空氣源熱泵在泳池加熱上的應(yīng)用與分析

陳 浩 羅海強(qiáng) 代京京 李德亮

上海中建海外發(fā)展有限公司 上海 200125

為滿足游泳池的水溫標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)泳池循環(huán)水進(jìn)行熱量補(bǔ)充，目前燃油或燃?xì)忮仩t等加熱方式，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面缺陷明顯，因此越來(lái)越多的人選擇了空氣源熱泵?？諝庠礋岜米鳛橐豁?xiàng)極具開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力的高效節(jié)能、環(huán)保新技術(shù)，具有廣闊的實(shí)用價(jià)值[1-3]。

1 空氣源熱泵的實(shí)際應(yīng)用情況

1.1 項(xiàng)目游泳池加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

毛里求斯綜合體育場(chǎng)項(xiàng)目的泳池加熱系統(tǒng)選用了16套KFRS-Y96SM/NaAS型號(hào)的泳池用空氣源熱泵，分別供給競(jìng)賽池（10套）和熱身池（6套）使用，用于全年的泳池供熱。競(jìng)賽池和熱身池加熱系統(tǒng)各自配有一套熱水循環(huán)泵。

1.2 熱泵制熱水流程

壓縮機(jī)吸入低壓過(guò)熱制冷劑蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽，進(jìn)入水側(cè)換熱器給泳池水加熱，從而冷凝成飽和或過(guò)冷的制冷劑液體。經(jīng)過(guò)電子膨脹閥節(jié)流后，進(jìn)入翅片換熱器吸收環(huán)境的熱量汽化蒸發(fā)，進(jìn)入汽液分離器，再被壓縮機(jī)吸入壓縮，進(jìn)行下一次循環(huán)（圖1）。

圖1 熱泵制熱水流程

1.3 運(yùn)行工作原理

本項(xiàng)目泳池用熱泵熱水機(jī)組采用模塊化安裝（圖2）。

圖2 模塊化安裝原理

機(jī)組通過(guò)水泵使泳池的水經(jīng)過(guò)機(jī)組中的套管換熱器循環(huán)加熱，當(dāng)進(jìn)水溫度設(shè)定為45℃時(shí)，在機(jī)組進(jìn)水溫度＜42℃時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)工作。當(dāng)泳池的水溫上升到設(shè)定溫度45℃時(shí)，壓縮機(jī)停止工作。本項(xiàng)目未設(shè)置輔助電加熱。

1.4 實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)分析

1.4.1 運(yùn)行故障

根據(jù)試運(yùn)行階段對(duì)泳池加熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在如下問(wèn)題：

1）以競(jìng)賽池為例，正常運(yùn)行情況下，機(jī)組進(jìn)出水溫差在3～6 K之間較好，夏季不超過(guò)7 K，冬季不超過(guò)4 K。運(yùn)行階段，機(jī)組進(jìn)出水溫差常出現(xiàn)大于7 K的情況，或顯示水流開(kāi)關(guān)保護(hù)的錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種情況，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)水流量偏小，原因有水過(guò)濾器堵塞、空氣未排凈、管路系統(tǒng)阻力過(guò)大等。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的檢查，逐一排除可能的原因，最后確認(rèn)原因是一次側(cè)熱交換器（由業(yè)主指定的泳池專業(yè)廠家提供）的交換流量過(guò)?。ㄖ挥?2.5 L/s）。單臺(tái)熱水機(jī)組的循環(huán)水流量為4.54 L/s，10臺(tái)機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟的情況下，總流量將遠(yuǎn)超過(guò)12.5 L/s，熱交換器的交換能力遠(yuǎn)不能達(dá)到空氣源熱泵機(jī)組的流量要求。

2）在原設(shè)計(jì)工況下，10臺(tái)機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟，2臺(tái)熱水循環(huán)泵工作（第3臺(tái)備用）。根據(jù)對(duì)熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)記錄，機(jī)組加熱達(dá)到設(shè)定出水溫度的時(shí)間一般為10 min。在壓縮機(jī)停止工作約30 min，機(jī)組進(jìn)水溫度＜42 ℃時(shí)，壓縮機(jī)將再次啟動(dòng)工作。壓縮機(jī)出現(xiàn)啟停過(guò)于頻繁的情況。產(chǎn)生原因主要有水系統(tǒng)管路循環(huán)不良、水系統(tǒng)堵塞或有空氣等。在檢查水泵、閥門、管路或排凈空氣后，仍然存在此問(wèn)題。在協(xié)同機(jī)組廠家人員分析排查后，確認(rèn)主要的原因仍是一次側(cè)熱交換器的交換流量過(guò)小。

