多功能泳池?zé)岜脵C(jī)組的應(yīng)用及改進(jìn)分析

李錫宇

順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

近年來，很多高級會所和私人別墅都配置了高檔的室內(nèi)游泳場所，而選用何種設(shè)備以滿足泳池有效地運(yùn)作成為了考慮的首要問題。直接采用電加熱和燃料供熱來單一加熱水體，由于成本較高也不能滿足泳池環(huán)境濕度和空氣溫度的需要將逐漸淘汰。隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，目前已有各種類型的熱泵機(jī)組被運(yùn)用到泳池當(dāng)中。熱泵機(jī)高效環(huán)保的性能已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，但室內(nèi)泳池的封閉性和腐蝕性，使得室內(nèi)泳池環(huán)境波動較大，而很多熱泵機(jī)組由于功能單一也缺乏自動化調(diào)節(jié)功能，在運(yùn)行時很難保持室內(nèi)泳池環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)始終達(dá)到一種理想的平衡狀態(tài)。本文通過對室內(nèi)泳池環(huán)境特點(diǎn)介紹，分析了多功能熱泵機(jī)組在室內(nèi)泳池中的應(yīng)用，并對這種機(jī)組的送回風(fēng)系統(tǒng)和冷媒系統(tǒng)分別提出了改進(jìn)方案。

1 帶除濕的泳池?zé)岜眠\(yùn)營效益

從室內(nèi)泳池的兩大特性看出，在加熱泳池水體時，控制空氣中的濕度也至關(guān)重要。在熱泵技術(shù)還未完全成熟之前，最常用的控制方案就是：排出室內(nèi)的高濕空氣，補(bǔ)充進(jìn)室外的干燥空氣。這種方案在冬季需加熱大量的空氣，能耗非常高，同時需要用電加熱或用火力加熱泳池水體，補(bǔ)充水體因表面蒸發(fā)和池壁等傳導(dǎo)造成的熱損。

表1是某用戶提供的對照表，該用戶先后采用了兩套泳池加熱設(shè)備，先采用的是單冷熱泵和鍋爐設(shè)備，用了一段時間后發(fā)現(xiàn)很難控制泳池環(huán)境的平衡，且過大的濕度使人感到很不舒服，也使天花板等周邊設(shè)備長期結(jié)露，出現(xiàn)銹蝕情況。不但沒有良好效果的同時還花銷了大量的電費(fèi)和燃料費(fèi)。后來另添加了一套熱泵除濕機(jī)組，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行對比得出了表一所列的數(shù)據(jù)，明顯看出除濕熱泵的優(yōu)越性，在夏季采用除濕系統(tǒng)完全滿足游泳池空氣的降溫和除濕的要求，同時又可以提供免費(fèi)的熱水，無需啟用鍋爐，節(jié)約燃料。冬季外新風(fēng)的濕度較低，除濕量較小，通過回收蒸發(fā)盤管進(jìn)入回?zé)崂淠鳎訜崂淠蟮母稍锟諝?，減少鍋爐供熱量。

表1 除濕執(zhí)泵機(jī)和單冷熱泵+鍋爐的空調(diào)冷熱負(fù)荷對比

考慮該泳池每日運(yùn)營16 h（18:00-22:00），夏季運(yùn)營期4個月，采用除濕熱泵每日可節(jié)約能量153 kW，總計(jì)減少2900度電21200 m3天然氣，能節(jié)省費(fèi)用約10.5萬元。冬季通過熱回收和減少新風(fēng)量降低的熱負(fù)荷約 100 kW，考慮冬季為 3個月，節(jié)約天然氣14600 m3、約5.5萬元。冬夏季運(yùn)營總計(jì)節(jié)約費(fèi)用為16萬元。

2 多功能泳池?zé)岜脵C(jī)組的應(yīng)用

2.1 特點(diǎn)

集水加熱、除濕、制冷為一體的泳池?zé)岜脵C(jī)組，可稱為多功能泳池?zé)岜脵C(jī)組。它不僅實(shí)現(xiàn)了泳池水體加熱，控制室內(nèi)濕度，熱量回收，提高經(jīng)濟(jì)效益多重功能，還對室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行控制，并針對其封閉性可引入新風(fēng)的功能，使室內(nèi)泳池環(huán)境始終保持在一個潔凈舒適的理想平衡狀態(tài)。

2.2 運(yùn)行邏輯

2.2.1 模式運(yùn)行

圖1所示是一個典型的室內(nèi)多功能泳池?zé)岜脵C(jī)組的應(yīng)用示意圖，壓縮機(jī)輸出的熱量首先通過熱交換器滿足池水加熱的需要，水溫達(dá)到后進(jìn)行除濕，除濕過程也是個能量交換的過程：圖中機(jī)組通過回收泳池區(qū)域水蒸發(fā)而損失到周邊環(huán)境空間的熱量。熱量回收指的是將高濕空氣冷凝所得的能量轉(zhuǎn)移到池水，并可以用來維持水溫在一個理想的溫度，同時濕氣也在空氣冷凝過程中被分離出來，余熱主要用于加熱由于除濕被冷卻的空氣。當(dāng)水溫和濕度要求后，對空氣進(jìn)行控制：夏季通過室外散熱器制冷，冬季可選用機(jī)組配置的輔助加熱或者其它空氣加熱方式投入運(yùn)行。當(dāng)室內(nèi)游泳池水溫，空氣溫度和濕度三者都滿足的情況下壓縮機(jī)自動停止運(yùn)行，而為保持泳池大廳良好的通風(fēng)，送、回風(fēng)機(jī)會繼續(xù)運(yùn)行。

