《地源热泵大学堂》（连载四）

《地源热泵大学堂》（连载四）

马最良
哈尔滨工业大学市政环境工程学院教授

    第2讲  水源热泵机组

　　　水源热泵机组，又称水源热泵。它是指以水为热源（或热汇），可以进行制冷/制热的一种整体热泵机组，通常有水/空气和水/水两种水源热泵机组。它在制热时，以水为热源，而在制冷时以水为热汇。

　　　2.1 水源热泵机组

　　　2.1.1水/空气热泵机组

　　　图2-1给出小型的水/空气热泵机组的工作原理图。机组供冷时（图2-1a），制冷剂/空气热交换器2为蒸发器，制冷剂/水热交换器3为冷凝器。其制冷剂流程为：

全封闭压缩机1→四通换向阀4→制冷剂/水热交换器3→毛细管5→制冷剂/空气热交换器2→四通转向阀4→全封闭压缩机1。

机组供热时（图2-1b）制冷剂/空气热交换器2为冷凝器，制冷剂/水热交换器3为蒸发器。其制冷剂流程为：

全封闭压缩机1→四通换向阀4→制冷剂/空气热交换器2→毛细管5→制冷剂/水热交换器3→四通换向阀4→全封闭压缩机1。

　　　小型水/空气热泵机组主要用在水环热泵空调系统中，也可用于分散式地源热泵空调系统中，即将井水（或地表水、地埋管出水）直接送至各个室内，在室内设置水/空气热泵，进行供暖与供冷。目前小型水/空气热泵机组有以下几种类型[1]：

按安装的方式可分为暗装机组和明装机组两种。暗装机组一般吊装在顶棚中或设置在专门的小型机房内。采用暗装方式，便于与室内装饰协调一致，一般需要接风管，因此，它的噪声相对要低些。目前暗装机组主要有水平式吊顶机组和垂直式座地机组；室内明装机组不接风管的通常是直接置于室内窗下或墙角处，机组外观十分大方。由于明装，因此安装、维修相对更方便些。目前明装机组主要有立式明装机组、立柱式机组等，见图2-2；但是设置在屋顶上，常作为处理新风用的水平屋顶机组，也属于明装机组。

  （2）按机组结构形式可分为整体式机组和分体式机组。图2-2给出的机组结构形式均为整体式机组，它与单元式空调机组机构形式类似。分体式机组是将空气/制冷剂换热器与风机组成独立的室内机。而将水/制冷剂换热器与压缩机组成独立的另一部分，置于箱体内，可安装在走廊或其他地方（如卫生间）。与整体式机组相比，分体式有如下特点：

　　 ① 压缩机噪声对室内的影响小，故室内噪声相对很小；

② 结构复杂，安装时要注意制冷剂管道的安装；

③ 室内机组有多种形式可供选择，使中央空调更具有个性化特点。

   （3）按电源供应方式可分为单相电源供电和三相电源供电两种。当单台压缩机的输入功率在2.25kW（3HP）以下时，通常采用单相电源供电，在2.25kW(3HP)以上时，则采用三相电源供电。

　　　2.1.2 水/水热泵机组

早在20世纪30年代，水/水热泵就已问世，是世界上最早使用的热泵机组之一，也是我国早期使用的热泵机组。其组成与结构同我们常用的冷水机组基本相似，它由压缩机、冷凝器（水/制冷剂换热器）、蒸发器（水/制冷剂换热器）、贮液器、节流机构、油分离器、电控装置等组成。所用制冷剂主要有R22、R134a 、R407c、R410a、R404a等。所不同之处主要有：

   （1）水/水热泵的功能为供热与供冷（一机两用），或供冷、供热和热水供应（一机三用）。

   （2）水/水热泵的制热工况与制冷工况相差较大。因此，由于水/水热泵的运行特点，对压缩机有一些特殊要求。如：

　　　 ① 压缩机的曲轴箱中常装有电加热器；

② 热泵压缩机所使用的润滑油的黏度随温度的变化希望较平缓；

③ 热泵机组中的压缩机，工作条件比冷水机组中的压缩机要差得多。一般要求有较高冷凝压力，排气压力和温度也高，导致压缩比大，压差大。因此，水/水热泵要选用供热泵应用的压缩机。

