環境變化對水源熱泵的影響及應對措施

李 巖

（河南廣播電視臺104 臺，河南鄭州 450018）

0 引言

某發射臺建筑面積約4600 m2，現有兩套西亞特LWP1800中央空調水源熱泵機組，供發射臺辦公區域供暖/制冷、供熱水使用。近年來，供暖/制冷效果漸差，無法滿足辦公區域夏季26 ℃、冬季22 ℃要求。本文對機組運行環境、運行相關數據進行分析，并提出相關解決措施。

1 水源熱泵工作原理

水源熱泵是以地下水為冷熱源，采用熱泵原理，以電為動力將地下水中的熱量、冷量提取出來。下面以制冷為例說明其工作原理：井水為機組排熱源，制冷劑在蒸發器內吸熱蒸發，制取冷水送入房間使用，制冷劑再經壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽送入冷凝器，再由井水帶走熱量、排至井中（圖1）。

圖1 水源熱泵工作原理

2 機組運行數據

選取2017 年和2018 年8 月份2#機組2#機頭的運行數據進行分析，發現同一機組同一機頭出水溫度逐年升高（圖2、圖3）。

圖2 2017 年8 月份2#機組2#機頭溫度曲線

圖3 2018 年8 月份2#機組2#機頭溫度曲線

3 原因分析

對比2017 年、2018 年相同月份同一機組同一機頭數據可以發現冷凝器出水溫度升高。冷凝器出水溫度的高低與空調井出水流量大小密切相關：水流量大，冷凝器出水溫度低，制冷效果好；水流量小，冷凝器出水溫度高，制冷效果差。供水（空調井水）→除沙器→1#閥門→2#主機冷凝器→7#閥門→回水井（回地下）。

（1）機組老化。現有機組于2004 年投入使用，至今已有15年，機組出現老化。冬季，外部電路不穩定導致機組出現高壓保護，水泵停止工作、蒸發器結冰，蒸發器銅管因結冰次數增多而膨脹變薄，繼而引發內漏。

（2）地下水位下降。氣候變化，周邊高層建筑增加，地下水不能100%回灌，地下水總體供給的不平衡會導致地下水位不斷下降，原抽水井井深100 m，水量已無法滿足機組運行要求。現已加深至150 m，如果繼續加深地下水溫度會升高，導致熱交換效率降低，機組運行效率降低。

4 解決辦法

4.1 下地埋管

換熱器埋管的布置方式分為垂直布置和水平布置兩種方式。其中，水平布置通常為淺層埋管，就是將塑料管水平敷設在離地面1～2 m 的地溝內，受地表氣候變化的影響，初期投資一般較少但換熱性能較差，受可利用土地面積的限制；垂直埋管布置方式，是在地層中垂直鉆孔，占地面積小，缺點是初期投資較高。由于決定地埋管換熱器實際換熱量的因素是多方面的，除了工程所在地巖土熱物理性質、換熱器內水流速度等相對固定的因素，還包括室外氣象參數、建筑物負荷等隨時間不斷變化且變化幅度也較大的因素。該臺為中波發射臺站，院內鋪設大量的地網線，因此不適合地埋管系統。

4.2 配合其他機組

臺專家組成員從前瞻性、節能性、性價比、科學性等角度對中央空調系統改造項目進行了論證，傾向于選用風冷模塊機組方案。該機組具有如下優點：

（1）新空調系統屬于閉式水循環系統，水質干凈，不易污染，極大降低水質對設備的污染及腐蝕，確保設備經久耐用。

（2）模塊化設計，系統運行更可靠。機組采用渦旋式壓縮機，根據外界溫度的變化及室內實際使用情況，系統智能計算，啟用相應數量的壓縮機自動調節，經濟節能。

（3）機身輕薄，節省空間。

（4）日常維護日程安排靈活。雙回路設計，供暖/制冷機組和制熱水機組的每個壓縮機均為獨立系統，互不干擾。在任意回路出現故障的情況下可實現邊運行邊檢修，單臺機組斷電維護無需中斷系統運行，保障能源的穩定性。

4.3 改造項目實施可行性

（1）安裝位置及噪聲。經現場勘測，新空調機組安裝在原空調機房前的空地上，場地滿足風冷模塊機組對空間的要求。同時，水泥固化地面，設備底座設置彈簧減振器，降低傳振。另外，機組設備安裝簡單、檢修方便，維保費用低，噪聲小。

（2）供電負荷。原空調機房兩組供電線路，一組1×120 為獨立電源，一組2×120 為并聯電源，配電柜配置滿足風冷模塊機組對負荷的要求。

（3）壓縮機的選擇。5 臺供暖/制冷機組，采用渦旋式壓縮機10 臺：10 臺壓縮機將系統分為10 個能量級，根據外界溫度的變化及室內實際使用情況系統智能計算，啟用相應數量的壓縮機自動調節，經濟節能；1 臺制熱水機組采用2 臺壓縮機，供暖/制冷機組和制熱水機組的每個壓縮機均為獨立系統，互不干擾；在某個壓縮機出現故障的情況下可實現邊運行邊檢修，保障能源的穩定性。

4.4 改造后的機組

系統設計參數為：進水溫度為12 ℃，出水溫度為7 ℃；夏季室外環境溫度為35 ℃，冬季室外環境溫度為-5 ℃。為滿足夏季室內溫度22 ℃、冬季18 ℃的要求，采用5 臺風冷熱泵模塊機組、1 臺熱水機組，實現冬季供暖、夏季制冷和生活熱水。

（1）改造后機組情況。模塊式風冷熱泵機組不需冷卻塔，無需專用機房，便于管理和維護，在河南廣播電視臺投入使用以來，運行狀況良好，空調主管道、末端管道、風盤電機等為原有系統，各末端水流量匹配平衡，室內空調區域的使用效果較為理想。

（2）改造后配電柜。風冷模塊機組電源使用原空調機房2×120 電源，即取自低壓配電室AA03-1 低壓開關柜。

（3）改造后的經濟效益。考慮到改造前機組的實際運行情況，選取2017 年7 月份與2020 年7 月份用電情況進行對比，2017年的有功電量數為346 200 kW·h，2020 年為316 850 kW·h，每月少用電近30 000 kW·h。按當前電價0.585 元/（kW·h）計算，每月可節省電費約17 000 元。

5 結束語

新機組的使用解決了原有中央空調機組因老化和地下水位下降而無法滿足辦公區域制冷/暖需求的問題，同時實現了自動化控制。風冷模塊機組可以根據不同季節及不同負荷（開啟空調的房間數量）的使用情況靈活實現多級能量調節，調節投入運行的模塊機組數量，使機組的輸出功率時刻保持與實際需求相一致，滿足經濟節能要求。同時，可以按照所需制冷/暖量的大小，選擇不同的單機組成不同制冷/暖量的機組集成，空調系統增容時只需增加新的模塊單元即可，便于擴容和分步投入使用。