水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用及存在問(wèn)題探討

查 焱

(中鐵西南科學(xué)研究院，四川成都610031)

所謂的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型的水/空氣熱泵機(jī)組的一種應(yīng)用方式。即用水環(huán)路將小型的水/空氣熱泵機(jī)組并聯(lián)在一起，構(gòu)成一個(gè)以回收建筑物內(nèi)部余熱為主要特點(diǎn)的熱泵供暖、供冷的空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面具有熱回收功能，提高了建筑物內(nèi)部能源利用系數(shù);另一方面該系統(tǒng)可以同時(shí)解決建筑物的空調(diào)熱源問(wèn)題，節(jié)省了機(jī)房面積，并可以分戶(hù)使用，獨(dú)立運(yùn)行管理，給業(yè)主和用戶(hù)帶來(lái)了極大的方便，節(jié)約了大量的能源?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，水環(huán)熱泵系統(tǒng)自20世紀(jì)60年代在美國(guó)出現(xiàn)至今，經(jīng)過(guò)30年的不斷改進(jìn)和發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，西方國(guó)家鼓勵(lì)應(yīng)用此系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代初國(guó)內(nèi)開(kāi)始起步。對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行能耗的靜態(tài)分析表明，該系統(tǒng)在我國(guó)大多數(shù)城市應(yīng)用有顯著的節(jié)能效果，尤以長(zhǎng)江流域節(jié)能效果更好。

1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

1.1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理是:在水/空氣熱泵機(jī)組制熱時(shí)，以水循環(huán)環(huán)路中的水為加熱熱源;機(jī)組制冷時(shí)，則以水為排熱熱源。在同一個(gè)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，有的熱泵機(jī)組在制熱運(yùn)行，有的熱泵機(jī)組在制冷運(yùn)行。制熱運(yùn)行的機(jī)組從循環(huán)水中吸收熱量;制冷運(yùn)行的機(jī)組向循環(huán)水排放熱量。當(dāng)熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行的吸熱量和制冷運(yùn)行的放熱量基本相等時(shí)，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi)，此時(shí)系統(tǒng)高效運(yùn)行。而當(dāng)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制熱運(yùn)行的吸熱量小于制冷運(yùn)行的放熱量時(shí)，循環(huán)水路的水溫度升高，到一定程度時(shí)利用冷卻塔放出熱量;反之循環(huán)環(huán)路的水溫度降低，到一定程度時(shí)需要通過(guò)輔助加熱設(shè)備吸收熱量。

1.2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于沒(méi)有冷水機(jī)組，不再需要制冷機(jī)房。節(jié)省了寶貴的主機(jī)占地面積，使成本得到有效控制。

(2)水環(huán)路是雙管系統(tǒng)但同四管制風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)一樣可同時(shí)供冷供熱，每個(gè)房間的用戶(hù)可以根據(jù)室外溫度的變化和各自不同的要求，在一年內(nèi)的任何時(shí)間隨意進(jìn)行房間里的供暖或供冷的調(diào)節(jié)，而不會(huì)影響到其他房間的溫度。與昂貴的四管制相比，更節(jié)省了管道系統(tǒng)的初投資。

(3)水環(huán)熱泵系統(tǒng)具有靈活性，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)的要求，分戶(hù)計(jì)量，根據(jù)需要分期安裝，節(jié)省一次投資，節(jié)約建筑空間，運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用低。

(4)具有回收建筑內(nèi)余熱的功能，節(jié)省能耗，減少環(huán)境污染。

(5)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單，安裝方便，縮短工程時(shí)間。

(6)小型的水/空氣熱泵機(jī)組的性能系數(shù)低于大型的冷水機(jī)組。一般小型的水空氣熱泵機(jī)組制冷能效比EER在2.76～4.16之間，供熱性能系數(shù)COP值在3.3～5.0之間。而螺桿式冷水機(jī)組制冷系數(shù)一般為4.88～5.25，有的可高達(dá)5.45～5.74。離心式冷水機(jī)組一般為5.00～5.88，有的可高達(dá)6.67。

