《地源熱泵大學(xué)堂》（連載四）

馬最良
哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院教授

    第2講  水源熱泵機組

　　　水源熱泵機組，又稱水源熱泵。它是指以水為熱源（或熱匯），可以進(jìn)行制冷/制熱的一種整體熱泵機組，通常有水/空氣和水/水兩種水源熱泵機組。它在制熱時，以水為熱源，而在制冷時以水為熱匯。

　　　2.1 水源熱泵機組

　　　2.1.1水/空氣熱泵機組

　　　圖2-1給出小型的水/空氣熱泵機組的工作原理圖。機組供冷時（圖2-1a），制冷劑/空氣熱交換器2為蒸發(fā)器，制冷劑/水熱交換器3為冷凝器。其制冷劑流程為：

全封閉壓縮機1→四通換向閥4→制冷劑/水熱交換器3→毛細(xì)管5→制冷劑/空氣熱交換器2→四通轉(zhuǎn)向閥4→全封閉壓縮機1。

機組供熱時（圖2-1b）制冷劑/空氣熱交換器2為冷凝器，制冷劑/水熱交換器3為蒸發(fā)器。其制冷劑流程為：

全封閉壓縮機1→四通換向閥4→制冷劑/空氣熱交換器2→毛細(xì)管5→制冷劑/水熱交換器3→四通換向閥4→全封閉壓縮機1。

　　　小型水/空氣熱泵機組主要用在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，也可用于分散式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，即將井水（或地表水、地埋管出水）直接送至各個室內(nèi)，在室內(nèi)設(shè)置水/空氣熱泵，進(jìn)行供暖與供冷。目前小型水/空氣熱泵機組有以下幾種類型[1]：

按安裝的方式可分為暗裝機組和明裝機組兩種。暗裝機組一般吊裝在頂棚中或設(shè)置在專門的小型機房內(nèi)。采用暗裝方式，便于與室內(nèi)裝飾協(xié)調(diào)一致，一般需要接風(fēng)管，因此，它的噪聲相對要低些。目前暗裝機組主要有水平式吊頂機組和垂直式座地機組；室內(nèi)明裝機組不接風(fēng)管的通常是直接置于室內(nèi)窗下或墻角處，機組外觀十分大方。由于明裝，因此安裝、維修相對更方便些。目前明裝機組主要有立式明裝機組、立柱式機組等，見圖2-2；但是設(shè)置在屋頂上，常作為處理新風(fēng)用的水平屋頂機組，也屬于明裝機組。

  （2）按機組結(jié)構(gòu)形式可分為整體式機組和分體式機組。圖2-2給出的機組結(jié)構(gòu)形式均為整體式機組，它與單元式空調(diào)機組機構(gòu)形式類似。分體式機組是將空氣/制冷劑換熱器與風(fēng)機組成獨立的室內(nèi)機。而將水/制冷劑換熱器與壓縮機組成獨立的另一部分，置于箱體內(nèi)，可安裝在走廊或其他地方（如衛(wèi)生間）。與整體式機組相比，分體式有如下特點：

　　 ① 壓縮機噪聲對室內(nèi)的影響小，故室內(nèi)噪聲相對很?。?br />
② 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝時要注意制冷劑管道的安裝；

③ 室內(nèi)機組有多種形式可供選擇，使中央空調(diào)更具有個性化特點。

   （3）按電源供應(yīng)方式可分為單相電源供電和三相電源供電兩種。當(dāng)單臺壓縮機的輸入功率在2.25kW（3HP）以下時，通常采用單相電源供電，在2.25kW(3HP)以上時，則采用三相電源供電。

　　　2.1.2 水/水熱泵機組

早在20世紀(jì)30年代，水/水熱泵就已問世，是世界上最早使用的熱泵機組之一，也是我國早期使用的熱泵機組。其組成與結(jié)構(gòu)同我們常用的冷水機組基本相似，它由壓縮機、冷凝器（水/制冷劑換熱器）、蒸發(fā)器（水/制冷劑換熱器）、貯液器、節(jié)流機構(gòu)、油分離器、電控裝置等組成。所用制冷劑主要有R22、R134a 、R407c、R410a、R404a等。所不同之處主要有：

   （1）水/水熱泵的功能為供熱與供冷（一機兩用），或供冷、供熱和熱水供應(yīng)（一機三用）。

   （2）水/水熱泵的制熱工況與制冷工況相差較大。因此，由于水/水熱泵的運行特點，對壓縮機有一些特殊要求。如：

　　　 ① 壓縮機的曲軸箱中常裝有電加熱器；

② 熱泵壓縮機所使用的潤滑油的黏度隨溫度的變化希望較平緩；

③ 熱泵機組中的壓縮機，工作條件比冷水機組中的壓縮機要差得多。一般要求有較高冷凝壓力，排氣壓力和溫度也高，導(dǎo)致壓縮比大，壓差大。因此，水/水熱泵要選用供熱泵應(yīng)用的壓縮機。

