井水温差对水源热泵水井的影响

一、 水源热泵空调系统概述

地球是一个巨大的恒温体，蕴藏了无穷无尽的能量，无论冬夏季节3m以下的土壤/地下水温相对恒定。水源热泵机组在电能的驱动下，将地下取之不尽、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。它可以满足冬季供暖、夏季供冷的需要，又能用来制取卫生热水，解决洗澡用水的供应问题，充分显示了其一机三用的优越特性，因而在各类建筑物中得以广泛应用。

水井供应系统是水源热泵中央空调的关键部分之一，它是整个中央空调系统的能量来源，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，因此在水源热泵中央空调工程中是重中之重。空调系统从井水中提取的能量Q（Q=C^.M^.Δt）与井水流量M和井水供回温差Δt的乘绩成正比。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，对于一个水源热泵井水供应系统而言，到底井水温差取多大，整个空调系统能量提取部分的能效比最高、投资最节省呢，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办公楼的项目为例，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，压缩机采用台湾汉钟RC520 H-CR。项目所在地水井井深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（对井水利用温差）

 制热时

 M =（制热功率―输入功率）×860÷?T（对井水利用温差）

 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冷水机组空调方式所用的冷却塔。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 ℃冷凝水经冷却塔冷却为30-32 ℃再进入主机，如此周而复始地循环，建筑物排出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的水自然蒸发而带走建筑物（中央空调主机）排出的热量，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接井水制冷，如接冷却塔的冷却水同样可以制冷。如果接后者，?T为5 ℃，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℃。如果接井水，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℃，冷却效果依然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量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，能量提取部分的能效比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： 

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。

 三、不同温差取值对空调系统实施方案的影响

     仍以建筑面积为12000m²办公楼的项目为例。

 第一种方案：当夏季Δt =8℃，冬季Δt =6℃时，该系统夏季井水需求量为142吨/小时，冬季井水需求量为146吨/小时，工程施工时取最大值146吨/小时。按照该项目所在地的地质条件，需要深150米的出水井2口，潜水泵2台，回水井4口，共六口井。水井及附属设备部分投资50万元。

 第二种方案：当夏季Δt =16℃，冬季Δt =12℃时，该系统夏季井水需求量为68吨/小时，冬季井水需求量为58吨/小时，工程施工时取最大值68吨/小时。按照该项目所在地的地质条件，需要深150米的出水井1口，潜水泵1台，回水井2口，共三口井。水井及附属设备部分投资25万元。

 由于出回水井之间须保持一定的间距，该项目建筑物周边位置有限，只具备4口水井位置，所以第一种方案不能实施。最后采取了第二种方案。

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