(7)水環(huán)熱泵的運(yùn)行噪聲較高。采用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的水空氣熱泵機(jī)組一般在40～42 dB(A)，全封閉活塞式壓縮機(jī)的水空氣熱泵機(jī)組一般在45～47 dB(A)，若采用分體式水空氣熱泵機(jī)組并采用有效的消聲減震技術(shù)措施時(shí)其噪聲可控制在35 dB(A)以?xún)?nèi)。

2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 寫(xiě)字樓、公寓建筑中的應(yīng)用

此類(lèi)房間當(dāng)采用傳統(tǒng)中央空調(diào)，其運(yùn)行費(fèi)用較大，存在按面積公攤費(fèi)用。其上下班時(shí)間不同以及個(gè)別房間深夜加班等，空調(diào)主機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間不同，可能因少數(shù)房間使用，而花費(fèi)較大費(fèi)用，管理不便。采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，此類(lèi)建筑物每個(gè)租戶(hù)自行安裝電表，發(fā)生故障時(shí)不影響其他租戶(hù)，不會(huì)因少數(shù)幾戶(hù)開(kāi)機(jī)而使中央主機(jī)開(kāi)機(jī)，僅冷卻系統(tǒng)開(kāi)啟。由于沒(méi)有制冷機(jī)房，節(jié)省建筑面積。可先安裝水系統(tǒng)，待房屋出租后再安裝主機(jī)，可分別計(jì)費(fèi)并節(jié)省一次投資。

2.2 商業(yè)建筑中的應(yīng)用

現(xiàn)代商業(yè)建筑體量越來(lái)越大，有許多功能混雜其間，面積大小不同，甚至有小的出租戶(hù)，有的夜間營(yíng)業(yè)，有的白天營(yíng)業(yè);不同功能房間其冷熱負(fù)荷不同且差異較大。采用傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)有的區(qū)域需制冷，有的需采暖，不好平衡;同時(shí)其費(fèi)用公攤等方式將出現(xiàn)很多管理矛盾。采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，將較好的解決此類(lèi)問(wèn)題。

2.3 賓館酒店建筑中的應(yīng)用

機(jī)組可由旅客個(gè)人進(jìn)行控制，避免中央主機(jī)全部開(kāi)機(jī)，初投資運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用均較低。同時(shí)在過(guò)渡季節(jié)，不同客人對(duì)室內(nèi)環(huán)境有不同要求，有的需要制冷，而有的需要采暖，一般非高級(jí)酒店，在不采用四管制的情況下，不能解決此類(lèi)問(wèn)題，當(dāng)采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，可隨意進(jìn)行房間里的供暖或供冷的調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足客人的不同需求。

2.4 醫(yī)院建筑中的應(yīng)用

不同病人不同的環(huán)境溫度要求，該系統(tǒng)可滿(mǎn)足不同病房的需求，其原理同賓館酒店。同時(shí)由于各空調(diào)機(jī)單獨(dú)設(shè)置，不會(huì)因?yàn)橛猛粋€(gè)主機(jī)系統(tǒng)造成交叉感染。因此該空調(diào)機(jī)組適合醫(yī)院等醫(yī)療系統(tǒng)。

