开式地表水地源热泵系统实用分析

摘要：根据丹江口水库区域的气候特点及水文状况，分析在该区域应用开式地表水源热泵系统的可行性及应注意的问题。并以武当山体育馆地表水地源热泵系统为例，对该系统在丹江口水库区域的实际应用进行了评价。

随着我国可再生能源利用法及公共建筑节能设计标准的实施，创新、节能、环保已成为空调设计技术发展研究的主题，而利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的的根本途经。丹江口水库作为我国南水北调中线工程的水源工程，在大坝加高后其蓄水量及热容量大,尤其是水质优良、在水体较深区域，夏季水温低，冬季水温变化小；水库低品位蓄能丰富，具有很大的开采潜力，非常适合采用地表水地源热泵空调系统。

库区的地貌主要特点是高差大、坡度陡、切割深，最高海拔1798.9m，相对高差1711.9m。

总的地形是西高东低，汉江沿线形成峡谷和盆地相间的地貌。

1.2丹江口水库地区的气候条件

丹江口水库库区位于我国南北气候过渡地带的秦巴山区，属北亚热带季风气候，具有四季分明、光能充足、热能丰富、降雨集中、立体气候等特点。年平均总日照为2046h，年平均气温15.9℃，最低月平均气温2.4℃(1月)，最高月平均28℃（7月），全年无霜期为248~254天。库区年均降雨量850~950mm，年内最大降雨量1360mm（1964年），年内最小降雨量504mm（1978年），坝址附近多年平均风速2.0m/s，最大风速20m/s（ENE）。夏季空调室外计算温度35℃，冬季空调室外计算温度-2.9℃。 二、丹江口水库的水资源状况分析： 2.1丹江口水库库容及水位

丹江口水库入库支流较多，有丹江、堵河、神定河等，年平均入库水量395亿M3,入库径流以汛期为主，5~10月水量占年总水量79%以上。库区内泥沙以悬移质为主，全流域面积15.9万Km2，坝址以上9.52万Km2。其特征值如下：设计洪水位172.2M，校核洪水位174.5M，正常蓄水位170M，防洪高水位171.7M，汛期蓄水位160/163.5M（夏季/冬季），死水位/极限消落水位150/145M，正常蓄水位以下库容290.5亿M3，死库容126.9~100亿M3，坝顶高程176.6M。

2.2丹江口水库大坝加高后坝前水温预测：

武汉大学水资源与水电工程国家科学重点实验室基于其1970~1978年水库水温实测资料，采用水库水温统计数学模型对水库大坝加高后水库水温进行了预测（文献1），其结果详见下表1。 大坝加高后坝前各月平均水温分布表(℃) 表1

长江流域水环境监测中心于1995年开始对库区台子山、浪河口等区域断面进行监督性水质监测，2004年6月对水库库区水质进行了全面调查监测。根据2004年实测资料，长江流域水环境监测中心采用地面水质标准（GB3838-2002）对丹江口水库库区进行分年、分断面和分水期的水质评价，评价结果分析如下：库区、台子山、陶岔、浪河口水质：综合评价均为Ⅱ类，水质优良。 三、开式地表水地源热泵空调系统对水源系统的要求： 其主要要求是：取水量充足、水温适度、水质适宜、供水量稳定。具体来讲，水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷负荷的需要，水质对机组设备不产生腐蚀损坏。

3.1水温

水源系统水温首先要适合地表水地源热泵空调机组的运行工况。根据美国制冷学会ARI320标准，开式地表水地源热泵空调机组对水温的要求范围是5~38℃。制热工况时，随着进入蒸发器水温的升高其能效比也随之提高；制冷工况时，随着进入冷凝器的水温降低其能效比也随之提高。但一般地源热泵机组使用工况要求为：夏季最低启动温度约为18℃，冬季最高启动温度约为22℃。

3.2水质

目前在实际工程中，对于应用于开式地表水地源热泵空调系统的水源系统的水质无具体规定，可借鉴《生活杂用水水质标准》（GB25.1—1989）的要求。

3.2.1含砂量与浑浊度：含砂量应小于1／20万，仅作空调用的冷却水浑浊度为50～150毫克／升，空调系统中装有板式换热器，则要求水源水中固体颗粒物的粒径应＜0.5毫米。

3.2.2水的化学成分及其化学性质：地表水中溶有不同离子、分子、化合物和气体。水中分布最广的离子有七种，即CL-、SO2-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+与Mg2+，主要气体成分有O2、CO2、和H2S等几种。这些化学成份这些化学成分所产生的主要化学性质有酸碱度、硬度、总矿化度和腐蚀性等，对机组材质有一定影响。

3.2.3酸碱度：水的PH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。用于地表水地源热泵空调系统的水源水酸碱度（pH值）为7－9.2。

3.2.4硬度：水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。地表水地源热泵空调系统的水源水硬度要求，水中CaO含量应＜ 200毫克／升。

3.2.5矿化度：单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度，用于地表水地源热泵空调系统的水源水矿化度＜3克/升。

