浅谈湖水源热泵系统方案

浅谈湖水源热泵系统分析建议

地表水源热泵就是利用江、河、湖、海的地表水作为热泵机组的热源。当建筑物的周围有大量的地表水域可以利用时，可通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组或将热泵

机组的热量释放到地表蓄水体中。根据热泵机组与地表水连接方式的不同，可将地表水源热泵分为两类：即开式地表水源热泵系统和闭式地表水源热泵系统。

开式地表水源热泵系统和开式地下水源热泵系统近似，但由于地表水的传热特性与地下水的传热特性相差甚远，因此地表水源热泵系统的设计与地下水源热泵系统的设计不同。

闭式地表水源热泵系统与土壤源热泵系统类似，即通过放置在湖中或河流中的换热器与热泵机组连接，吸热或放热均通过湖水换热器内的循环介质进行。当热泵机组处于寒冷地区时，在冬季制热工况时，湖水热交换器内应采用防冻液作为循环介质。在开式系统中，从蓄水体底部将水通过管道输送到热泵机组中，进行热量交换后，再通过排水管道又将其输送回湖水表面，但水泵的吸入口与排放口的位置应相隔一定的距离。在开式地表水源热泵系统中，地表水的作用与冷却塔近似，而且不需要消耗风机的电能及运行维护费用，因此初投资比较低。

开式系统的主要优点如下：

由于减少了湖水换热器，增加了地表水与制冷剂之间的传热温差，因此比闭式地表水源热泵机组的换热量增大，即在相同条

件下，增加了机组的制冷量或制热量。如果湖水较深，湖水底部的温度比较低，夏季可以利用湖水底部的低温水来预冷新风或空调房间的回风，充分节约能量。来自热泵机组的温水排放到湖水上部温度较高的区域，这样保证湖水温度分布不发生改变，对湖水温度的影响小

开式系统存在的最大缺点是热泵机组的结垢问题。可采用可拆卸的板式换热器，并定期对其进行清洗或对机组进行定期的反冲洗等。另外，用于冬季制热，当湖水温度较低时，会有冻结机组换热器的危险，因此开式系统只能用于温暖气候的地区或热负荷很小的寒冷地区。在实际工程中，开式系统多应用于容量小的系统。

开式地表水源热泵系统的设计

开式地表水源热泵系统中，由于没有湖水换热器，系统设计相对简单，最关键的是选取合适的水流量。在夏季制冷时，由于地表水的温度总是低于空气温度，机组运行效率比较高。冷却水侧流量应根据放热负荷的大小。在冬季制热时，必须保证机组换热器出口水温在2以上，因此水侧进出口温差一般保持在3以内，每千瓦热负荷的最佳流量为0.2m³/H 。在气候寒冷地区，若冬季地表水温度在7以下时，则不适宜用开式热泵系统。

与土壤源热泵系统相比，闭式地表水源热泵系统的投资、泵的输送耗电量、湖水换热器的投资及运行费用方面均比较低。与开式地表水源热泵系统比较，它的优点如下：

在热泵机组换热器内的循环介质为干净的水或防冻液，机组结垢的可能性很小。湖水换热器环路水泵比开式系统的耗电量低。这是因为开式系统要克服湖水到热泵机组的静水高度，而闭式系统则不用.闭式系统应用更广。当冬季湖水温度较低时，为了防止机组换热器内循环液冻结，须采用闭式系统。当湖水温度在7以下时，环路内就必须采用防冻液。

闭式系统的缺点：如果湖水换热器处于公共区域，有可能遭到人为的破坏；另外，当湖水或河水比较浅时，水温受室外大气温度的影响比较大，这将引起机组效率和制冷量的变化，但这个水温的变化对机组的影响比空气温度的变化对空气源热泵的影

