水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水(如地下水、地表水、海水、江水及湖泊水)中蘊(yùn)含的低位能源作為熱泵的低溫側(cè)熱源，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崮芟蚋邷責(zé)嵩崔D(zhuǎn)移的一種技術(shù)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益。水源熱泵系統(tǒng)因?yàn)榫哂心苄禂?shù)高，運(yùn)行成本低和安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，在建筑空調(diào)和生產(chǎn)工藝上得到了廣泛的應(yīng)用。本文就水源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題展開(kāi)論述。

    1、制冷系統(tǒng)構(gòu)成

    水源熱泵完成制冷與制熱的功能轉(zhuǎn)換有兩種方式，一是通過(guò)水源熱泵系統(tǒng)空調(diào)水與地源水的轉(zhuǎn)換，另一種方式是通過(guò)四通換向閥進(jìn)行制冷劑側(cè)的切換。本文論述的對(duì)象為水側(cè)轉(zhuǎn)換的螺桿式水源熱泵機(jī)組。

    如圖1所示，水源熱泵機(jī)組制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥以及其它輔助元件構(gòu)成。與常規(guī)的水冷冷水機(jī)組比較，增加了輔助冷卻系統(tǒng)。

圖1  水源熱泵機(jī)組制冷系統(tǒng)原理圖

    2、螺桿壓縮機(jī)選型

    壓縮機(jī)是水源熱泵機(jī)組中最主要的設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，由于水源熱泵機(jī)組具有冬天制熱功能，所以其與常規(guī)冷水機(jī)組所采用的壓縮機(jī)在內(nèi)容積比方面有較大的區(qū)別。

    螺桿壓縮機(jī)的進(jìn)氣、壓縮和排氣過(guò)程發(fā)生在同一個(gè)方向。在此過(guò)程中吸進(jìn)來(lái)的氣體被壓縮, 體積慢慢縮小向排氣口推進(jìn)。被壓縮了的氣體通過(guò)一個(gè)設(shè)定尺寸和幾何形狀的排氣孔口排出﹐該排氣孔的位置決定了壓縮機(jī)的內(nèi)容積比(Vi)。Vi值與質(zhì)量流量和工作壓力比做相應(yīng)調(diào)整﹐以防止過(guò)壓縮或壓縮不足而降低效率。如某品牌螺桿壓縮機(jī)具有2.2、2.6、3.0、3.5、4.8等不同Vi值，而用在水源熱泵機(jī)組上的壓縮機(jī)Vi值一般為3.0。

     除了Vi值不同以外，用于水源熱泵機(jī)組的螺桿壓縮機(jī)與常規(guī)冷水機(jī)組的壓縮機(jī)比較如表1所示。

表1 熱泵型壓縮機(jī)與單冷型壓縮機(jī)的對(duì)比

    3、噴射冷卻系統(tǒng)

    由于熱泵壓縮機(jī)運(yùn)行工況較苛刻，其負(fù)載較水冷機(jī)組約高出20%至30%以上，在該種條件下，壓縮機(jī)電機(jī)與壓縮室將會(huì)出現(xiàn)高溫，此高溫會(huì)隨運(yùn)行狀態(tài)而變化，由于接近保護(hù)設(shè)定值上限，故極易使保護(hù)開(kāi)關(guān)作動(dòng)，致使系統(tǒng)停機(jī)。

    如圖1所示的噴液系統(tǒng)即為防止壓縮機(jī)過(guò)熱而設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)將液管一部份冷媒引出，通過(guò)節(jié)流閥的控制將液態(tài)冷媒噴入壓縮機(jī)內(nèi)進(jìn)行冷卻，達(dá)到保護(hù)壓縮機(jī)之目的。選用單級(jí)噴液或雙級(jí)噴液系統(tǒng), 取決于吸氣過(guò)熱度之大小或壓縮機(jī)負(fù)載大小。如壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于高冷凝溫度下運(yùn)行,并且吸氣溫度又較高, 則應(yīng)采用雙級(jí)液噴的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，水源熱泵機(jī)組均采用雙級(jí)噴液系統(tǒng)，對(duì)壓縮機(jī)的電機(jī)和壓縮室進(jìn)行噴液冷卻，如圖2所示。
 

