水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇敬平

摘要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量高層、超高層建筑在全國(guó)各地拔地而起，空調(diào)業(yè)也隨之飛速發(fā)展，呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī)。本文介紹了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，并闡述了水環(huán)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：水環(huán)熱泵工作原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Abstract: along with the rapid development of China's economy, a lot of high-level, ultra-high buildings all over the country in the ground, and then KongDiaoYe rapid development, presents a vitality. This paper introduces the water loop heat pump air conditioning system principle of work, and expounds the loop heat pump water system design method.

Keywords: water loop heat pump working principle system design

中圖分類號(hào)： N945.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1水環(huán)熱泵的概念

水環(huán)熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)其較為普遍的定義為：是以雙管封閉式循環(huán)水管路將建筑物內(nèi)各臺(tái)水源熱泵機(jī)組有效地連接起來(lái)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

由以上定義可知，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵的部分為水環(huán)路和水環(huán)熱泵機(jī)組。其中水環(huán)路，亦稱循環(huán)水系統(tǒng)，是作為系統(tǒng)中各水環(huán)熱泵機(jī)組配能量載體，供暖時(shí)它作為機(jī)組的吸熱源，制冷時(shí)作為機(jī)組的排熱源，而其不足或多余的熱量通常需要通過(guò)其他加熱或散熱手段來(lái)處理。水環(huán)熱泵機(jī)組一般為小型水一空氣熱泵機(jī)組，該機(jī)組直接將循環(huán)水作為其冷熱源，直接與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換。

水環(huán)熱泵的本質(zhì)是水源熱泵機(jī)組的一種應(yīng)用形式，與采用大型水源熱泵機(jī)組的集中式系統(tǒng)不同的是，水環(huán)熱泵系統(tǒng)是一種分散式系統(tǒng)，各機(jī)組均能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)供暖和制冷功能，并直接置于空調(diào)房間，承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷；水系統(tǒng)中流動(dòng)的不是冷凍水或熱水，而是常溫的循環(huán)水。

2水環(huán)熱泵的工作原理

一個(gè)典型的水環(huán)熱泵系統(tǒng)一般由開(kāi)式冷卻塔、換熱器、雙管封閉循環(huán)水系統(tǒng)、水環(huán)熱泵機(jī)組、循環(huán)泵和輔助加熱裝置等部分組成，如圖1所示。

水環(huán)熱泵機(jī)組將循環(huán)水作為吸熱源和排熱源，通過(guò)四通換向閥改變制冷劑的流向來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷制熱工況的轉(zhuǎn)換。在制冷工況時(shí)，水環(huán)熱泵機(jī)組吸收空調(diào)房間的熱量并把它排入循環(huán)水中，在制熱工況時(shí)，機(jī)組吸收循環(huán)水中的熱量連同壓縮機(jī)功率一同送入空調(diào)房間。機(jī)組制冷、制熱工況時(shí)，機(jī)組吸收循環(huán)水中的熱量連同壓縮機(jī)功率一同送入空調(diào)房間。機(jī)組制冷、制熱工況的選擇由機(jī)組自帶控制系統(tǒng)控制。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)水溫維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，通常為15～35℃。當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)水溫高于設(shè)計(jì)上限值時(shí)，冷卻塔開(kāi)啟，循環(huán)水通過(guò)冷卻塔進(jìn)行散熱；當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)水溫低于設(shè)計(jì)下限值時(shí)，輔助加熱設(shè)備投入使用，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，由此保證循環(huán)水溫在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。通常，在夏季各機(jī)組均按制冷工況運(yùn)行向循環(huán)水放熱，此時(shí)需開(kāi)啟冷卻塔散熱；在冬季，系統(tǒng)中大部分機(jī)組按制熱工況運(yùn)行，制熱機(jī)組從循環(huán)水吸熱，有部分位于建筑內(nèi)區(qū)的房間，由于沒(méi)有熱負(fù)荷需制冷，機(jī)組按制冷工況運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)中制冷機(jī)組的放熱量小于制熱機(jī)組的吸熱量時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)水溫下降，當(dāng)下降到某設(shè)定值時(shí)便要開(kāi)啟加熱設(shè)備。在過(guò)渡季節(jié)，當(dāng)制冷機(jī)組的放熱量與制熱機(jī)組的吸熱量相當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)水溫自動(dòng)維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，無(wú)需開(kāi)啟冷卻塔和加熱設(shè)備。

