刍议水环热泵中央空调系统

　　摘要：低碳、节能、环保既是2l世纪世界经济发展的主题，也是我国经济长期可持续发展的模式。水环热泵作为一种节能装置，在工程中应用价值也越来越高。本文根据笔者多年的工作经验，对热泵空调系统原理及设计进行探讨，以期供同行借鉴参考。

　　关键词：中央空调,水环热泵,系统设计

　　一、水环热泵空调系统

　　水环热泵空调系统是以一个双管封闭的水循环系统连接系统中全部小型水一空气热泵机组，热泵机组将系统中的循环水作为吸热(热泵工况)的"热源"或排热(制冷工况)的"热汇"，从而形成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵供暖、供冷的空调系统。通常系统内要连接辅助加热装置和冷却装置以维持系统循环水温度在一定范围内，使系统正常运行。

　　二、热泵空调系统原理

　　1 相当一段时间以来，国内许多地区，热泵空调技术得到了非常广泛的应用。热泵空调机组以其节约有效建筑面积、使用灵活、既可制冷又可制热，受到暖通设计师们和业主的青睐，在空调领域已占有相当重要的地位。目前，在民用建筑中使用的热泵机组种类很多，按其工作原理，应用最广泛的是空气源热泵 (即空气——空气热泵，空气——水热泵);还有一类是水——空气热泵。前者是靠冷媒传向而完成的制冷或制热循环的，很显然，其热泵机组的制冷或制热效果会直接受到室外干湿球温度影响的，环境温度愈高，制冷能力下降愈多; 环境温度愈低，其制热能力下降愈甚，甚至需停机化霜才能再启动，故选择空气源热泵时必须考虑各种因素，而不能不加分析地一哄而上。已经发生一些选择空气源热泵作为冷热源的中央空调系统不能正常工作的例子，有关空气源热泵的论述已很多，本文不作过多的叙述。而作为后者，即水——空气(水环热泵)是靠水转向而完成制冷、制热循环的。

　　2水环热泵机组是一种能够从低温物体中吸取能量，并把热量传递到高温物体的装置。其工作原理是：夏季(高温工况下)它能把室内空气中的热量通过制冷剂把热量经循环水系统，再经冷却塔排至室外，使房间降温，达到设计工况; 冬天(低温工况下)依靠制冷剂吸取循环水系统的热量供给室内，达到房间采暖加热的目的。这种利用制冷机的冷凝器释放出热能的装置，即为"热泵" 。下图分别是水环热泵供冷与供热模式：

　　图1中，压缩机(1)泵出冷媒气体经转向阀(2)到水/ 冷媒盘管(3)，该盘管作为冷凝器把冷媒气体冷凝为液体，循环水把热量带走，水温升约为6—8℃。液体冷媒通过过滤器和双向流量器到空气排管(4)，冷媒蒸发把室内循环空气冷却，冷媒气体经转向阀(2)流回压缩机(1)，完成一个冷媒循环，达到制冷的目的。

　　图2中，压缩机(1)泵出冷媒气体经转向阀(2)到空气排管(4)，该排管作为冷凝器把冷媒气体冷凝为液体，加热室内循环空气，液体冷媒通过过滤器和双向流量器到水/ 冷媒盘管(3)，冷媒蒸发把循环水冷却，水温降 4—6℃，冷媒气体经转向阀(2)流向压缩机(1)完成一个冷媒循环，达到制热的目的。

　　由上述二个制冷和制热的原理图可以看出，水环热泵机组的工作原理与空气源热泵基本相同，只不过水源热泵在向室内供冷、供热时与水进行交换，把热量排入水系统中，或从水系统中吸收热量。由于水的热容量比空气热容量大得多，故水环热泵工作是几乎不受外界环境温度的变化而受太大影响;另外，水环热泵机组的热交换效率也高于空气源热泵。据相关资料介绍，水环热泵夏季制冷时，其 COP值可达到 2.8—3.4，而冬季制热时，COP 值则能达到3.6—4.3，可见其