圖2  螺桿壓縮機(jī)雙級(jí)噴液示意圖

    4、節(jié)流閥選型

    作為制冷循環(huán)的四大部件之一，節(jié)流裝置在系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用，選用合適的節(jié)流機(jī)構(gòu)與制冷系統(tǒng)相匹配是整個(gè)制冷設(shè)備安全運(yùn)行與降低能耗的重要一環(huán)。

    目前，水源熱泵機(jī)組常見(jiàn)的節(jié)流閥有機(jī)械式膨脹閥、節(jié)流孔板、電子膨脹閥、電子調(diào)節(jié)閥以及它們的組合應(yīng)用等多種形式。由于安全穩(wěn)定和價(jià)格便宜等原因，機(jī)械式膨脹閥多用于干式水源熱泵機(jī)組。由于機(jī)械式膨脹閥調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小，所以對(duì)于制冷量和制熱量相差較大的機(jī)組，應(yīng)采用特殊方式處理，比如采用并聯(lián)節(jié)流方式，則可以很好地匹配制冷與制熱工況。對(duì)于帶有冰蓄冷功能的機(jī)組，這一點(diǎn)應(yīng)被特別關(guān)注。

    5、換熱器設(shè)計(jì)

    如圖3所示，在制冷工況運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)水側(cè)為空調(diào)冷凍水；在制熱工況運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)水側(cè)為水源水。

圖3  水源熱泵系統(tǒng)原理圖

    國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19409-2003 水源熱泵機(jī)組》規(guī)定水源熱泵機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)工況如表2所示。機(jī)組在制冷運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度分別為12℃、7℃，溫差為5℃。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，機(jī)組在制熱時(shí)使用側(cè)出水溫度與熱源側(cè)出水溫度由名義制冷工況下蒸發(fā)器和冷凝器的水流量和機(jī)組的制熱量決定。一般來(lái)說(shuō)，制熱時(shí)使用側(cè)出水溫度為45℃，熱源側(cè)出水溫度為7~8℃，機(jī)組制熱時(shí)蒸發(fā)器水側(cè)溫差為7~8℃，有部分廠家產(chǎn)品溫差達(dá)到9℃。

表2 水源熱泵機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)工況

    對(duì)于冷凝器來(lái)說(shuō)，在制冷工況運(yùn)行時(shí)，其水側(cè)為水源水，在制熱工況運(yùn)行時(shí)，其水側(cè)為連接末端的熱水。如表2所示，標(biāo)準(zhǔn)工況制冷時(shí)，冷凝器進(jìn)出水溫度分別為18℃、29℃，溫差為11℃。標(biāo)準(zhǔn)工況制熱時(shí)，冷凝器進(jìn)出水溫度分別為40℃、45℃，溫差為5℃。

    一般來(lái)說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下機(jī)組的冷凝熱（制冷量與輸入功率之和）與標(biāo)準(zhǔn)制熱工況下的制熱量（也即冷凝熱）相差在10%范圍內(nèi)，根據(jù)熱量計(jì)算公式q=cm⊿t可知，機(jī)組冷凝器在制冷和制熱工況下的流量相差較大，接近一倍。這就對(duì)冷凝器的流速設(shè)計(jì)提出了新的課題。如果不做特殊設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足制冷流速要求時(shí)（此時(shí)流量較?。?，則機(jī)組在制熱運(yùn)行時(shí)流速會(huì)出現(xiàn)流速過(guò)高的情況，結(jié)果將造成系統(tǒng)阻力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)將加劇地下水中的沙粒對(duì)換熱管的磨損。反過(guò)來(lái)，滿(mǎn)足制熱流速要求時(shí)（此時(shí)流量較大），則機(jī)組在制冷時(shí)流速會(huì)出現(xiàn)過(guò)低的情況，結(jié)果將導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組高壓保護(hù)。