圖1 多功能室內(nèi)泳池?zé)岜脵C(jī)組的應(yīng)用示意圖

2.2.2 節(jié)能運(yùn)行

當(dāng)室內(nèi)溫度和戶外的溫度點(diǎn)相差不大時，而室內(nèi)濕度大于戶外的濕度并高于標(biāo)準(zhǔn)值時，可打開排風(fēng)閥和新風(fēng)閥，讓泳池內(nèi)溫濕空氣被加風(fēng)機(jī)送到過濾器被排至室外，新鮮空氣被送風(fēng)風(fēng)機(jī)送至室內(nèi)游泳池，在泳池水體溫度滿足要求的情況下，可以停止壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

3 多功能泳池?zé)岜脵C(jī)組的改進(jìn)

3.1 風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)

由于室內(nèi)泳池是封閉性的熱濕環(huán)境，因此保持室內(nèi)良好的通風(fēng)非常重要。從圖1中看出，該多功能泳池?zé)岜脵C(jī)組的送回風(fēng)系統(tǒng)都裝有風(fēng)閥，即回風(fēng)閥、排風(fēng)閥、新風(fēng)閥。通過前面的分析知道這些風(fēng)閥在給室內(nèi)更換空氣時也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行。目前很多室內(nèi)泳池的熱泵機(jī)組都安裝了風(fēng)閥，但卻很少利用，不能自行開啟，需人工自行根據(jù)室內(nèi)外空氣的質(zhì)量進(jìn)行判斷來開啟，這樣的方式自然有很大的局限性，不能隨時對風(fēng)系統(tǒng)作出調(diào)節(jié)，也起不到節(jié)能運(yùn)行的良好效果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的泳池?zé)岜脵C(jī)組很難實(shí)現(xiàn)對風(fēng)閥的自行調(diào)節(jié)，而采用具有可編程控制的PLC控制系統(tǒng)能夠很好地解決這個問題。

本文所分析的泳池?zé)岜脵C(jī)組正是采用PLC控制系統(tǒng)，為了讓風(fēng)閥在對比泳池室內(nèi)外空氣的參數(shù)后自動調(diào)節(jié)開啟度，在已裝有室內(nèi)溫濕度的基礎(chǔ)上，可另增加一個溫濕度傳感器放在新風(fēng)口以測量室外空氣參數(shù)，在原有的風(fēng)閥上安裝三個風(fēng)閥驅(qū)動器，PLC增加I/O點(diǎn)的數(shù)量AI：新風(fēng)溫度4-20 mA、濕度4-20 mA輸入。AO：Y1回風(fēng)閥控制（0～10VDC）輸出、Y2排風(fēng)閥控制（0～10VDC）輸出、Y3新風(fēng)閥控制（0～10VDC）輸出。然后對PLC編入程序，機(jī)組運(yùn)行時邏輯如下：

1）當(dāng)室外濕度＞室內(nèi)濕度時，開大回風(fēng)閥，減小排風(fēng)閥和新風(fēng)閥，以40%為偏差（此偏差可設(shè)定），即濕度0-40%對應(yīng)0-10VDC輸出，例如當(dāng)室外濕度＞室內(nèi)濕度40%時，PLC輸出給回風(fēng)閥10 V信號，則全開回風(fēng)，輸出給排風(fēng)閥0 V信號，關(guān)閉排風(fēng)，為了保持室內(nèi)通風(fēng)，新風(fēng)仍開10%開啟度，隨著室內(nèi)外濕度的變化，三個風(fēng)閥的開啟度也發(fā)生變化如：新風(fēng)閥開20%，則排風(fēng)閥開20%，回風(fēng)閥開80%。新風(fēng)閥開40%，則排風(fēng)閥開40%，回風(fēng)閥開60%，并按排風(fēng)閥與回風(fēng)閥加起來為100%，排風(fēng)閥與新風(fēng)閥的開度一樣來動作。

2）當(dāng)室外濕度=室內(nèi)濕度時，三個風(fēng)閥各開50%開啟度。

3）當(dāng)室內(nèi)濕度＜室外濕度時，開大新風(fēng)閥和排風(fēng)閥，開小回風(fēng)閥，如當(dāng)室外濕度＜室內(nèi)濕度40%時，PLC輸出給新風(fēng)閥和排風(fēng)閥各10 V信號，則全開新風(fēng)，輸出給回風(fēng)閥0 V信號，關(guān)閉回風(fēng)閥。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行制冷時，同理，PLC通過對比室內(nèi)外空氣的溫度參數(shù)來自動調(diào)節(jié)三個風(fēng)閥的開啟度。

