直接式系统与间接式系统

对于开式湖水源热泵系统,大多都采用直接式系统,湖水在取水泵提升以后直接进入热泵系统换热,该系统在理论上工艺简单、系统效率高,在我国南方地区(湖水最低温度在6～8℃)应用较多,但直接式系统仍存在防堵、防垢等问题,尽管湖水水质相比于原生污水要好很多,但仍不能达到直接进热泵机组的要求(采用间接式系统进机组的水为软化水),当系统长期运行以后,机组换热管壁将会附着一层致密的污垢,或堵塞部分换热铜管,管内湖水流速很慢,这都会导致热泵系统运行效率大幅度降低,机组制热制冷量明显衰减,运行可靠性差,综合性能不及间接式系统。

1．直接式系统

直接式湖水源热泵系统是指湖水或地表水通过水泵提升后直接进入热泵机组换热,无中间换热过程,换热后湖水或地表水排回水源下游。如图3-3所示。

图3-3　直接式湖水源热泵系统

1:取水泵;2:过滤装置;3:热泵机组;4:末端循环泵;5:湖水

对于湖水这种自然水体,含有大量沙石、污泥及水生生物,极易在管壁结泥垢,堵塞机组内换热铜管,当大颗粒沙石进入换热铜管以后,易划伤换热管壁,因此一般都会在热泵机组前设置过滤防堵装置,但是此类过滤装置往往只能除去大颗粒杂质,对于污泥等易积垢物质难以去除。由于寒冷地区冬季湖水温度一般都在4℃左右,最低温度可达3℃,采用直接式系统无法确保蒸发器在冬季最不利运行工况下的防冻问题。

2．间接式系统

间接式系统是指增加中间换热设备,湖水不直接进入热泵机组,在湖水与热泵机组之间增加一套中介水循环系统,湖水与中介水在中间换热设备中换热后,携带湖水热量的中介水经过中介水循环泵输送至热泵机组中,以维持热泵系统的稳定运行,如图3-4所示。

图3-4　间接式湖水源热泵系统

1:取水泵;2:中间换热设备;3:中介水循环泵;4:热泵机组;5:末端循环泵;6:湖水

该系统避免了湖水直接进入热泵机组,从而将出现在热泵机组内部的堵塞、结垢以及低温工况管壁结冰的问题转移到了中间换热设备当中。而在中间换热设备当中,解决上述问题相对要容易很多,这主要是因为中间换热设备中换热壁面两侧为水-水换热,且压力、温度没有明显偏差,换热设备的结构、材质、面积等方面易于确定。同时中间换热设备作为一个独立的设备,若没有有效解决堵塞、结垢、防冻等问题,只是对换热设备本身造成影响,对热泵机组及系统不会产生严重的损害。

3．系统对比

直接式系统与间接式系统的系统特点对比如下:

(1)系统工艺。

直接式系统工艺流程简单,管路少,只有两个循环子系统;间接式系统管路连接复杂,增加了一套中介水循环系统。

(2)防堵、防垢、防冻。

在直接式系统中,湖水直接进入机组,对系统的防堵、防垢、防冻要求很高;间接式系统增加了中间换热装置,避免了湖水直接进入机组,对系统防堵、防垢、防冻要求较低。

(3)安全可靠性。

直接式系统安全可靠性相比较低,若出现堵塞、结垢、结冰或其他情况,对热泵机组的危害极大,极易导致系统瘫痪;间接式系统则可靠性相对较高,将可预见的绝大部分不利系统运行的情况转移至中间换热设备,这样就降低了对热泵机组及整个系统的危害性。

(4)机组要求。

直接式系统对热泵机组要求很高,蒸发器和冷凝器内的换热铜管必须为光管,且前置过滤效果要达到要求,或直接采用疏导式蒸发器或冷凝器;间接式系统对热泵机组要求较低,只需采用对实际运行工况进行修正的常规水源热泵机组。

4．应用条件

针对上述两种系统特点的差异性,其应用条件也有很大不同。

直接式系统:

①水质较好的水体,水温高于7℃;

②要求水质、水温条件较好,流量稳定;

③热泵机组两器均采用疏导式换热器,且前置防堵装置需有显著效果。

间接式系统:

①原生污水、湖水等,对水温没有要求;

②可适应大温降、水温流量不稳定等情况;

③适用于绝大部分热泵机组。

寒冷地区采用湖水作为热泵机组的冷热源,冬季湖水温度将达到3～5℃,且湖水水质也因地域、气候等因素影响,无法完全达到要求,在防堵塞、防结垢、防结冰等问题上无法满足采用直接式系统的条件,由此低温湖水源热泵系统大都采用间接式系统,只是增加了一小部分初投资,但系统运行稳定可靠,综合性能更佳。