3 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)存在問(wèn)題探討

3.1 建筑余熱不足問(wèn)題

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是余熱利用的典型，只有當(dāng)建筑物內(nèi)區(qū)有大量余熱且周邊區(qū)需要供熱，才能通過(guò)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)將建筑物內(nèi)區(qū)的余熱轉(zhuǎn)移到需要熱量的周邊區(qū)，從而達(dá)到回收建筑物余熱、節(jié)約能源的目的。如果建筑物的內(nèi)區(qū)面積小，建筑物的余熱量也較小的情況下，則要增設(shè)鍋爐，補(bǔ)充熱量。然而，將鍋爐的高位熱能加熱水循環(huán)環(huán)路中的循環(huán)水使之成為與室溫相差無(wú)幾的低溫?zé)嵩?，再由?空氣熱泵機(jī)組消耗電能將其提升到高位熱量向室內(nèi)供暖，這本身就是不合理的。但是寫(xiě)字樓、公寓、商業(yè)建筑存在大量的分散租房或出售，開(kāi)發(fā)商為便于管理，希望將空調(diào)使用費(fèi)大部分放在末端，減少主體的運(yùn)行費(fèi)用及其分?jǐn)偟拿芗m紛，也減少初投資費(fèi)用，水環(huán)熱泵空調(diào)確是比較適合的系統(tǒng)模式。

解決建筑物內(nèi)余熱不足這個(gè)問(wèn)題的途徑，就是由建筑物的外部引進(jìn)低溫?zé)嵩?，以替代建筑物?nèi)的余熱量。太陽(yáng)能、水(地表水、井水、河水、排放廢水等)、土壤、空氣均可作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的外部能源，廠礦生產(chǎn)廢熱水、冷卻水亦可作為外部補(bǔ)充熱源。地下深井水通過(guò)抽水井、回灌井的不同轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)了所謂的“冬灌夏用”和“夏灌冬用”，利用其作作低位熱源，解決了我國(guó)建筑物內(nèi)余熱少、無(wú)法正常使用傳統(tǒng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的問(wèn)題。此外，有的學(xué)者提出一種空氣/水熱泵與水/空氣熱泵耦合雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組制備10～20℃低溫水，通過(guò)水環(huán)路送至室內(nèi)各個(gè)水/空氣熱泵機(jī)組中，水/空氣熱泵再?gòu)乃屑橙崃?，直接加熱室?nèi)空氣，達(dá)到供暖目的。通過(guò)廉價(jià)的輔助熱源來(lái)解決建筑物內(nèi)余熱不足的問(wèn)題，拓寬水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3.2 供冷中的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題

小型水/空氣熱泵機(jī)組的的制冷性能系數(shù)COP比風(fēng)冷熱泵機(jī)組要高，但小于大型冷水機(jī)組，如何提高水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在供冷中的經(jīng)濟(jì)性這個(gè)問(wèn)題對(duì)于節(jié)能尤為重要。

該問(wèn)題可在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用混合系統(tǒng)的形式加以解決?；旌舷到y(tǒng)是指水/空氣熱泵機(jī)組同其它空調(diào)設(shè)備(如冷水機(jī)組、單元柜式空調(diào)機(jī)等)共同組合而成為全新的空調(diào)系統(tǒng)。對(duì)于固定的或大量的冷負(fù)荷場(chǎng)所選用大型冷水機(jī)組進(jìn)行全年供冷，而對(duì)于既有冷負(fù)荷又有熱負(fù)荷的周邊區(qū)，設(shè)置水源熱泵系統(tǒng)夏季供冷，冬季供暖。系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，大型冷水機(jī)組的冷凝熱排入水環(huán)熱泵的水環(huán)路中，作為周邊區(qū)小型水/空氣熱泵的低溫供暖源，保持了水熱泵空調(diào)系統(tǒng)回收建筑物內(nèi)余熱的基本特點(diǎn)，從而節(jié)省了周邊區(qū)供暖的高位能。同樣，在建筑物內(nèi)區(qū)設(shè)置單元式空調(diào)機(jī)組(水冷)，向內(nèi)區(qū)供冷，而周邊區(qū)設(shè)置水/空氣熱泵機(jī)組，向周邊區(qū)供冷或供熱，也是一種值得注意的混合系統(tǒng)形式。

