水環熱泵空調系統的應用與優化設計

摘   要：介紹了水環熱泵空調系統的組成、工作原理，并對該系統作了節能性分析，總結出該系統的適應性、經濟性，最后提出了水環熱泵空調系統的優化設計方法。
關鍵詞：空調；水環熱泵；節能；優化設計

1 引言
       隨著經濟建設的快速發展和人們生活質量的不斷提高，空調的應用日益廣泛和普及，空調系統的能耗也逐年增加。目前，空調系統耗能已占到整個建筑耗能的60％以上。建筑節能、改善生活環境的可持續發展對空調方式提出了更高的要求。水環熱泵空調系統是一種以回收建筑余熱為目的、具有節能和環保意義的空調形式，受到了越來越多的關注。
2 水環熱泵空調系統的組成及工作原理
2.1系統的組成
        閉式水環熱泵（Water Loop Heat Pump）系統簡稱水環熱泵系統（WLHP)。它是由數量眾多、型號各異的水源熱泵空調機組（WSHP)，通過雙管閉合水環路并聯的空調系統。系統正常運行時，熱泵水循環系統的運行溫度在15-35℃。在冬季為了使熱泵入口水溫維持在最低溫度以上，根據情況，如需要向系統加入熱量，則系統中需設輔助加熱裝置。在夏季，如果水系統熱泵入口水溫升到35℃以上時，則部分熱量需要通過排放設施或冷卻塔排放到室外，以降低入口溫度。綜上所述，水環熱泵空調系統一般是由開式冷卻塔、換熱器、雙管封閉水系統、熱泵機組、循環泵和輔助加熱裝置等組成。系統組成如圖1所示。
圖1水環熱泵空調系統原理圖

2.2系統的工作原理
        水源熱泵機組將循環水作為冷、熱源。通過四通換向閥改變制冷劑的流動方向來實現制冷工況與制熱工況的轉換。在制冷工況時，利用制冷劑蒸發將空調房間中的熱量取出，傳入封閉環路的循環水中；制熱工況時，利用制冷劑蒸發吸收封閉環路中循環水的熱量，而在冷凝器中放熱到空調房間以實現供暖。從而形成一個以回收建筑物內部余熱為主要特點的熱泵供暖、供冷的空調系統。
3水環熱泵空調系統的節能性分析
        水環熱泵空調系統利用兩方面的節能手段：(1)利用廢氣、廢熱加熱循環水作為冬季供暖的補充熱源；(2)利用室內余熱，當建筑物內有多余的熱量或同一時間內部分區域需要制冷、部分區域需要制熱時，部分熱泵機組處于制冷工作狀態，向循環水放熱；另一部分機組處于制熱工作狀態，從循環水中吸收熱量。這樣，建筑物內冷熱負荷可以在內部消化掉一部分，從而達到節能的目的。冬季使用時，有輔助熱源加熱的問題，但該熱源只是提供10%-30%的熱負荷熱量，主要的熱負荷由一部分制冷方式運行的機組回收冷凝熱來抵消或采用其它的余熱、廢熱來解決。
        水環熱泵空調系統是一種能充分利用低位熱能的高節能空調系統。春秋季節運行時，系統有40%制冷、60％制熱，供冷機組排出的熱量近似等于供熱機組所需的熱量，整個系統基本處于熱平衡狀態，既不需要外加熱量也無熱量排出，無需開動加熱設備或冷卻塔，減少其運行時間，達到節能的目的。當冬季運行時，內區利用空調機制冷，周邊區利用內區房間放出的熱量加熱循環水，由循環水加給周邊房間，其不足部分再開動加熱設備加以補充，從而減少能耗。因為熱泵空調器其性能系數COP高、能耗低，供冷時COP可達3.6-4.3，供熱時COP為3.1-4.7，比常規風冷系統節能15%- 20%。美國電力公司對不同空調系統的用電情況調查結果如表1所示，水環熱泵空調系統是耗電量最少的系統。

