开式河水源热泵系统的设计与性能分析

余鑫，李蕊，代彦军

（1-上海核工程研究设计院，上海 200233；2-上海交通大学，上海 200240）

开式河水源热泵系统的设计与性能分析

余鑫*1，李蕊2，代彦军2

（1-上海核工程研究设计院，上海 200233；2-上海交通大学，上海 200240）

本文主要研究了河水源热泵的运行性能，并在上海一校园的绿色能源实验室搭建了河水源热泵系统实验台。首先对河水水质进行了测试，测试结果显示水源热泵的水源侧应选择间接换热方式。本文设计了水源热泵系统并搭建了测试系统，对系统的冬夏季运行工况进行了测试。实验结果表明：在典型夏天工况，系统COP为5.2；在典型冬天工况，系统COP为3.1。

河水源热泵；水质测试；系统设计；系统测试

0 引言

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术[1]。河水源热泵空调系统就是从江河中提取热量的热泵系统。江河水源热泵的优点是：河水具有流动性，因此具有一定的携能能力；水的比热比空气大，温度变化常滞后于空气温度的变化，温度较为稳定，因而使得热泵的运行工况较为稳定；水的传热性能好，换热设备较紧凑。其缺点是：热泵装置必须靠近水源，或设有一定的蓄水装置；对水质也有一定的要求，应进行水质分析后采用合适的换热器材质和结构型式，以防出现腐蚀等问题。

近些年来，水源热泵系统在我国的发展及应用明显加快，在浴室[2]、医院[3]、世博园[4-5]等大型公共建筑中得到了应用。而关于水源泵的研究主要集中在以下几个方面：1）地表水源水体水温预测研究，其中主要有美国水资源工程公司Orlob和Seln及美国麻省理工学院的Huber和Harleman分别独立提出的深分层蓄水体温度变化的一维数学模型（WRE模型和MIT模型[6]）、我国水利水电研究院提出的垂向一维模型[7]及江春波等人提出的立面二维模型[8-10]；2）水源热泵排水对水体的影响，温排水对水体的影响研究主要集中在电站排水对水体生态的影响，我国在近几年颁布了相应标准，已对热污染源作出了一定的限制，《地表水环境质量标准》（GB 3838-20020）规定：中华人民共和国领域内江、河、湖泊、水库等具有适用功能的地面水水域，人为造成的环境水温变化应限制在：夏季周平均最大温升≤1 ℃，冬季周平均最大温降≤2 ℃[11]；3）水源热泵的效益评估，邓波等[12]对上海世博园区域供冷所应用的大型地表水源热泵系统的经济性及对环境的影响作出了分析，得出结论水源热泵具有较好的经济效益且在设计和施工合理的情况下不会对环境造成影响。丁力行等[13]对湖南地区应用水源热泵的经济性进行了分析。

本文首先对河水水质进行了测试分析，选择适合的水源热泵水侧换热方式。然后根据绿色能源实验楼的冷暖需求设计了开式河水源热泵系统，并搭建了测试平台对水源热泵系统的冬夏季运行工况进行了测试分析。

1 开式水源热泵系统设计

绿色能源实验楼（GEL）主要采用了开式河水源热泵系统为实验楼第一和第二层的大部分房间（约607 m2）提供冷和热，系统采用风机盘管为末端进行空气调节。制冷模式下，风机盘管的进回水温度为7 ℃和12 ℃；制热模式下，风机盘管的进回水温度为45 ℃和40 ℃。GEL楼制冷和供热的设计最大负荷分别为83.50 kW和40.56 kW。图1为绿色能源实验楼外观，其基本设计参数列于表1。

图1 绿色能源实验室

表1 GEL楼基本设计参数

1.1 水源侧水质分析及系统选择

根据河水进入热泵机组的方式不同，水源侧水系统可分为直接式系统和间接式系统。直接式系统是指河水经过简单处理后直接进入热泵机组的冷凝器或蒸发器。其特点是：不设板式换热器，无换热温度能级损失，运行效率高；少一级循环水泵，节能性好；但直接式系统对水质有一定要求，机组换热器应耐腐蚀、易清洗，季节转换清洗工作量较大，仅适合于大型电动热泵机组。间接式系统是指河水不直接进入热泵机组的冷凝器或蒸发器，而是利用板式换热器，将河水与热泵侧的冷热源水进行分隔的系统。间接式系统对热泵机组的换热器有很好的保护，无需经常清洗；缺点是使进入热泵机组的冷热源水夏季升高（1～2）℃，冬季降低（1～2）℃，运行效率降低；多了一级循环水泵，增加了能耗，板式换热器的管理清洗较热泵机组更加麻烦。

