浅析地表水水源热泵机组在供暖（冷）系统中的应用

浅析地表水水源热泵机组在供暖（冷）系统中的应用

郁新喜

中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司 

摘要：随着水源热泵技术的不断发展,地表水水源热泵的应用具有广泛的发展前景，充分利用天然的可再生的资源来取代原有的一次能源。本文以乌鲁木齐市水墨清苑小区的地表水水源热泵工程为例，论述了地表水水源热泵供热、供冷系统运行中的节能优势以及水源热泵的优缺点。

关键词：水源热泵 冷热源水源 板式换热器

1概述

水源热泵机组工作原理就是从水源中提取热量，由热泵通过制冷剂提升温度后送到建筑物中。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。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热盘管，该组盘管一般水平或垂直埋于地表水中，通过与地表水换热来实现能量转移；开式系统是指从地下或地表中抽水后经过换热器直接排放的系统。以下本文将以乌鲁木齐市水墨清苑小区地表水水源热泵系统为例来分析如何将地表水应用于热泵技术中,来解决建筑物的供暖与供冷问题。

2工程简介

2.1背景

乌鲁木齐是世界上离海洋最远的城市，属中温带大陆性干旱气候，最热的月份是 7月、8 月，平均气温 25.7℃；最冷的月份是1月，平均气温-15.2℃,供暖室外计算温度为-19.7℃。水磨河流域位于新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市东郊，南以乌鲁木齐市天山牧场的玛什那都克为界，北到米东区塔桥湾水库，流域面积281.4k㎡，年径流量为 0.4350×109m3，为该地区工业生产、农业灌溉、生活饮用及绿化提供水源，是支撑本流域经济发展的大动脉。根据监测冬季水磨河河水水温最高为10.9℃，最低10.4℃，最大流量为0.858m3/s，最小流量为0.712m3/s。为此2015年10月乌鲁木齐市水墨清苑小区取用水磨河地表水用于水源热泵工程，作为实验研究的试点工程。

2.2基本资料

乌鲁木齐市水墨清苑小区为居民住宅区，建筑面积105000㎡,为节能建筑，住宅高区供暖面积24000㎡，住宅低区供暖面积48500㎡，地下车库供暖面积为32500㎡。本项目冬季供暖、夏季供冷，供暖及供冷的末端均使用地面辐射供暖供冷系统。

本工程采用水源热泵系统为热源和冷源，在本小区地下车库机房内分别设有2台制热量为2610.9kW（制冷量为1916.5kW）的低区水源热泵机组以及2台制热量为849.4kW（制冷量为622.5kW）的高区水源热泵机组。供暖系统的热水水源及供冷系统的冷却水水源均为水磨河河水。冬季供暖时供暖系统的热水水源处的供回水温度为10.4/5.4℃；夏季供冷时制冷系统冷却水水源处供回水温度为14.0/18.0℃。

1.本项目均采用地板辐射供暖、供冷系统，夏季供冷，冬季供暖。冬季供暖系统由水源热泵机组直接供给，供暖系统的供回水温度为45/35℃；夏季供冷由水源热泵机组直接供给或由机房内高/低区供冷用换热机组与河水(冷却水)换热后供给，供冷系统的供回水温度为15.5/20.5℃。

2.本项目供暖及供冷系统分高区和低区,一至九层为低区,十至十八层为高区,高区总热负荷为1200kW,低区总热负荷为4200kW；高区总冷负荷为960kW，低区总冷负荷为1940kW。

冬季，水磨河河水流出的地表水由旋流除砂器处理后，经过水源热泵机组换热后流回水磨河。水源热泵机组水源侧进水温度为10.4℃，出水温度为5.4℃，机组用户侧供水温度为45℃，回水温度为35℃。通过水源热泵系统提升温度,达到充分利用可再生能源作为本采暖系统热源的目的。夏季，水磨河河水出来的地表水由旋流除砂器处理后，经过板式换热器换热后流回水磨河。板式换热器一次侧进水温度为14℃，出水温度为18℃，二次侧进水温度为20.5℃，出水温度为15.5℃。为了提高本系统的经济性，尽可能多的利用水磨河河水的冷量是充分利用天然冷源的关键。该工程设备选用表见表l

表1设备选用表

3水源热泵工作原理

图1地表水水源热泵机组供暖（冷）系统的原理图

由图1可知,水磨河河水承担了向水源热泵系统提供冷热量的任务，取代了锅炉、制冷机、冷却塔或其他加热或冷却设备。冬季制热工况，从取水口来的河水通过水源热泵系统的水环路，河水放出热量后，温度降低，排至河水排水口，而水源热泵则将吸收来的热量通过供热（冷）管网和末端的地板辐设供暖供冷系统，用来加热室内空气。夏季制冷工况，从取水口来的河水通过板式换热器将冷量传递给系统的水环路，河水放出冷量后，温度升高，排至河水排水口，而板式换热器则将吸收来的冷量通过供热（冷）管网和末端的地板辐射供暖供冷系统，用来冷却室内空气。