④ 水/水热泵中的压缩机冬夏都用，运行时间长，因此要求压缩机在第一次大修前至少有5年的寿命，即能无故障运行25000h。

⑤ 水/水热泵中的半封闭或全封闭压缩机向环境的散热损失应尽可能小，这点与冷水机组压缩机不同。因为这些损失会减少热泵的供热量。

   （3）小型水/水热泵机组中设置四通换向阀，通过四通换向阀，实现供热工况与制冷工况的转换，因此，要求水/水热泵机组中的水/制冷剂换热器既是蒸发器，又是冷凝器。而众所周知，对于蒸发器和冷凝器，各有不同的要求和特点。而且机组中蒸发器与冷凝器各自的负荷大小也不一样。为此，小型水/水热泵机组中水/制冷剂换热器应同时满足冬夏的工作条件。大型水/水热泵机组无四通换向阀，其制冷、制热工况的转换是通过水系统上阀门的开启来实现的，因此，避免了水/制冷剂热交换器既作冷凝器又作蒸发器所带来的问题。

　　　还有一点值得我们注意：地下水源热泵、地表水源热泵、地埋管地源热泵空调系统中全是采用水源热泵机组，但是地表水、地下水和土壤全年温度范围有较大的差异。因此，设计中，选用的液体进入温度亦不相同。如在美国，地下水源液体进入温度选择范围：供热时，北方是4.4℃，南方是10℃；供冷时：南方最高为29.4℃。地表水热泵液体进入温度选择范围：供热时，北方是-1.1℃，南方是12.8℃；供冷时，北方是26.7℃，南方是35℃。土壤耦合热泵液体进入温度选择范围：北方是-1.1℃，南方是16.7℃；供冷时，北方是32℃，南方是40.6℃[2]。正是由于三种热泵的液体进入温度的不同，将会对水/水热泵机组或水/空气热泵机组的性能产生不同的影响。因此，不能把三种地源热泵混为一谈，而应区别对待，甚至不同地源热泵所采用的水/水热泵机组或水/空气热泵机组应具有各自的特点。

　　　2.1.3热泵站大容量水/水热泵机组

　　　近年来，热泵站在我国已引起人们兴趣和应用。热泵站在20世纪70年代末80年代初在瑞典开始应用[3]。图2-3给出瑞典某大型热泵站，它由3台单机供热能力13MW热泵机组成。现以此热泵站为例介绍热泵站大容量水/水热泵机组的特点。

图2-4给出供热能力13MW热泵机组原理图，它主要由离心式压缩机组、电动机、冷凝器、过冷器、闪发器（又称经济器）、蒸发器和节流阀等设备与器件组成。

 
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访谈：马最良教授谈地源热泵的推广应用科学之道

马最良教授简介：
哈尔滨工业大学博士生导师，九三学社社员。曾是中国制冷学会理事会理事、黑龙江省制冷学会副理事长、黑龙江省能源研究会副理事长、中国建筑装饰协会暖通空调委员会理事，《暖通空调》、《地源热泵》等杂志编委。从事的主要研究方向有：热泵技术在暖通空调中应用理论与实践；暖通空调设备的研制与开发；暖通空调设备性能试验方法的研究与发展。研究成果累累。著有《热泵》、《制冷技术与应用置》、《建筑节能技术》、《民用建筑空调设计(第1版和第2版)》、《水环热泵空调系统设计（第1版和第2版）》、《热泵技术应用理论基础与实践》、《地源热泵系统设计与应用》、《暖通空调热泵技术》、《空调工程中的制冷技术》（第1版和第2版）等著作与教材。

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