3 水環(huán)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)組選型

建筑物的空調(diào)冷熱負(fù)荷采用目前通用的計(jì)算方法或者電算，計(jì)算冷熱負(fù)荷是設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。當(dāng)采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)內(nèi)區(qū)、外區(qū)分別計(jì)算，這對(duì)于選擇輔助加熱設(shè)備的容量很重要，設(shè)計(jì)選擇水環(huán)熱泵時(shí)，遵循以下原則：

（1）對(duì)周邊區(qū)（外區(qū)）來(lái)講，既要滿足夏季設(shè)計(jì)工況，又應(yīng)滿足冬季工況，而作內(nèi)區(qū)，則按夏季設(shè)計(jì)工況選擇。

（2）水量一般以每冷噸0.19L/S 為宜，水管管徑的選擇同傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)。

（3）實(shí)際制冷量和制熱量應(yīng)根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)干、濕球溫度進(jìn)行修正。

（4）水環(huán)熱泵組容量既不能過(guò)大，也不宜過(guò)小。

3.2 水系統(tǒng)

水環(huán)熱泵機(jī)組的進(jìn)出水溫度為15～35℃，在某一溫度條件下夏季制冷時(shí)，水流量增加將使制冷量增加，消耗功率下降，能效比提高。但是，在冬季制熱時(shí)，水流量增加，制熱量提高不多，但消耗功率卻增大，因此，冬季要增加傳熱能力，行之有效的辦法是提高水溫。 水流量的減少， 必然降低機(jī)組的出力，因而設(shè)計(jì)水系統(tǒng)時(shí)必須保證每臺(tái)機(jī)組在額定的水流量下工作，缺水將使機(jī)組效率降低，甚至出現(xiàn)保護(hù)性停機(jī)。為了使水系統(tǒng)壓力易于平衡，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成同程式，必要時(shí)可在支管上設(shè)平衡閥。水環(huán)熱泵機(jī)組包括了蒸發(fā)器和冷凝器，且管道細(xì)小,因此對(duì)水質(zhì)要求較高，應(yīng)在水泵入口處設(shè)置除污器和全程水處理器，機(jī)組供水管上應(yīng)裝設(shè)水過(guò)濾器。并保證管路的坡度、放氣, 特別是要做好機(jī)組的排污和冷凝水的處理等。

3.3排熱設(shè)備的選擇

機(jī)組在夏季工況下，當(dāng)循環(huán)水溫度超過(guò)35℃時(shí)，需要對(duì)循環(huán)水加以冷卻，由循環(huán)水帶走的熱量必須通過(guò)排熱設(shè)備排到大氣中， 目前排熱設(shè)備通常使用閉式和開(kāi)式冷卻塔二種：

在閉式冷卻塔中，循環(huán)水在封閉的管路中流動(dòng)，通過(guò)二次蒸發(fā)散走熱量，因循環(huán)水不與大氣接觸，可以保證水質(zhì)良好，但是缺點(diǎn)是換熱效率比開(kāi)式冷卻塔低，而且冷卻塔體積龐大，價(jià)格一般是開(kāi)式冷卻塔的2～3倍。而開(kāi)式冷卻塔傳熱效率高，價(jià)格低，體積亦相對(duì)較小，但其水質(zhì)無(wú)法保證，為解決這一問(wèn)題，可采用板式熱交換器與開(kāi)式冷卻塔配合使用的方案，板式熱交換器一側(cè)為空調(diào)循環(huán)水，另一側(cè)為開(kāi)式冷卻塔的冷卻水，這樣即可保證空調(diào)循環(huán)水的水質(zhì)安全。

3.4輔助加熱設(shè)備的選擇

隨著室外氣溫的下降，空調(diào)熱負(fù)荷的增加，導(dǎo)致循環(huán)水溫的下降， 當(dāng)水溫低于15℃時(shí)， 必須向水系統(tǒng)補(bǔ)充熱量，保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行，而輔助加熱設(shè)備的選擇是水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。一般而言，輔助加熱設(shè)備有以下幾種：電加熱器、燃油或燃?xì)饧訜崞?、太?yáng)能加熱器以及其它廢熱回收裝置。當(dāng)需要補(bǔ)充的加熱量較?。ǎ?00kw），且用電不緊張時(shí)，可采用電加熱器，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，控制方便；對(duì)于需要較多的補(bǔ)充加熱量時(shí)（≥200kw），則應(yīng)使用燃油、燃?xì)饧訜崞鳎?dāng)然有廢熱可以利用，將是最理想的方案，選擇何種加熱設(shè)備應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