3.1冬季运行工况及阀门转换说明：

1.冬季供暖时，小区内的供暖二次网经过水源热泵机组与河水一次网换热后直接向用户供给。机组向小区供暖用户提供温度为45℃的热水，回水温度为35℃。阀门A、F开启，阀门B、C、D、E关闭。

3.2夏季运行工况及阀门转换说明：

夏季运行模式有三种，具体运行模式见如下的1、2、3条。

1.夏季机组工作制冷，板换机组的板式换热器不工作时。夏季水源热泵机组直接向小区内用户提供冷冻水，小区用户冷冻水回水经板式换热机组的补水泵和循环泵后，直接进入水源热泵机组制冷，不进入板式换热机组的板式换热器。水源热泵机组向小区用户提供温度为15.5℃的冷冻水，回水温度为20.5℃。阀门B、D、E、F开启，阀门A、C关闭。

2.当夏季河水温度满足用户使用要求时，夏季水源热泵机组不工作，板换机组工作通过河水换热时。小区内用户冷冻水回水经板式换热机组的循环泵后(补水泵定压)，进入板式换热机组的板式换热器与河水进行换热，与河水进行换热后的冷冻水向小区用户提供冷冻水。板式换热机组向小区用户提供温度为15.5℃的冷冻水，回水温度为20.5℃。阀门C、E开启，阀门A、B、D、F关闭。

3.当夏季河水温度不满足用户使用要求时，夏季水源热泵机组及板式换热机组同时工作。小区内用户冷冻水回水经板式换热机组的循环泵后(补水泵定压)，进入板式换热机组的板式换热器与河水进行换热，与河水进行换热后的冷冻水一部分进入小区内用户的冷冻水供水管，一部分进入水源热泵机组进行制冷，经过水源热泵机组制冷后的冷冻水与河水进行换热后的冷冻水混合后向小区用户提供冷冻水。混合后的冷冻水向小区用户提供温度为15.5℃的冷冻水，回水温度为20.5℃。阀门B、C、D、E、F开启，阀门A关闭。

系统各循环水泵采用变频水泵,在夏季最热月或冬季最冷月，系统所需冷负荷或热负荷最大时, 循环水泵满负荷运行;其余时间则处于变频运行, 通过自动控制程序调节水泵频率的变化，以适应系统中负荷的变化，达到节能的目的。

4系统特点

4.1绿色能源,环保效益显著

由于供暖和制冷系统采用水磨河河水作为冷热源，无需燃煤或燃油,不向大气排放污染物,只需消耗少量的电能。系统通过换热器将冷热量传入河水中，而河水本身是一个巨大的动态能量平衡系统，可以自然地保持其能量接收和发散的相对均衡，因此属于绿色能源，其利用具有着深远的环境效益。

4.2高效节能，运行费用低

河水源热泵属于水冷式冷水机组，其COP值一般在4.2〜5.5。从取水口来的河水经过水源热泵机组（板式换热器）换热后，通过供热（冷）管网和末端的地板辐射供暖供冷系统，用来加热（冷却）室内空气，从而使现有资源得到了最合理的利用。

4.3性能可靠，机组运行稳定

水源热泵运行自动化程度高，运行人员少，机组噪音很小，安全性高。地表水温度稳定，使得热泵机组运行可靠、平稳，室内温度恒定，人体的舒适感好。

5应用中的问题及对策

5.1生物附着问题及防护措施

附着生物又称为污损生物。附着生物有很多，如藻类、细菌、 微生物等。附着生物在适宜的条件下大量繁殖,严重时可堵塞管道，影响设备的正常运行,而且也会造成设备及管道的腐蚀。

5.2本工程中采用的防护措施

防腐蚀:在本工程中换热器采用可拆式钛板换热器，可以有效地清除和防止污堵及腐蚀。

防生物附着:在河水取水口处设置两道过滤，即粗过滤器（拦污栅、格栅及筛网等）及精过滤器,防止生物及其他异物进入循环系统。

6 结束语

根据地质勘察报告显示，本项目所在地地表水资源充足，在设计流量下可以保证长期取用，冬季室内温度为20.4℃～26.9℃。供暖季可节约1002.060吨标准煤/年，二氧化碳减排量为2475.088吨/年，二氧化硫减排量为20.041吨/年，粉尘减排量为10.021吨/年，节约费用181016元。