1.4.2 解決措施

最佳的解決措施是更換熱交換器，選擇滿足空氣源熱泵交換流量的熱交換器。但由于一次側(cè)熱交換器由業(yè)主方指定的泳池專業(yè)分包負(fù)責(zé)，且受現(xiàn)場(chǎng)賽事需要，因此該措施暫不考慮。

為使整套泳池加熱系統(tǒng)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合試運(yùn)行階段的調(diào)試數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行了調(diào)整，具體采取的措施如下[4-6]：

1）競(jìng)賽池系統(tǒng)。按熱泵機(jī)組的編號(hào)，開(kāi)啟1#～3#的3臺(tái)機(jī)組，其他7臺(tái)機(jī)組關(guān)閉。同時(shí)進(jìn)機(jī)組的閥門需全部關(guān)閉，保證管網(wǎng)系統(tǒng)水流量。熱水循環(huán)泵的運(yùn)行模式調(diào)整為用戶設(shè)置模式，由變頻調(diào)整為共頻，頻率設(shè)置為80%，數(shù)量為兩用一備。熱泵機(jī)組和水泵的運(yùn)行可每隔一個(gè)周期（自主選擇，以周、月計(jì)），手動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行輪換運(yùn)行，以確保各臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

2）熱身池系統(tǒng)。按熱泵機(jī)組的編號(hào)，開(kāi)啟1#～3#的3臺(tái)機(jī)組，其他3臺(tái)機(jī)組關(guān)閉。同時(shí)進(jìn)機(jī)組的閥門需全部關(guān)閉。熱水循環(huán)泵的運(yùn)行模式調(diào)整為用戶設(shè)置模式，由變頻調(diào)整為共頻，頻率設(shè)置為80%，數(shù)量為兩用一備。熱泵機(jī)組和水泵的運(yùn)行可每隔一個(gè)周期（自主選擇，以周、月計(jì)），手動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行輪換運(yùn)行。

1.4.3 采取措施后的效果

通過(guò)上述的調(diào)整措施，可最大限度地增大水流量，將機(jī)組進(jìn)出水溫差控制在合理范圍內(nèi)，減少了壓縮機(jī)啟停的頻率，在現(xiàn)有情況下能確保系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2 效益分析

2.1 社會(huì)效益評(píng)估

每年空氣源熱泵提供可利用的熱量＝1 764 MJ/h× 24 h×365＝1.55×107MJ（其中1 764 MJ/h為熱水設(shè)計(jì)耗熱量）。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的環(huán)保效益體現(xiàn)在因節(jié)省常規(guī)能源而減少了污染物的排放，主要指標(biāo)為CO2的減排量。將系統(tǒng)壽命的節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，然后將標(biāo)準(zhǔn)煤中碳的含量折算成CO2，即為空氣源熱泵熱水系統(tǒng)CO2的減排量。經(jīng)計(jì)算可知，空氣源熱泵系統(tǒng)每年可減少CO2排放量約為1 660 t。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

毛里求斯屬亞熱帶海洋性氣候。全年分夏、冬兩季，每年的11月份到次年的4月為夏季，平均氣溫23～33 ℃。每年的5月份到10月份為冬季，平均氣溫17～24 ℃。

以加熱100 t的50 ℃熱水為例，經(jīng)計(jì)算，電鍋爐全年所需費(fèi)用約為264.4萬(wàn)元，空氣源熱泵全年所需費(fèi)用約為58.34萬(wàn)元，即空氣源熱泵全年的運(yùn)行費(fèi)用約只有電鍋爐的1/4.5，大大節(jié)約了電力的消耗。

綜上所述，空氣源熱泵具有初期投入低、高效節(jié)能、零污染排放、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低、適用范圍廣、供熱時(shí)間長(zhǎng)、可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行、受天氣和氣候影響較小等特點(diǎn)。將空氣源熱泵應(yīng)用在毛里求斯綜合體育場(chǎng)項(xiàng)目泳池系統(tǒng)上，在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，充分發(fā)揮了其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[7-9]。

在全球變暖日益嚴(yán)重的今天，選用更加清潔、能效高的空氣源熱泵，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，值得優(yōu)先選擇。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工上存在的不足