表1 空調系統用電量比較

        水環熱泵空調系統的節能性還表現在部分負荷的節能上。目前使用的傳統中央空調系統一般只有1-2臺或3-4臺主機，部分負荷時也需開1臺主機，即使能量調節，最少也要達到總容量的25%，故浪費了大量能源。而水環熱泵空調系統是由單個的水源熱泵機組組成的，且分散在各個房間，在部分負荷時只有所需房間的熱泵機組和循環水運行，因此能耗可大大降低。對于空調建筑，全年有75％的時間系統運行負荷不到設計負荷的一半，僅有5％的時間在設計負荷下運行，傳統的制冷、制熱、循環水系統長期在低效率下工作，能耗損失大。而水環熱泵空調系統則可視使用情況決定開機多少，達到節能效果。
        水環熱泵空調系統中的水源熱泵機組是獨立的制冷制熱裝置，本身帶有安全保護和溫度控制裝置，它能夠提供全年性的非集中控制的空調服務。用戶可根據需要，自行調節控制互不干擾，不受時間限制。機組用電與用戶電表連接，分戶計費，利于用戶節約用電。
4水環熱泵系統的適應性、經濟性分析
4.1適應性分析
        從水環熱泵空調系統的節能性可以看出，水環熱泵空調系統并不是在任何情況下都適用。對于某一特定建筑，必須根據建筑物的冷熱負荷曲線，使用情況，建筑物功能，所處環境等諸多因素綜合評價使用該系統是否節能、合適。根據其回收功能及國內外已有工程的應用經驗，總結出其適用范圍如下：
        (1)建筑物內有低品位廢熱可供利用；
        (2)從地理位置看，適用于冬季不太冷的地區；
        (3)從建筑規?？?，建筑物體型大、有明顯的內區和外區的劃分，同時需要制冷和制熱，而且排出的熱量與需要的熱量相近時最合適；
        (4)制冷量不大，且需要獨立計量，個別房間或區域經常需在夜間或假日獨立使用的建筑；
        (5)適用于冬季內區熱負荷較大的商場與辦公樓，可利用內區熱負荷來抵消外區熱負荷，時間越長、數量越大、經濟性能越好。
4.2經濟性分析
        (1)投資成本低。水環熱泵系統化整為零，比傳統中央空調系統經濟，沒有集中制冷機房、鍋爐房、空調機房，減少了占地面積；所需風管少；水管無保溫系統，節省了材料費；溫度裝置在熱泵機組中，節省控制室的投資。
        (2)節省能源。水源熱泵機組同非水源熱泵機組相比具有效率高、電耗低、可同時供冷、供熱的優點，可實現系統內部能量平衡，達到節能的目的。
        (3)維修成本低。由于設備簡單，所以故障率低。
5水環熱泵空調系統的優化設計
設計水環熱泵空調系統時要掌握以下設計方法：
        (1)系統設計的核心問題是要精確計算建筑物的冷熱負荷，確定建筑物各部分的使用功能。W LHP系統環路循環水流量推薦值見表20
                        WLHP系統的優化環路溫度見表3。

表2  WLHP系統的環路水流量推薦值

表3  WLHP系統的優化環路溫度

        (2)按實際室溫與循環水進水溫度選用WSHP機組，COP值要大，不能低于3.5。
        (3)選用WSHP機組應考慮機外余壓是否足夠大，能否滿足實際系統的需要或根據機外余壓確定機組前后風管的尺寸。
        (4)在修正WSHP機組夏季性能數據時，其循環水溫度應按當地夏季室外濕球溫度加3-4℃來取值。
        (5）如不能調節環路配管管徑，需校核每臺WSHP機組與環路供回水管連接的水壓差能否為機組提供所要求的水流量。
        (6)選擇輔助加熱裝置，輔助加熱量一般為系統總熱負荷的10%-30%。多采用電加熱、太陽能熱水器或煤氣熱水器。
        (7)環路循環水流量的最佳取值范圍為0.1537一0.125m3/kWh，環路循環水流量推薦值見表2，若低于推薦值可能造成機組因高壓過高或溫度過低而停機。
        (8)蓄熱水箱的容積可按理論計算與估算兩種方法來確定。隨著蓄水量的增大，鍋爐能耗迅速減少。但當蓄水量增大到一定量后，鍋爐能耗趨于穩定。典型的水環熱泵系統設備及管路中單位冷量的最佳固有蓄水量為11L/kW.
6結論
        (1)水環熱泵空調系統作為一種較新的空調方式，具有鮮明的特點，合理使用可以起到較好的節能效果
        (2)水環熱泵空調系統是回收建筑物內余熱的系統。設計時應先根據建筑物的特點、功能、使用情況，判斷該方案是否節能。
        (3)水環熱泵空調系統作為一種新型的空調形式，在實際應用中還不多，設計時應借鑒國外的成熟經驗，尋找最佳的應用切入點，使其發揮更大的作用。
參考文獻
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作者簡介：王剛（1978-)，男，河北定州人，青島理工大學環境與市政工程學院碩士研究生。研究方向：空調設備與技術。