　　冬季制热效率大大高于空气源热泵。

　　三、水环热泵系统的特点

　　1 系统简单

　　水环热泵系统实际上是连接建筑物中全部热泵机组的封闭的双管系统。这种连续循环的水系统的水温一般需维持在 15℃～35℃之间，在这一范围内，能量在系统中相互转换。当水温低于 15℃时，需借助辅助加热设备向水系统补充热量;而当水温高于35℃时，则需借助于冷却塔排掉水系统的热量，保证系统的正常运行。其双管制的特点，实际上已经实现了传统中央空调的四管制的功能。 由于循环水系统工作在 15℃～35℃之间，大于室内空气露点温度，因此水管不

　　必保温，投资减少，安装工作量亦随之降低。

　　2节省能源

　　水环热泵构成的系统是一种节能的空调系统，制冷、制热效率比空气源热泵高，其分散布置，化整为小的特点，以及易于操作，冷、热工况相互独立的方式给用户带来极大的方便，该空调系统特别适用于出租的商业、写字楼和高档住宅。另外，就全年来讲，中央空调在满负荷工况运行的时间，只有约 5%左右，大部分时间是在部分负荷下运行，这就使得冷水机组或锅炉在低负荷状态下工作，效率大大降低，而循环水系统则在空转，造成了大量的浪费。但如果采用水环热泵空调系统则在一定程度上克服了这种缺点。

　　水环热泵的最大优势就在于它可以利用未能充分利用的能量，如建筑物的余热，包括灯光设备散热、人员散热、太阳能、排风系统之能量等。大型建筑的内区可能需全年供冷，而外区在冬季则需供热，将需供冷区域而产生的冷凝热量补充给外区的供暖，能量达到平衡，既不需要启动冷却塔，又不需要打开辅助加热设备，可谓两全其美，这更是水环热泵空调系统独有的特点，其节能的效果更加突出。

　　3 应用灵活，便于计量

　　传统的中央空调系统，必须设置集中冷冻站、锅炉房及末端装置，对于出租的办公楼住宅等无法进行准确的电费计算，不得已采用建筑面积作为分摊电费的指标，这势必引起用户与业主、用户与用户之间的矛盾。而水环热泵空调系统则恰恰很方便地解决了这一问题，因其独立布置，独立控制，每一用户均可全年自行控制供冷或供热不受其它因素影响，而且用户使用单独电表， 分别计量， 自然解决了以上矛盾。另外，由于分散式的控制，降低了同时使用系数，一定程度上能够缓解了高峰用电。对于新建或改建的工程，水环热泵也有其明显的优点： 主体工程结束后，只要将水管管路安装好，保证循环水系统正常运行，则可视资金情况分阶段购置水环热泵机组，降低一次性投资，机组安装完毕后即可投入使用，不像传统的中央空调系统，必须主机投入使用，用户才能享受空调。对于改造的大楼，不仅不会破坏楼宇的结构，而且能分层安装热泵机组。

　　4 控制简单，操作方便，维修方便

　　水环热泵机组本身带有恒温控制器，可以手动，亦可自动控制;可以单台控制，也可多台控制。用户可以很方便的选择供冷和供热模式。水环热泵水温控制也较简单，只有当水温超过 35℃时，才启动冷却塔排热，低于15℃时才启动辅助加热设备，而在 15—35℃之间时既不需要启动冷却塔也不必启动辅助加热。即使某一台水环热泵机组出现故障，也不会影响整个系统的正常运行;更与传统中央空调系统不同，主机一旦出现故障，整个系统即告瘫痪，因而水环热泵系统

　　维修也十分方便。同时，水环热泵的水系统均可采用微电脑控制，即可根据系统供回水温度及室外气象参数的变化控制冷却塔，辅助加热设备及循环水泵的启停。

　　四、水环热泵系统设计

　　1 机组选型

　　建筑物的空调冷热负荷采用目前通用的计算方法或者电算，计算冷热负荷是设计空调系统的基础。当采用水环热泵系统时，应特别注意对内区、外区分别计算，这对于选择辅助加热设备的容量很重要，设计选择水环热泵时，遵循以下原则：

