井水温差对水源热泵的影响

水源热泵空调系统概述
地球是一个巨大的恒温体，蕴藏了无穷无尽的能量，无论冬夏季节3m以下的土壤/地下水温相对恒定。水源热泵机组在电能的驱动下，将地下取之不尽、循环再生但不可直接利用的低位能量开发利用，成为可利用的高位能。它可以满足冬季供暖、夏季供冷的需要，又能用来制取卫生热水，解决洗澡用水的供应问题，充分显示了其一机三用的优越特性，因而在各类建筑物中得以广泛应用。
水井供应系统是水源热泵中央空调的关键部分之一，它是整个中央空调系统的能量来源，与传统中央空调系统对比，它取代了锅炉供热系统和冷却塔，因此在水源热泵中央空调工程中是重中之重。空调系统从井水中提取的能量Q（Q=C.M.Δt）与井水流量M和井水供回温差Δt的乘绩成正比。当空调系统设计值Q确定后，井水流量M变小，井水温差Δt加大，压缩机耗能增大，潜水泵耗能减小；反之，井水流量M变大，井水温差Δt减小，压缩机耗能减小，潜水泵耗能增大。那么，对于一个水源热泵井水供应系统而言，到底井水温差取多大，整个空调系统能量提取部分的能效比最高、投资最节省呢，本文将根据不同的工况对此作详细的计算分析。
二、冬夏季运行不同工况下的能效比计算
以郑州市某个建筑面积为12000m2办公楼的项目为例，夏季冷负荷1200kw ，冬季热负荷900kw 。选配二台名义制冷量550kw的单螺杆式水源热泵机组，压缩机采用台湾汉钟RC520 H-CR。项目所在地水井井深150米，单井出水量可达到70吨/小时，此时潜水泵扬程为60米。夏季井水出水水温为18℃，冬季井水出水水温为16℃。
每小时井水的循环量计算公式为：
制冷时
M =（制冷功率+ 输入功率）×860÷?T（对井水利用温差）
制热时
M =（制热功率―输入功率）×860÷?T（对井水利用温差）
在上述公式中，设计人员容易产生分歧的是 ?T 到底应该取多少。为此我们先了解一下水冷冷水机组空调方式所用的冷却塔。按照暖通空调设计规范，冷却塔的理论进出水温度为30/35 ℃，实际运行工况进出水温度为32/37 ℃，?T为5 ℃，它是指主机排出的35-37 ℃冷凝水经冷却塔冷却为30-32 ℃再进入主机，如此周而复始地循环，建筑物排出的热量最终靠塔内的水蒸发而带走。?T能否再增大呢，不能，因为冷却塔是靠塔内的水自然蒸发而带走建筑物（中央空调主机）排出的热量，再大就不经济了，主机也会自动保护停机。
水源热泵主机在夏季接井水制冷，如接冷却塔的冷却水同样可以制冷。如果接后者，?T为5 ℃，冷却水的进水是30-32 ℃，排出水温是35-37 ℃，冷却水的平均温度为32.5—34.5℃。如果接井水，假如井水的进水是18℃，温差?T是16℃，此时排出水温是34℃，井水的平均温度为26℃，冷却效果依然远优于冷却塔标准工况。
实际上，在空调系统运行中出现设计最大负荷量的时段所占的比例只有4-5% ，即使温差?T取18℃计算井水量，在流量不变的前提下，实际运行温差在绝大多数时段为10--12℃。因此，在实际应用中，可以将水源热泵井水温差扩大到16℃。
依据台湾汉钟RC520 H-CR的参数表以及上述计算公式，可得出单台主机夏季运行各参数下表：

井水进水
温度℃ 井水出水
温度℃ 井水流量
吨/小时 潜水泵输入
功率kW 压缩机输入
功率kW 制冷量
kW
18 24 96 26 97.5 572.2
18 25 82 22 99.5 567.5
18 26 71 20 101.5 562.7
18 27 63 18.5 103.5 557.8
18 28 57 15 105.6 552.8
18 29 51 11 107.7 547.6
18 30 47 9.5 109.8 542.4
18 31 43 8.5 112 537.1
18 32 40 7 114.2 531.6
18 33 37 6 116.4 526.1
18 34 34 5.5 118.6 520.4


根据上表计算可知：井水进出水温差Δt设定值变化时，能量提取部分的能效比COP（输出量/压缩机+潜水泵耗电量）如下：
Δt=6℃时 COP=4.63
Δt=8℃时 COP=4.63
Δt=12℃时 COP=4.55
Δt=16℃时 COP=4.20
Δt =16℃与Δt =8℃相比，井水需求量减少了52%，能效比仅减少了9.2% 。
冬季，依据台湾汉钟RC520 H-CR的参数表以及上述计算公式，可得出单台主机运行各参数下表：

井水进水
温度℃ 井水出水
温度℃ 井水流量
吨/小时 潜水泵输入
功率kW 压缩机输入
功率kW 制热量
kW
16 11 91 25.5 147.2 677.5
16 10 73 20 146.1 657.6
16 9 61 18.5 144.9 638.1
16 8 51 11 143.7 619.1
16 7 44 9 142.5 600.6
16 6 38 6 141.3 582.5
16 5 33 5.5 140 564.9
16 4 29 4.5 138.8 547.8


根据上表计算可知：井水进出水温差Δt设定值变化时，能量提取部分的能效比COP（输出量/压缩机+潜水泵耗电量）如下：
Δt=6℃时 COP=3.96
Δt=8℃时 COP=4.0
Δt=10℃时 COP=3.95
Δt=12℃时 COP=3.82
Δt =12℃与Δt =6℃相比，井水需求量减少了60%，能效比仅减少了3.5% 。
注：上述分析适合于地下水温较高的寒冷地区和夏热冬冷地区，东北地区浅层地下水出水水温只有8℃左右，冬季Δt最大值也只能取7℃，应区别对待。

三、不同温差取值对空调系统实施方案的影响
仍以建筑面积为12000m2办公楼的项目为例。
第一种方案：当夏季Δt =8℃，冬季Δt =6℃时，该系统夏季井水需求量为142吨/小时，冬季井水需求量为146吨/小时，工程施工时取最大值146吨/小时。按照该项目所在地的地质条件，需要深150米的出水井2口，潜水泵2台，回水井4口，共六口井。水井及附属设备部分投资50万元。
第二种方案：当夏季Δt =16℃，冬季Δt =12℃时，该系统夏季井水需求量为68吨/小时，冬季井水需求量为58吨/小时，工程施工时取最大值68吨/小时。按照该项目所在地的地质条件，需要深150米的出水井1口，潜水泵1台，回水井2口，共三口井。水井及附属设备部分投资25万元。
由于出回水井之间须保持一定的间距，该项目建筑物周边位置有限，只具备4口水井位置，所以第一种方案不能实施。最后采取了第二种方案。