   本人認(rèn)為可以通過(guò)調(diào)整溫差或調(diào)整流程的辦法來(lái)解決冷凝器的制冷和制熱流量不均的問(wèn)題。調(diào)整溫差的辦法，就是適當(dāng)平衡機(jī)組在制冷和制熱時(shí)的冷凝器進(jìn)出水溫差。當(dāng)然，本人也不建議在很大程度上降低冷凝器制冷時(shí)的進(jìn)出水溫差，否則水源水泵的耗功將會(huì)顯著提高，系統(tǒng)將失去“大溫差小流量”的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

圖4  兩流程冷凝器示意圖

圖5  四流程冷凝器示意圖

    如圖4所示，冷凝器水側(cè)為兩流程結(jié)構(gòu)，圖5為四流程冷凝器結(jié)構(gòu)。如果在水量相差接近一倍的情況，可以考慮采用變流程結(jié)構(gòu)冷凝器，即在制熱時(shí)冷凝器流量較大，采用圖4所示的兩流程冷凝器，在制冷時(shí)冷凝器流量較小，采用圖5所示的相同管徑的四流程冷凝器，這樣在制冷和制熱時(shí)流過(guò)管內(nèi)的流速就大體相同了。當(dāng)然，在采用變流程時(shí)，沿程溫差也在發(fā)生改變，該種辦法的換熱效果如何，還需要試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

    蒸發(fā)器同樣也存在著和冷凝器類(lèi)似的溫差問(wèn)題，處理方法可以借鑒冷凝器的處理方法。

    鑒于直接式換熱機(jī)組效率高，目前很多地表水水源熱泵系統(tǒng)采用直接式系統(tǒng)，即取消地表水源和機(jī)組之間的中間換熱器。由于地表水水質(zhì)相對(duì)地下水水質(zhì)較差，污垢、生物粘泥和水垢將會(huì)在換熱器管壁上形成，機(jī)組的清洗問(wèn)題顯得尤為重要。目前清洗方式有人工機(jī)械式清洗、人工化學(xué)式清洗、自動(dòng)在線(xiàn)橡膠綿球清洗以及自動(dòng)在線(xiàn)尼龍刷清洗等多種方式。

    值得一提的是，近來(lái)，自動(dòng)在線(xiàn)橡膠綿球清洗受到越來(lái)越多的關(guān)注，那么適用該種清洗辦法的水源熱泵機(jī)組的換熱設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問(wèn)題呢？本人認(rèn)為有三個(gè)問(wèn)題值得關(guān)注，一是機(jī)組要設(shè)計(jì)成滿(mǎn)液式機(jī)組，這樣蒸發(fā)器換熱管內(nèi)側(cè)為水側(cè)，便于清洗；二是蒸發(fā)器和冷凝器的換熱管內(nèi)徑應(yīng)相同，這樣可以做到一臺(tái)清洗裝置可以清洗兩個(gè)換熱器；另外，考慮到螺紋不易清洗等原因，建議換熱管水側(cè)為光滑面。對(duì)于第三點(diǎn)，有些讀者可能顧慮這樣換熱效率是不是下降太多？本人認(rèn)為，換熱強(qiáng)化一般是強(qiáng)化弱側(cè)，對(duì)于水側(cè)是否強(qiáng)化，對(duì)于總的換熱效率影響不大。

    6、小結(jié)

    由于水源熱泵機(jī)組與常規(guī)冷水機(jī)組的功能和運(yùn)行工況不同，在設(shè)計(jì)水源熱泵機(jī)組時(shí)，除了以上幾個(gè)部分值得關(guān)注外，如何選用制冷劑，控制系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)以及熱回收技術(shù)如何運(yùn)用等問(wèn)題同樣值得探討，本人將在《關(guān)于水源熱泵機(jī)組若干設(shè)計(jì)問(wèn)題的探討（Ⅱ）》中繼續(xù)闡述。