輔助加熱器的選擇計(jì)算分二步進(jìn)行：第一步，確定最大的供暖負(fù)荷；第二步，考慮室內(nèi)有人員、照明、 設(shè)備等形成的內(nèi)部得熱量，以及內(nèi)區(qū)供冷時(shí)所排出的熱量進(jìn)入水系統(tǒng)，則水系統(tǒng)的加熱量為最大熱負(fù)荷減去建筑物內(nèi)部形成的熱量和獲得的熱量。 一般而言， 熱泵系統(tǒng)的輔助加熱量為計(jì)算熱負(fù)荷的 30%～50%左右，但這必須依據(jù)具體地區(qū)、具體建筑而定， 應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算， 不能一概而論。

3.5新風(fēng)處理

為滿足空調(diào)區(qū)域人員的健康和一定舒適度，一定量的新風(fēng)補(bǔ)充是必須的。由于地區(qū)的不同， 新風(fēng)的處理方式也不同。一般采用以下幾種方式處理：

（1） 直接利用水環(huán)熱泵機(jī)組處理新風(fēng)，目前該種機(jī)型需定做， 且價(jià)格較高。

（2）用全熱交換器進(jìn)行新風(fēng)與排風(fēng)的熱交換，達(dá)到預(yù)熱 （或預(yù)冷）新風(fēng)，再經(jīng)水環(huán)熱泵機(jī)組處理， 使新風(fēng)達(dá)到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)。

（3） 新風(fēng)與回風(fēng)直接混合，室外新風(fēng)通過(guò)風(fēng)管與各熱泵機(jī)組的回風(fēng)混合，熱泵機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷。

2.6噪聲的控制

因熱泵機(jī)組本身帶有封閉式壓縮機(jī)，故必須對(duì)水環(huán)熱泵機(jī)組的噪聲加以處理。對(duì)小型水環(huán)熱泵機(jī)組而言，行之有效的辦法是：熱泵機(jī)組設(shè)減振器或減振吊鉤，機(jī)組出口和進(jìn)口處用軟接頭連接風(fēng)管，送回風(fēng)風(fēng)管設(shè)消聲彎頭或消聲器，送風(fēng)風(fēng)管內(nèi)貼吸聲材料，主風(fēng)管風(fēng)速控制在3m/s 以內(nèi)，盡量把機(jī)組設(shè)在庫(kù)房、衛(wèi)生間吊頂內(nèi)。對(duì)于大于4000m3/h 的熱泵機(jī)組應(yīng)盡量設(shè)在空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，并做好相應(yīng)的降噪隔聲處理，通過(guò)上述處理，完全可以滿足用戶的要求。

3.7 空調(diào)水泵，冷卻塔等空調(diào)設(shè)備的監(jiān)控

(1)中央監(jiān)控電腦管理監(jiān)控空調(diào)水泵，冷卻塔等空調(diào)設(shè)備的開(kāi)啟，狀態(tài)等參數(shù)，并根據(jù)連鎖控制順序控制設(shè)備的啟停順序。

(2)根據(jù)事先排定的工作節(jié)假日作息時(shí)間表，定時(shí)啟停機(jī)組，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)水泵,冷卻塔等空調(diào)設(shè)備累計(jì)工作時(shí)間，調(diào)整并保證所有同種設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間相同，并提示定時(shí)維修。

(3)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)啟閉設(shè)備的臺(tái)數(shù)；當(dāng)有設(shè)備故障時(shí)，自動(dòng)切換啟動(dòng)備用設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，應(yīng)注意核心區(qū)和周邊區(qū)的劃分，充分利用核心區(qū)的余熱，以減小輔助加熱設(shè)備的容量。同時(shí)需對(duì)內(nèi)外區(qū)空調(diào)冷熱負(fù)荷進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，以節(jié)約能源，降低成本，充分體現(xiàn)該系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)越性。

2)設(shè)計(jì)中，水環(huán)熱泵機(jī)組的噪聲處理十分重要，應(yīng)采取行之有效的手段降低噪聲，滿足用戶的要求。

3)隨著水環(huán)熱泵機(jī)組國(guó)產(chǎn)化比例的提高，系統(tǒng)成本的降低，設(shè)計(jì)師和業(yè)主們對(duì)該系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)越性，維護(hù)方便，操作方便等一系列特點(diǎn)形成更多的共識(shí)，相信水環(huán)熱泵系統(tǒng)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。