考虑到螺纹不易清洗等原因，建议换热管水侧为光滑面。对于第三点，有些读者可能顾虑这样换热效率是不是下降太多？本人认为，换热强化一般是强化弱侧，对于水侧是否强化，对于总的换热效率影响不大。

    6、小结

    由于水源热泵机组与常规冷水机组的功能和运行工况不同，在设计水源热泵机组时，除了以上几个部分值得关注外，如何选用制冷剂，控制系统如何设计以及热回收技术如何运用等问题同样值得探讨，本人将在《关于水源热泵机组若干设计问题的探讨（Ⅱ）》中继续阐述。