通過對裝入新程序的多功能機(jī)組運(yùn)行實(shí)驗(yàn)觀察得知，該邏輯能夠很好地自動調(diào)節(jié)各風(fēng)閥的運(yùn)行，從而達(dá)到保持室內(nèi)泳池潔凈舒適的空氣環(huán)境，同時更提高了泳池?zé)岜玫墓?jié)能性能。

3.2 冷媒系統(tǒng)的改進(jìn)

多功能熱泵機(jī)組是根據(jù)泳池多種需要而設(shè)計(jì)的，極大程度地滿足泳池環(huán)境和游泳者的舒適感。通常機(jī)組經(jīng)過現(xiàn)場的安裝，初期調(diào)試以及后期的保養(yǎng)等過后，有出現(xiàn)機(jī)組冷媒系統(tǒng)運(yùn)行時壓力不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)這種風(fēng)險(xiǎn)后會打破泳池環(huán)境的平衡，既給泳池周邊結(jié)構(gòu)造成腐蝕，也給游泳的人們帶來身體的各種不適。在針對此機(jī)組可能會出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題上，本文經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，提出了一種減少風(fēng)險(xiǎn)的參考設(shè)計(jì)方案[1-3]。

如圖2所示，該機(jī)組有三種運(yùn)行模式：（如果按除濕——水加熱——制冷的邏輯來運(yùn)行）則當(dāng)室內(nèi)濕度未到設(shè)定點(diǎn)時，電磁三通閥V1不得電，V2通電，這時從壓縮機(jī)排出的制冷劑蒸氣經(jīng)過除濕盤管后再到蒸發(fā)器，（泳池內(nèi)的濕蒸汽經(jīng)過蒸發(fā)盤管遇冷除濕盤管吸熱后再被蒸發(fā)器冷凝，熱濕空氣遇冷結(jié)水從而達(dá)到除濕）。除濕滿足后，若泳池水溫未到要求，則閥V1、V2都不得電，這時進(jìn)行泳池水體加熱。一直到水溫滿足要求，這時機(jī)組將自動檢測濕度和空氣溫度，濕度還在保持舒適范圍而空氣溫度高出設(shè)定點(diǎn)時，則系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入制冷運(yùn)行，這時閥V1、V2都得電，制冷蒸氣經(jīng)過室外散熱盤管冷卻，再經(jīng)過室內(nèi)蒸發(fā)器吸收從泳池來的熱量蒸發(fā)，從而使泳池室內(nèi)溫度降低保持在理想的溫度范圍。這種多功能機(jī)組的設(shè)計(jì)就是自動感應(yīng)室內(nèi)泳池環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，按照可以事先人工設(shè)定的運(yùn)行邏輯來先后運(yùn)行不同的模式，從而達(dá)到室內(nèi)泳池環(huán)境的平衡。

圖2 多功能室內(nèi)泳池?zé)岜脵C(jī)組的冷媒系統(tǒng)圖

經(jīng)過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在運(yùn)行一段時間后，其中某個模式或者三種模式都出現(xiàn)了壓力不穩(wěn)定，經(jīng)常壓力偏低，機(jī)組運(yùn)行機(jī)效果很差，檢查時卻沒發(fā)現(xiàn)任何有冷媒泄露的跡象。經(jīng)過分析后才發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某個模式運(yùn)行時，冷媒通過三通閥進(jìn)行了系統(tǒng)間的少量竄氣，例如，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行除濕時，從壓縮機(jī)排出的制冷劑蒸氣有少量去到了室外散熱器，或是去到熱水泡，也就是說電磁三通閥在運(yùn)行時，得電和失電時都有可能因閥體原因出現(xiàn)少量竄氣，即從打開的通道竄到關(guān)閉的通道，這樣就出現(xiàn)了在某個模式下，因冷媒量的減少致使系統(tǒng)壓力偏低。針對普遍三通閥的不穩(wěn)定性，在這個系統(tǒng)考慮另增加了三個電磁二通閥和單向閥。如圖所示的V3、V4、V5，分別連接在三種模式的冷凝器之后的液管與壓縮機(jī)回氣管道之間，并在閥與液管間增加單向閥，以防止回氣倒流。而所做的控制方面，當(dāng)在運(yùn)行某一模式時，該模式上的二通閥關(guān)閉，其它兩個二通閥開啟。例如，在水加熱運(yùn)行時，V1、V2、V3 失電，V4、V5 得電，根據(jù)上面的運(yùn)行分析，從三通閥V1、V2竄氣到室外盤管和除濕盤管的冷媒會通過開啟的V4、V5回到水加熱系統(tǒng)，從而保證水加熱模式的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）多功能室內(nèi)泳池?zé)岜脵C(jī)組通過不同的運(yùn)行模式不間斷地始終保持室內(nèi)泳池環(huán)境在一個平衡范圍，提供一個舒適的游泳場所。

2）熱泵不可能像空氣加熱器一樣瞬間輸出高熱量，因此一個較冷的泳池的初次加熱常常需要幾天時間。不能選擇型號過大的熱泵，而應(yīng)選擇連續(xù)運(yùn)行維持均勻的加熱效果。