　　(1)对周边区(外区)来讲，既要满足夏季设计工况，又应满足冬季工况， 而作内区，则按夏季设计工况选择。

　　(2)水量一般以每冷吨 0.19L/S 为宜，水管管径的选择同传统的中央空调系统。

　　(3) 实际制冷量和制热量应根据室内设计干、湿球温度进行修正。

　　(4) 水环热泵组容量既不能过大，也不宜过小。

　　2 水系统

　　水环热泵机组的进出水温度为 15～35℃，在某一温度条件下，夏季制冷时， 水流量增加将使制冷量增加，消耗功率下降，能效比提高。但是，在冬季制热时， 水流量增加，制热量提高不多，但消耗功率却增大，因此，冬季要增加传热能力，行之有效的办法是提高水温。水流量的减少，必然降低机组的出力，因而设计水系统时必须保证每台机组在额定的水流量下工作，缺水将使机组效率降低，甚至出现保护性停机。为了使水系统压力易于平衡，系统应设计成同程式，必要时可在支管上设平衡阀。水环热泵机组包括了蒸发器和冷凝器，且管道细小，因此对水质要求较高，应在水泵入口处设置除污器和全程水处理器，机组供水管上应装设水过滤器。并保证管路的坡度、放气，特别是要做好机组的排污和冷凝水的处理等。

　　3排热设备的选择

　　机组在夏季工况下，当循环水温度超过 35℃时，需要对循环水加以冷却， 由循环水带走的热量必须通过排热设备排到大气中，目前排热设备通常使用闭式和开式冷却塔二种：

　　在闭式冷却塔中，循环水在封闭的管路中流动，通过二次蒸发散走热量，因循环水不与大气接触，可以保证水质良好，但是缺点是换热效率比开式冷却塔低，而且冷却塔体积庞大，价格一般是开式冷却塔的2～3倍。而开式冷却塔传热效率高，价格低，体积亦相对较小，但其水质无法保证，为解决这一问题，可采用板式热交换器与开式冷却塔配合使用的方案，板式热交换器一侧为空调循环水， 另一侧为开式冷却塔的冷却水，这样即可保证空调循环水的水质安全。

　　4辅助加热设备的选择

　　随着室外气温的下降，空调热负荷的增加，导致循环水温的下降，当水温低于 15℃时，必须向水系统补充热量，保证系统的良好运行，而辅助加热设备的选择是水环热泵空调系统的关键之一。一般而言， 辅助加热设备有以下几种： 电加热器、燃油或燃气加热器、太阳能加热器以及其它废热回收装置。当需要补充的加热量较小(<200kw)，且用电不紧张时，可采用电加热器，系统简单，控制方便;对于需要较多的补充加热量时(≥200kw)，则应使用燃油、燃气加热器，当然有废热可以利用，将是最理想的方案，选择何种加热设备应通过技术经济比较后确定。

　　辅助加热器的选择计算分二步进行：第一步，确定最大的供暖负荷;第二步， 考虑室内有人员、照明、设备等形成的内部得热量，以及内区供冷时所排出的热量进入水系统，则水系统的加热量为最大热负荷减去建筑物内部形成的热量和获得的热量。一般而言，热泵系统的辅助加热量为计算热负荷的30%～50%左右，但这必须依据具体地区、具体建筑而定，应进行详细的计算，不能一概而论。

　　5新风处理

　　为满足空调区域人员的健康和一定舒适度，一定量的新风补充是必须的。由于地区的不同， 新风的处理方式也不同。一般采用以下几种方式处理：

　　(1)直接利用水环热泵机组处理新风，目前该种机型需定做，且价格较高。

　　(2)用全热交换器进行新风与排风的热交换，达到预热(或预冷)新风，再经水环热泵机组处理，使新风达到室内状态点。

　　(3) 新风与回风直接混合，室外新风通过风管与各热泵机组的回风混合， 热泵机组承担新风负荷。

　　6噪声的控制

　　因热泵机组本身带有封闭式压缩机，故必须对水环热泵机组的噪声加以处理。对小型水环热泵机组而言，行之有效的办法是：热泵机组设减振器或减振吊钩，机组出口和进口处用软接头连接风管， 送回风风管设消声弯头或消声器， 送风风管内贴吸声材料，主风管风速控制在3m/s 以内，尽量把机组设在库房、卫生间吊顶内。对于大于4000m3/h 的热泵机组应尽量设在空调机房内，并做好相应的降噪隔声处理，通过上述处理，完全可以满足用户的要求。

　　五、结束语

　　在水环热泵空调系统中，应注意核心区和周边区的划分，充分利用核心区的余热，以减小辅助加热设备的容量。同时需对内外区空调冷热负荷进行详细计算，以节约能源，降低成本，充分体现该系统的节能优越性。

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