3.2.6腐蚀性：水中CL-、游离CO2都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管边的腐蚀破坏作用。用于地表水地源热泵空调系统的水源中，要求CL-＜100mg/L、SO4-2-＜200mg/L、Fe2+＜1mg/L、Mg2+＜0.5mg/L。

3.3水质处理通常采用的技术措施

如果水源的水质不适宜地表水地源热泵空调机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。在地表水地源热泵空调系统中经常采用的水处理技术有以下几种：

3.3.1除砂器与沉淀池

当水源水中含砂量较高时，可在水系统中加装旋流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和管网遭受磨损。国产旋流除砂器占地面积较小，有不同规格，可按标准处理流量选配型号和台数。如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池费用比除砂器低，但占地面积大。

3.3.2冷水过滤器

有些水源，特别是地表水浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。

3.3.3电子水处理仪

在水源中央空调系统运行过程中，冷凝器中的循环水温度较高，特别是在冬季制热工况下。水温常常在50℃以上，水中的钙、镁离子容易析出结垢，影响换热效果。通常在冷凝器循环水管路中安装电子水处理仪，防止管路结垢。同时，还可利用电子水处理仪处理藻类或细菌。 四、应用开式地表水地源热泵空调系统的可行性分析： 4.1丹江口水库的水量及水质

从丹江口水库的水资源条件及多年水质监测报告分析：其水库库容量大、水量充足、除洪水期间支流入水库处水体产生浑浊外，水质优良，可以满足地表水地源热泵空调系统对水源系统水量及水质的要求。但是由于该水库作为我国南水北调中线工程的水源工程，空调系统采用地源热泵不能对库区水质造成污染，因此必须采取切实可靠的措施确保该方案的实施，如采取换热器隔断空调水系统和开式地表水系统等。

4.2丹江口水库的水温

从丹江口水库水温实测结果（1963~1973年）及水库大坝加高后坝前水温预测报告可以看出：冬季随着水深增加，其温度先增加后减小，大约在水深30M时，其水温综合平均值最高（12月～2月），但水深在20～30M范围时，其水温综合平均值相差很小；夏季（6月～9月）随着水深增加，其温度逐渐减小。因此综合冬夏季水温状况，地表水取水系统的取水深度在20～30M之间较为合适，可以满足地源热泵机组的使用工况要求（除在25～30M深，6月份水温为15.0～13.6℃不合适外）。

由于水库夏季水温随着水深增加，其温度逐渐降低，水温变化范围为29.6～11.0℃（八月份），特别是水深在20～30M范围时，水温变化范围为13.6～21.8℃，因此空调系统夏季部分时段可以采用水库水体直接供冷，如果取水深度在50M以下时，夏季制冷机组运行时间则更短，但取水深度受限于建筑物相对于水库的位置及取水系统的投资等方面制约。

4.3 开式地表水源热泵空调系统节能特性分析：

以下为开式地表水地源热泵与风冷热泵的节能特性进行对比分析：图2~3为上海某公司700Kw螺杆式水源热泵机组在夏季和冬季不同水温下的特性曲线图（测试平台下实测值）。 从图中可以看出：当夏季水库水深在20M时，八月空调冷却水水温为21.8℃，水源热泵机组能效比（EER）为5.4，若采用板式换热器进行二次换热，其冷却水温考虑增加2℃，此时水源热泵机组能效比（EER）为4.9。同理当夏季水库水深在30M时，水源热泵机组能效比（EER）分别为6.2和5.8。而夏季室外气温在35℃时，风冷热泵机组能效比（EER）为3.2。

由此可以得出在水深20～30M时，采用地源热泵比采用风冷热泵其能效比提高约为53～81％。

冬季水库水深在20～30M时，其水温最低为8.0~8.3℃，水源热泵机组能效比（COP）为4.8, 若采用板式换热器进行二次换热，其冷却水温考虑降低2℃，此时水源热泵机组能效比（COP）为4.7，而冬季室外气温在-2.9℃时，风冷热泵机组能效比（COP）为2.4。由此可以得出在水深20～30M时，采用地源热泵比采用风冷热泵其能效比提高约为96％。

从以上分析可看出：水源热泵机组能效比远远高于风冷热泵机组的能效比，地表水显示出优于空气的换热性能。地表水的运行水温比风冷热泵的运行气温更稳定、更有利，COP较为稳定，且不存在风冷热泵的除霜问题。

同时丹江口水库水体较深，底部水体温度较低，夏季部分时段可以根据建筑物冷负荷情况直接利用水库下部的水体来直接供冷达到少开启机组、充分节约能源的目的，其节能效果显著。

4.4几种空调冷热源方案的经济性比较分析：

因武当山体育馆工程所在地无天然气供应，空调采用蓄冷、蓄热时无分时电价政策，且由于环保的限制，燃煤锅炉禁止使用，因此本工程空调冷热源方案采用以下三种方案进行经济比较分析。

方案（一）：开式地表水地源热泵空调系统。

方案（二）：常规水冷螺杆机组+燃油热水锅炉空调系统。

方案（三）：常规风冷热泵机组空调系统。

4.4.1三种方案冷热源主要设备配置及投资比较分析（空调冷热负荷见5.2）：见表2~4。 方案（一）：开式地表水源热泵空调系统 表2