3.3 管路水力平衡問(wèn)題

水環(huán)熱泵機(jī)組要求流量恒定，一旦水流量小于機(jī)組要求，必然導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)，無(wú)法使用。為保證各機(jī)組流量達(dá)到要求，加大系統(tǒng)流量，必然導(dǎo)致能耗增加，不可取。如設(shè)計(jì)施工不合理，將有一定比例機(jī)組不能順利啟動(dòng)。在一公寓水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試中，有6%左右的機(jī)組出現(xiàn)故障;在具體分析后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)管路時(shí)有部分疏忽，支干管局部不合理;施工時(shí)也有問(wèn)題，管內(nèi)雜物未清理干凈，支管三通施工工藝不合理，局部阻力大于設(shè)計(jì)要求。

水環(huán)熱泵系統(tǒng)在管路與風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)有一定區(qū)別，風(fēng)機(jī)盤(pán)管在水流較小時(shí)其效果稍差，可以使用，但不會(huì)停機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮環(huán)路間水力平衡，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下采用同程系統(tǒng)，各分支環(huán)路不宜過(guò)大，環(huán)路間進(jìn)行平衡計(jì)算，必要時(shí)設(shè)置平衡閥。通過(guò)設(shè)備廠家的性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備冷量小的阻力小，冷量大的阻力大，如果在同一管路相近位置設(shè)型號(hào)相差比較大設(shè)備，其流量與要求的設(shè)備流量恰恰相反，實(shí)際中如果同一干管管路中大量存在型號(hào)相差比較大設(shè)備混合配置，必然導(dǎo)致大機(jī)組水流量不足幾率增加。因此，水環(huán)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在同一管路中盡量采用同一機(jī)組型號(hào)，同時(shí)盡量設(shè)置電磁閥，當(dāng)機(jī)組壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)切斷水流。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格施工工藝，綜合管線(xiàn)應(yīng)布置合理，減少管路彎頭等。

3.4 機(jī)組噪聲問(wèn)題

小型水/空氣熱泵機(jī)組安裝在室內(nèi)，熱泵機(jī)組內(nèi)部的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)將會(huì)成為一個(gè)很大的噪聲源，處理不好就無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境的噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。大型機(jī)組及整體機(jī)噪聲較大，在噪聲要求較嚴(yán)格的場(chǎng)所應(yīng)按廠家樣本噪聲值對(duì)照允許值采取相應(yīng)措施。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能將壓縮機(jī)部分放置于衛(wèi)生間、走道等次要房間，大型機(jī)組應(yīng)設(shè)于專(zhuān)門(mén)機(jī)房或非經(jīng)常使用房間內(nèi)。對(duì)于公寓、賓館等有夜間休息房間內(nèi)盡量選用分體式熱泵機(jī)組。機(jī)組安裝時(shí)應(yīng)設(shè)置減震膠墊，機(jī)組大于10 kW時(shí)應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力阻尼型彈簧減震吊架;機(jī)組下方安裝隔聲板，噪聲要求較嚴(yán)房間設(shè)隔聲腔。對(duì)于風(fēng)管部分應(yīng)加設(shè)消聲箱、消聲彎頭，機(jī)組與風(fēng)管采用軟接連接等。實(shí)踐表明，如果在工程建設(shè)中能夠正確對(duì)待噪聲問(wèn)題，采取合理措施，完全可以滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)屬熱回收系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個(gè)地區(qū)、各個(gè)建筑物的特點(diǎn)，建筑物余熱情況，綜合分析確定是否采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

(2)太陽(yáng)能、地下水、工業(yè)廢水等與水環(huán)熱泵組成的系統(tǒng)是一種節(jié)能系統(tǒng)，使內(nèi)部余熱小或無(wú)余熱的建筑物也可以采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，可拓寬水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，應(yīng)用前景廣闊，節(jié)能潛力大。

(3)水環(huán)熱泵對(duì)水流量、噪聲要求較嚴(yán)，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)充分考慮其特點(diǎn)，減少、避免故障發(fā)生。只要我們合理設(shè)計(jì)、規(guī)范安裝、靈活管理，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)就一定能發(fā)揮出它既有的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

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