④ 水/水熱泵中的壓縮機冬夏都用，運行時間長，因此要求壓縮機在第一次大修前至少有5年的壽命，即能無故障運行25000h。

⑤ 水/水熱泵中的半封閉或全封閉壓縮機向環(huán)境的散熱損失應(yīng)盡可能小，這點與冷水機組壓縮機不同。因為這些損失會減少熱泵的供熱量。

   （3）小型水/水熱泵機組中設(shè)置四通換向閥，通過四通換向閥，實現(xiàn)供熱工況與制冷工況的轉(zhuǎn)換，因此，要求水/水熱泵機組中的水/制冷劑換熱器既是蒸發(fā)器，又是冷凝器。而眾所周知，對于蒸發(fā)器和冷凝器，各有不同的要求和特點。而且機組中蒸發(fā)器與冷凝器各自的負(fù)荷大小也不一樣。為此，小型水/水熱泵機組中水/制冷劑換熱器應(yīng)同時滿足冬夏的工作條件。大型水/水熱泵機組無四通換向閥，其制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換是通過水系統(tǒng)上閥門的開啟來實現(xiàn)的，因此，避免了水/制冷劑熱交換器既作冷凝器又作蒸發(fā)器所帶來的問題。

　　　還有一點值得我們注意：地下水源熱泵、地表水源熱泵、地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中全是采用水源熱泵機組，但是地表水、地下水和土壤全年溫度范圍有較大的差異。因此，設(shè)計中，選用的液體進(jìn)入溫度亦不相同。如在美國，地下水源液體進(jìn)入溫度選擇范圍：供熱時，北方是4.4℃，南方是10℃；供冷時：南方最高為29.4℃。地表水熱泵液體進(jìn)入溫度選擇范圍：供熱時，北方是-1.1℃，南方是12.8℃；供冷時，北方是26.7℃，南方是35℃。土壤耦合熱泵液體進(jìn)入溫度選擇范圍：北方是-1.1℃，南方是16.7℃；供冷時，北方是32℃，南方是40.6℃[2]。正是由于三種熱泵的液體進(jìn)入溫度的不同，將會對水/水熱泵機組或水/空氣熱泵機組的性能產(chǎn)生不同的影響。因此，不能把三種地源熱泵混為一談，而應(yīng)區(qū)別對待，甚至不同地源熱泵所采用的水/水熱泵機組或水/空氣熱泵機組應(yīng)具有各自的特點。

　　　2.1.3熱泵站大容量水/水熱泵機組

　　　近年來，熱泵站在我國已引起人們興趣和應(yīng)用。熱泵站在20世紀(jì)70年代末80年代初在瑞典開始應(yīng)用[3]。圖2-3給出瑞典某大型熱泵站，它由3臺單機供熱能力13MW熱泵機組成?，F(xiàn)以此熱泵站為例介紹熱泵站大容量水/水熱泵機組的特點。

圖2-4給出供熱能力13MW熱泵機組原理圖，它主要由離心式壓縮機組、電動機、冷凝器、過冷器、閃發(fā)器（又稱經(jīng)濟(jì)器）、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等設(shè)備與器件組成。

 
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訪談：馬最良教授談地源熱泵的推廣應(yīng)用科學(xué)之道

馬最良教授簡介：
哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。曾是中國制冷學(xué)會理事會理事、黑龍江省制冷學(xué)會副理事長、黑龍江省能源研究會副理事長、中國建筑裝飾協(xié)會暖通空調(diào)委員會理事，《暖通空調(diào)》、《地源熱泵》等雜志編委。從事的主要研究方向有：熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中應(yīng)用理論與實踐；暖通空調(diào)設(shè)備的研制與開發(fā)；暖通空調(diào)設(shè)備性能試驗方法的研究與發(fā)展。研究成果累累。著有《熱泵》、《制冷技術(shù)與應(yīng)用置》、《建筑節(jié)能技術(shù)》、《民用建筑空調(diào)設(shè)計(第1版和第2版)》、《水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計（第1版和第2版）》、《熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實踐》、《地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用》、《暖通空調(diào)熱泵技術(shù)》、《空調(diào)工程中的制冷技術(shù)》（第1版和第2版）等著作與教材。

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