响要小，也就是说，地表水源热泵机组的实际运行效率比空气源热泵机组要高；当湖水水质比较浑浊时，位于湖底的换热器可能结垢，影响传热效果。

闭式地表水源热泵系统的设计与闭式土壤源热泵系统相同，闭式地表水源热泵系统设计的关键是换热器的设计。湖水的温度变化更复杂，比地下土壤或地下水的温度更难预测。当湖水有足够的深度时，湖水温度存在分层现象，当水深超过10米, 时，夏季时湖底部水温几乎保持不变。对于河水，一年四季中水温的变化比较大。在冬季，湖水表面的温度最低，而湖底部的水温一般比水面高3-5，可作为热泵机组的良好热源，特别是当湖面结冰以后，冰作为一个天然的保温层，使得底部的水不受表面冷空气的影响，效果会更好。

湖水的传热形式如下：接受来自太阳的辐射热；水面的蒸发传热；与周围空气之间的对流热交换；湖水换热器的吸热或放热；湖底部土壤与湖水之间的热传导；湖水渗漏带走的热量；若湖水存在入流和出流的话，还包括带入和带走的能量。夏季，以太阳辐射得热为主；当水温低于空气温度时，通过湖水表面的最大对流得热量仅为太阳辐射热量的10%.-20%.；湖水与底部土壤的导

热量更小；湖水的冷却主要通过蒸发传热。在晚上，当大气温度降低后，湖水对大气传热以长波辐射为主。

湖水换热器的设计

湖水换热器的设计包括湖水换热器的类型、长度、直径、并联环路的数量、循环介质的进出口温差等。

湖水换热器有两种类型：松散的线圈状盘管和平铺的环状盘管。由于松散的线圈状盘管往往相互重叠，在盘管周围存在“热点”或“冷点”（即靠近盘管的温度明显高于周围的水温），故传热效率比松散的环状盘管差，而且这种形式的换热器在制作安装时比较耗费时间。因此在工程中，湖水换热器多做成多个松散的环状盘管，通过重物将其沉入湖底。另外，松散的环状盘管单位长度的换热量比螺旋盘管大，因此所需换热器的长度大大减少。制作湖水换热器最常用的材料是高密度聚乙烯塑料管，在美国也有采用铜管来制作的。铜管导热性能比聚乙烯管要好，但它的使用寿命不如聚乙烯管。当冬季湖水温度在5-7时，若换热器的进

出口温差为5，则会导致热泵机组入口水温低于0，此时必须采用

防冻液。常用的防冻液有丙烯乙二醇，乙烯乙二醇、甲醇水溶液和乙醇水溶液。丙烯乙二醇溶液的毒性比较小，但粘度较大，因此循环泵的耗功量增大。当湖水温度在5$左右时，采用10%’的丙烯乙二醇溶液即可，该浓度防冻液的凝固点为-3。乙烯乙二醇的特性与丙烯乙二醇相似，粘度稍低，但毒性稍高，有些地区在公共湖中限制使用乙烯乙二醇，以防泄漏污染。甲醇和乙醇水溶液也常用做防冻液，粘性也比乙二醇低，相同浓度时的凝固点也比较低，目前最常用的防冻液就是乙醇水溶液。湖水换热器的流量，也即管内流速对总传热系数影响不大，主要热阻为管壁导热热阻，因此只要保证流动为紊流即可。建议每千瓦冷负荷的循环介质流量为0.05l/s ，换热器的管直径为25-40mm之间。

换热器的长度确定与土壤源热泵地热换热器的设计类似。具体设计步骤如下：!首先确定换热器的形式，即确定采用松散的

线圈状换热器还是采用平铺的环状换热器。"根据建筑物的冷

负荷和推荐的单位冷负荷的液体流量，初步确定换热器的管子直径。根据资料查出当地湖水温度，然后分别确定夏季和冬季换热器的传热温差。当换热器传热温差一定时，热泵机组换热器的入口温度即可确定。根据换热器的类型、管径和传热温差，查表即可得到单位冷负荷和热负荷所需的换热器长度。根据建筑物的冷热负荷分别求出冷、热负荷所需的换热器的长度，取其中的

最大值作为换热器的长度。确定换热器总的循环流量，并求出所需并联的环路数量。