对河水水质进行了测试，测试结果见表2。对比表中数据可以看出，河水水质参数基本能满足热泵机组的水质要求。但浊度较高，从保护机组运行的角度，本水源热泵系统采用间接式系统。

表2 江水水质主要参数

直接式系统的设计相对比较简单，最关键是选取合适的水流量。夏季制冷时，冷却水测流量根据冷凝负荷的大小，按照5 ℃温差设计即可。冬季制热时，必须保证机组换热器出口水温在2 ℃以上，因此水侧进出口温差一般保持在3 ℃以内。在某些地区，若冬季地表水温低于5 ℃，则不适合采用开式热泵系统；间接系统的设计主要是冷却水与水源之间的中间换热器的设计，一般选取板式换热器。水源侧的温差选取与直接式一样，冷凝测温差一般按照5 ℃设计，参照换热器的选型计算。

1.2 水源热泵系统设计

水源热泵系统图见图2。在制冷模式下，水从河流底部通过潜水泵提取上来，并在通过除沙装置后流入板式换热器。在板式换热器内，被河水冷却的循环水流动后冷却冷凝器。如图2所示的阀门2、4、5、7打开，同时阀门1、3、6、8关闭。经过冷却的冷冻水流入分水器，然后被分配到各个房间的风机盘管内。在制热模式下，循环水被从河里抽取的河水加热，然后流入蒸发器加热制冷介质。如图5所示的阀门1、3、6、8打开，而阀门2、4、5、7关闭。经过加热的水流入分水器，然后被分配到各个房间的风机盘管内。热泵机组参数见表3。

图2 水源热泵系统流程图

表3 热泵机组参数

1.3 取排水口设计

河体距离水源热泵系统机房约10 m。考虑到水体的温度垂向分层，将取水口置入河面2 m以下。河水被潜水泵提升经水处理设备后进入板式换热器。为了避免排水的影响，排水点设置在距离取水口10 m远的下游。图3为取排水口示意图。

图3 取排水口示意图

2 系统测试与分析

采用热电阻（精度±0.15 ℃）测试了河水温度、板换的进出口温度、蒸发器进出口温度及冷凝器进出口温度。数据采集间隔为10 s。流经板换的河水流量、冷却水流量及冷冻水流量采用超声波流量计测量（精度5%）。

2.1 夏季运行工况

夏季运行见图4～图7，在室外平均温度为33 ℃，河水温度为30 ℃的情况下，机组的制冷量为72.8 kW，COP约为5.2。

图4 夏季室外温度及湿度

2.2 冬季运行工况

冬季运行情况见图8～图11，在室外平均温度约为11 ℃、河水温度为9 ℃的情况下，机组的制热量约为68.2 kW，机组COP约为3.1。

图5 河水进出口温度

图6 蒸发器侧冷冻水进出口温度

图7 冷凝器侧冷却水进出口温度

图8 冬季室外温度及湿度

图9 河水进出口温度

图10 冷凝器进出口温度

图11 蒸发器进出口温度

3 结论

1) 对河水水质进行了测试，发现浊度不能满足机组的要求，为保护机组换热器，采取间接式换热方式。

2) 在室外平均温度为33 ℃、河水温度为30 ℃的情况下，机组的制冷量为72.8 kW，COP约为5.2。

3) 在室外平均温度约为11 ℃、河水温度为9 ℃的情况下，机组的制热量约为68.2 kW，机组COP约为3.1。

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Design and Performance Analysis of Open Loop River Water Source Heat Pump System

YU Xin*1, LI Rui2, DAI Yan-jun2
(1-Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China; 2-Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The operation performances of water-to-water heat pumps using river water as the heat source and sink were investigated. The system test-bed was constructed in Sino-Italy green energy laboratory in a campus in Shanghai. An initial experiment was carried out on the quality of river water. The results indicate that the water should not go through the heat pump directly. The river water source heat pump system and performance testing system were designed, and then the system performances in a typical summer day and a typical winter day were investigated and analyzed. The results indicate that the system COP in the typical summer day and COP in the typical winter day are 5.2 and 3.1, respectively.

River water source heat pump; Water quality test; System design; System experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.109

*余鑫（1983-），男，工程师，博士。研究方向：空调系统，通风系统。联系地址：上海市虹漕路29号，邮编：200233。联系电话：021-61863657。E-mail: yuxin@snerdi.com.cn。