井水温差对地下水源热泵水井方案的影响

     一、 水源热泵空调系统概述

    地表岩土层蕴藏了无穷无尽的低位热量，常温带的土壤/地下水温度相对恒定。水源热泵机组在电能的驱动下，将地下可循环再生但不可直接利用的低位能量开发利用，成为可利用的高位能。热泵可以满足冬季供暖、夏季供冷的需要，又能用来制取卫生热水，充分显示了其一机三用的优越特性，广泛应用于各类建筑物。

 
    地下水供应系统是水源热泵中央空调的关键部分之一，它是整个系统的能量来源，与传统中央空调系统对比，它取代了锅炉供热系统和冷却塔，是水源热泵系统的重中之重。空调系统从井水中提取的能量（Q=C.M.Δt）与井水流量M和井水供回温差Δt的乘积成正比。当空调系统设计值Q确定后，井水流量M变小，井水温差Δt就需加大，压缩机耗能增大，潜水泵耗能减小；反之，井水流量M变大，井水温差Δt减小，压缩机耗能减小，潜水泵耗能增大。那么，对于一个水源热泵系统而言，井水温差取多大，系统的能效比最高、投资最节省？本文将根据不同的工况对此作详细的计算分析。

    二、冬夏季运行不同工况下的能效比计算

    以郑州市某个建筑面积为12000m2的办公楼项目为例，夏季冷负荷1200kw ，冬季热负荷900kw。选配二台名义制冷量550kw的单螺杆式水源热泵机组。水井井深150米，单井出水量可达到70吨/小时，此时潜水泵扬程为60米。夏季井水出水水温为18℃，冬季井水出水水温为16℃。

 
    每小时井水的循环量计算公式为：

    制冷时：M =（制冷功率+ 输入功率）×860÷?T（井水利用温差）；制热时：M =（制热功率―输入功率）×860÷?T（井水利用温差）

    在上述公式中，设计人员容易产生分歧的是 ?T 到底应该取多少。为此我们先了解一下水冷系统中的冷却塔。按照暖通空调设计规范，冷却塔的理论进出水温度为30/35 ℃，实际运行工况进出水温度为32/37 ℃ ，?T为5 ℃ ，它是指主机排出的35-37℃冷却水经冷却塔冷却为30-32 ℃再进入主机，如此周而复始地循环，建筑物的热量最终靠塔内的水蒸发而带走。?T能否再增大呢，不能，因为冷却塔是靠塔内水的蒸发（通过中央空调主机）而带走建筑物中的热量，再大就不经济了，主机也会自动保护停机。

    水源热泵主机在夏季既可以利用井水制冷，也可利用冷却塔制冷。如采用冷却塔，?T为5 ℃，机组冷却水的进水是30-32 ℃，排出水温是35-37 ℃ ，冷却水的平均温度为32.5—34.5℃。如果采用井水，假如井水的进水是18 ℃，温差?T是16℃，此时排出水温是34 ℃，井水的平均温度为26℃，冷却效果远优于冷却塔标准工况。

    实际上，在空调系统运行中出现设计最大负荷的时段所占的比例只有4-5% ，即使温差?T取18℃计算井水量，在流量不变的前提下，实际运行温差在绝大多数时段为10--12℃ 。因此，在实际应用中，可以将水源热泵井水温差扩大到16℃ 。

 
    依据台湾汉钟RC520 H-CR的参数表以及上述计算公式，可得出单台主机夏季运行各参数下表：

    根据上表计算可知：井水进出水温差Δt设定值变化时，热泵的能效比COP（输出量/压缩机+潜水泵耗电量）如下：

Δt =6℃ 时    COP=4.63
Δt =8℃ 时    COP=4.63
Δt =12℃ 时   COP=4.55
Δt =16℃ 时   COP=4.20
Δt =16℃与Δt =8℃相比，井水需求量减少了52%，能效比仅减少了9.2%  。
 

      冬季，依据台湾汉钟RC520 H-CR的参数表以及上述计算公式，可得出单台主机运行各参数下表：
 

    根据上表计算可知：井水进出水温差Δt设定值变化时，热泵的能效比COP（输出量/压缩机+潜水泵耗电量）如下：

 
Δt =6℃ 时    COP=3.96
Δt =8℃ 时    COP=4.0
Δt =10℃ 时   COP=3.95
Δt =12℃ 时   COP=3.82
Δt =12℃与Δt =6℃相比，井水需求量减少了60%，能效比仅减少了3.5%。

 
   注：上述分析适合于地下水温较高的寒冷地区和夏热冬冷地区，东北地区浅层地下水出水水温只有8℃左右，冬季Δt最大值也只能取7℃ ，应区别对待。