水源热泵空调节能技术分析

摘要：水源热泵技术是一种高效环保节能技术。本文分析了水源热泵中央空调系统的组成及工作原理，

分析了水源热泵系统的节能效率及其变频节能控制方案。

关键词：水源热泵；工作原理；变频节能

中图分类号： TE08 文献标识码：A 文章编号：

Abstract: Water source heat pump technology is an efficient environmental protection and energy

saving technology. This paper analyzes the water source heat pump central

air-conditioning system and work principle, analysis of water source heat pump system

energy efficiency and energy saving variable frequency control scheme.

Key Words: Water source heat pump;Working principle.;Frequency conversion energy saving

引 言

水源热泵技术是利用废气能量或地球表面浅层水(如地下水、地热水、地表水、海水等)中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，并采用热泵原理，通过消耗少量的电能，实现低位热能向高位热能转移的一种技术，具有清洁、高效、节能的特点。推进地源热泵系统建设，有利于优化能源结构，促进能源互补，提高能源利用效率。以下就有关水源热泵空调节能技术作详细探讨。

1.系统组成及工作原理

水源中央空调系统是由末端（室内空气处理末端等）系统、水源中央空调主机（又称为水源热泵）系统和水源水系统三部分组成。为用户供热时，水源中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机（热泵）泵送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源中央空调将用户室内的余热通过水源中央空调主机（制冷）转移到水源中，以满足用户制冷需求。图1是水源热泵制冷工况的原理图。制热工况的原理与制冷工况类似，只不过是热泵机组的循环方向相反、相应换热器的功能互换。(如图1)

图1水源热泵示意图

水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种：闭式系统需要构造地下埋管换热器或者地表水埋管换热器，形成封闭的地源水循环系统，向地下土壤或者地表水散热或者取热。开式系统的特点是抽取地下水或者地表水，在板式换热器中与机组的循环工质进行热交换，实现散热或者取热后，再回灌到地下或者河流。

2.水源热泵系统的节能性分析

水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多；它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。所以，水源热泵利用的是清洁的可再生能源。

如果水源热泵机组可利用的水体温度全年按15℃～17℃（实测值）取值，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。这种温度特性使得水源热泵比传统系统运行效率要高，节能效果明显。本文采用能量利用系数作为评价指标，分析比较水源热泵及其他几种供热方案的一次能源利用效率，讨论水源热泵机组的节能特性。

2.1能量利用系数及其最大值

对于给定的供热任务，能量利用系数越高越节能.一次能源能量利用系数E的定义式为：

（1）

式中： ―――热用户利用热量；

――一次能源投入量。

对于水源热泵供暖，其能量利用系数E的表达式为：

（2）

式中： ―――热泵供热量；

―热泵热网效率；

―――热泵发电效率；

―――热泵输电效率；

―――热泵制热系数；

其他符号同前。

作为理想的极限，设想供热与需热在量上质上完全一致，而且供暖系统中没有任何耗损，这时，对于给定的供暖任务其一次能源消耗量将达到理论上的最低值，而能量系数将达到理论上的最高值 。

（3）

式中： ―――供热量之间的比值，其大小象征着供暖热量的品位；

―――发热量间的比值，是燃料的一种品质，对于一般的化石燃料，可近似取为1。

（4）

式中：TO―――平均环境温度；

―――规定供暖室温；

因此： 。

上述的理想系统虽然不可能完全实现，但却有了一个比较的理论标准，以评价各种不同供暖系统的节能潜力，测出上式中的 和 就可以确定最大能量利用系数Emax。表1列出了几种供暖方式的最大能量利用系数。

供暖方式

计算条件

电加热 0.34 热网效率0.98，电厂供电效率0.35

分散锅炉 0.68 锅炉效率0.65，热网效率0.98

集中锅炉 0.78 锅炉效率0.80，热网效率0.98

空气源热泵 1.0 电厂供电效率0.35，热网效率0.98，热泵效率0.45，热泵制热系数为3.0

水源热泵 1.4 供电效率0.358，热网效率0.98，热泵效率0.45，15℃地下水为热源，热泵制热系数为4.0

表1几种供热方式的最大能量利用系数比较

由表1可见，在表中所列的几种供热方式中，水源热泵的最大能量利用系数最高，达1.4，由此可以揭示出水源热泵供热方式的节能性。

2.2水源热泵采暖节能实例

以北京市一多层住宅空调系统采暖运行为例，水源热泵采暖方式全年耗能量为5.93kg/m2•年，即使加辅助热源耗能量也才8.74kg/m2•年，均低于集中锅炉房和热电厂，节能效益比较明显。

又如，西安市某住宅小区，使用水源热泵，全年运行8个月，向住户收取的费用是26元/m2•年，据初步调查掌握实际的运行成本20～22元/m2•年，按20元/m2•年成本计算的话，冬季和夏季成本大约为6:4，节能效果也十分突出。

再如，哈尔滨某农场采用水源热泵采暖技术，通过采用水源热泵采暖设备，压缩、蒸发、冷凝提取3℃，转化成热能，送到居民家里去。原先用传统锅炉供暖方式费用约42元/m2，而用水源热泵采暖技术费用只要25元/m2。

3.变频节能控制方案

采用变频器配合可编程控制器组成控制单元，其中冷却水泵、冷冻水泵均采用温度自动闭环调节，即用温度传感器对冷却水、冷冻水的水温进行采样，并转换成电信号(一般为4-20mA，0-10V等)后送至PLC，通过PLC将该信号与设定值进行比较再作PID运算后，决定变频器输出频率，以达到改变冷冻水泵、冷却水泵转速，从而达到节能目的。

3.1冷冻水系统

系统采用定温差变流量的方式运行，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻水泵变频器工作的最小工作频率作为水泵运行的下限频率并锁定；将电动机工频设定为上限频率，改变变频器频率就可以调节系统的流量。另一方面，在系统运行时，由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数，一般冷冻水出水温度设定为8―1O℃，因此，只需控制高温冷冻水(回水)的温度，即可控制温差。为了确保冷冻水的出水回水温差在设定的范围内，方案采用温度传感器在冷冻水入口测量水温T，并与PLC、变频器及水泵组成闭环控制系统，将冷冻水回水温度控制在T(一般取5―7℃)。当负荷发生变化，回水温度跟着变化，控制系统跟着温差的变化调节水泵的转速从而调节系统冷冻水的流量，直到满足新的负荷对冷冻水流量和温差要求。

图2冷冻水系统闭环控制框图

当水源热泵系统首次起动时，电机在工频下全速运行，冷冻水系统充分循环一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率进行无级调速。其目的是促进冷冻水的流动，保证换热效果。

3.2冷却水系统

水源热泵系统采用温度不变的地下恒温水源作为冷凝器的冷却水源，当负荷变化时冷凝器散发的热量也会变化。取冷凝器两侧冷却水的温度作为控制参数，维持温度不变，采用温度传感器、PLC和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统，调节冷却水泵的转速，从而调节冷却水流量跟随热负载变化。系统在满足冷却需要的前提下，可以避免水泵全功率运行，达到节电的目的。

图3冷却水系统闭环控制框图

4.结 语

水源热泵空调节能技术是节约能源、改善生活、减轻环境污染、促进经济可持续发展的有效措施。水源热泵技术充分利用有利的自然资源，挖掘节能潜力，减少能源消耗，降低运行维护成本。相信在不久的将来，水源热泵空调节能技术必将获得更加稳定和快速的发展。

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