3.1 設(shè)計(jì)上的不足

一方面，原設(shè)計(jì)空氣源熱泵機(jī)組所在屋面空間局促，空調(diào)機(jī)組、管線、橋架等排布非常緊湊，管道翻彎較多，雖經(jīng)過(guò)深化設(shè)計(jì)，對(duì)各專業(yè)管線也進(jìn)行了優(yōu)化排布，但仍存在初期管道系統(tǒng)內(nèi)排氣不暢的問(wèn)題，且缺少必要的檢修通道，給后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)一定的困難。

另一方面，進(jìn)出水熱泵機(jī)組的閥門均為機(jī)械閥門，非電磁閥，BMS遠(yuǎn)程選擇熱泵機(jī)組臺(tái)數(shù)開(kāi)啟時(shí)，為保證水系統(tǒng)流量，在無(wú)法自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥門的情況下，只能通過(guò)人工手動(dòng)操作關(guān)啟閥門，設(shè)計(jì)上存在一定的缺陷。

3.2 施工上的不足

泳池加熱水系統(tǒng)使用的黑鋼管采用焊接方式連接，在系統(tǒng)閉式循環(huán)沖洗管道時(shí)，焊渣無(wú)法完全清洗排走。在試運(yùn)行期，雖然在熱水循環(huán)泵和熱泵機(jī)組進(jìn)水口均增加了過(guò)濾器，以防止雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備中，對(duì)設(shè)備造成損壞，但在對(duì)系統(tǒng)沖洗多次、目測(cè)出水清澈的情況下，仍然導(dǎo)致一臺(tái)熱水循環(huán)泵的機(jī)鋒被擊穿。通過(guò)開(kāi)機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)水泵內(nèi)存在大量細(xì)小的焊渣粉末。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器的孔徑偏大，導(dǎo)致雜質(zhì)流入泵體內(nèi)[10-13]。

4 系統(tǒng)改進(jìn)方案

空氣源熱泵作為泳池加熱系統(tǒng)中重要的一部分，為達(dá)到設(shè)備運(yùn)行的最佳狀態(tài)，需要充分考慮與系統(tǒng)中其他設(shè)備的配合，特別是涉及BMS方面。通過(guò)運(yùn)行觀察，不斷調(diào)整，最終選擇適合本項(xiàng)目的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，總結(jié)出如下的改進(jìn)方案：

1）在系統(tǒng)按設(shè)計(jì)圖紙安裝的前提下，要預(yù)先考慮到設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)原設(shè)計(jì)一次側(cè)熱交換器的交換流量進(jìn)行校核。在熱泵機(jī)組進(jìn)出水口處須安裝壓力表和電磁閥，用以檢測(cè)水流量。在水系統(tǒng)的最高點(diǎn)或管道爬坡凸起處安裝自動(dòng)排氣閥，保證管道內(nèi)空氣順利排出。

2）水泵進(jìn)水口前須安裝過(guò)濾器（30目，即孔徑600 μm），以防止機(jī)組內(nèi)套管換熱器的堵塞，同時(shí)，要定期清洗。

3）在水泵進(jìn)出水口、一次側(cè)熱交換器進(jìn)水口上，除安裝溫度傳感器和壓力傳感器外，還需要安裝物理溫度計(jì)和壓力表，用以比較和校準(zhǔn)傳感器的讀數(shù)（圖3）。

圖3 競(jìng)賽池一次側(cè)熱交換器

傳感器取源部件的預(yù)留在管道試壓前應(yīng)完成，要事先與弱電專業(yè)溝通確認(rèn)好預(yù)留的數(shù)量和部位。

5 結(jié)語(yǔ)

毛里求斯綜合體育場(chǎng)項(xiàng)目采用的泳池用空氣源熱泵，運(yùn)行時(shí)高效節(jié)能，匹配優(yōu)化的制熱系統(tǒng)和可靠的控制技術(shù)，確保機(jī)組在各種環(huán)境狀況下運(yùn)行時(shí)均具有良好的效率，同時(shí)兼具環(huán)保、節(jié)省費(fèi)用的特性。在實(shí)際應(yīng)用上，為使加熱系統(tǒng)能充分發(fā)揮其效率，需要和其他專業(yè)相協(xié)調(diào)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)、保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)至合理的運(yùn)行范圍。通過(guò)本文對(duì)室外游泳池加熱系統(tǒng)采用空氣源熱泵的實(shí)際應(yīng)用與運(yùn)行分析，可為類似工程的加熱方式選擇提供一定的參考。