熱泵熱水機(jī)組在游泳池中的應(yīng)用

1、熱泵熱水機(jī)組在游泳池中的應(yīng)用 南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究院 林康立摘 要作者分析目前根據(jù)熱泵原理制成的熱泵熱水機(jī)組，不僅僅可以用于一般生活熱水供應(yīng)，而且也可以巧用熱泵回收低位熱能（包括顯熱和潛熱）的特點(diǎn)，用于室內(nèi)游泳場館中、與室內(nèi)空調(diào)降溫（或供熱）和除濕結(jié)合，做到“一機(jī)三用”達(dá)到空調(diào)、除濕、池水加熱以及生活熱水供應(yīng)的目的。文章分析了室內(nèi)游泳池場館的熱損失和用熱要求以及計算方法。介紹了以熱泵回收游泳池濕熱空氣熱量的兩種具體做法：減濕加熱熱泵機(jī)組和空調(diào)加熱熱泵機(jī)組，并分析了熱泵熱水機(jī)組用于游泳池的實(shí)際工藝流程、用熱量計算、設(shè)備選擇及其節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效果，為讀者開拓了熱泵應(yīng)用的新領(lǐng)域。關(guān)鍵詞 熱泵 熱水機(jī)

2、組 游泳池 應(yīng)用1游泳池的熱損失及用熱要求11游泳池的熱損失游泳池有室外露天游泳池（場）以及室內(nèi)溫水游泳池（館）兩大類。從游泳池的使用性質(zhì)分，有比賽池，訓(xùn)練池，跳水池，兒童戲水池等；從經(jīng)營性質(zhì)分，有公用游泳池，商業(yè)賓館內(nèi)游泳池，也有私人別墅住宅內(nèi)的游泳池等。但無論何種游泳池，都有一個要求維持池水溫度恒定的要求，池水的溫度因使用性質(zhì)不同而異。游泳池的熱損失有下列幾個方面：1）游泳池池水因水面蒸發(fā)，水面?zhèn)鲗?dǎo)，池底和池壁傳導(dǎo)而不斷損失熱量。2）因人們在游泳池內(nèi)游泳，會損失一部分池水，必須不斷補(bǔ)充，而補(bǔ)充水需加熱，需要補(bǔ)充一部分熱量；3）此外，整個游泳池的設(shè)備和管道也在不斷向周圍環(huán)境排放熱量。以上這一

3、些損失的熱量，都需要不斷補(bǔ)充，才能維持池水有一定的溫度。這些熱損失再加上游泳場館淋浴等用熱的負(fù)荷可以稱之為經(jīng)常性用熱負(fù)荷。另外，恒溫池水也有一次性全部更換新的要求。為了清洗，消毒的要求，在一定時段內(nèi)，要求將池水全部放空，重新輸入溫水。如果補(bǔ)充的水是冷水（水溫在5-15），那末，加熱整池水需要的用熱量就是一次性沖擊負(fù)荷。22游泳池池水溫度一般室內(nèi)游泳池池水溫度為4，室外的為。如室內(nèi)游泳館有完善的空調(diào)采暖設(shè)施，可以取為25；如果氣溫低，可以取為27。熱損失與池水溫度高低有關(guān)，也與周圍環(huán)境（例如空氣）溫度有關(guān)。一般室內(nèi)環(huán)境溫度比池水溫度高1-2。國外資料表明：室內(nèi)游泳池最佳環(huán)境參數(shù)為： 空氣溫度 2

4、6-30 池水溫度 25-28地面溫度 30-32風(fēng) 速 0.05-0.1m/s相對濕度 50-60%13室內(nèi)游泳館相對濕度維持室內(nèi)游泳館內(nèi)一定的相對濕度十分必要。當(dāng)室外溫度為-10，室內(nèi)空氣相對濕度為50-60%，設(shè)雙層窗的傳熱系數(shù)為2.9W/m2時，玻璃窗戶上仍會潮濕、結(jié)露；即使室外氣溫為-1，室內(nèi)為28 時，也會結(jié)露。因而游泳池場館必須除濕。14 游泳池的用熱負(fù)荷計算前者提到，對于游泳池用熱的經(jīng)常性負(fù)荷，有：a.水面蒸發(fā)散熱； b.水面?zhèn)鲗?dǎo)散熱； c.池底，池壁傳導(dǎo)散熱； d.設(shè)備及管道散熱； e.補(bǔ)水加熱量； f.游泳場館淋浴等用熱；由于蒸發(fā)散熱，傳導(dǎo)散熱等計算十分復(fù)雜，而且必須有游泳

5、池結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸，氣象，土壤等資料，為了估算的方便，對于a,b,c,d四項(xiàng)，可以合并為一項(xiàng)，即：按游泳池水面面積m2計的平均熱散失量?？梢砸姳?表1環(huán)境溫度5101520252627282930露天KJ/h4522418738523433293128472721259624702302游泳池w125611631070953814791756721686639室內(nèi)KJ/h2345217720101842150714651382134012561172游泳池w651605558512419407384372349325表中數(shù)值按下列條件計算：水溫27，空氣相對濕度50%，風(fēng)速：室內(nèi) 0.5m/s;

6、室外 2 m/s國外資料介紹，對于露天游泳池的熱損失，也可以按下列數(shù)據(jù)估算；在水溫為23，平均氣溫1012時，對流熱損失 7095W/輻射熱損失 6080 W/（夜間）輻射得熱量 180 W/白天蒸發(fā)熱損失 350700 W/補(bǔ)充水時的補(bǔ)熱量 400600 W/對于補(bǔ)水熱損失，可以按補(bǔ)水量及補(bǔ)水溫差進(jìn)行計算而得。游泳池每天補(bǔ)水量占游泳池容積的百分?jǐn)?shù)可見表2。表2游泳池類別比賽池訓(xùn)練池跳水池室內(nèi)公共池露天公共池兒童池幼兒池水球池游泳跳水合一池補(bǔ)充水量（）353535510101510151555方案設(shè)計中建議：露天池取10B1；室內(nèi)池取5B2。因補(bǔ)水需補(bǔ)熱的小時功率可按下式計算P(VB1000/

7、24)(t2-t1)/860 kW， （11）式中：P補(bǔ)水的補(bǔ)熱功率，kW； V游泳池容積，m3； B補(bǔ)水量的百分?jǐn)?shù)，； t1補(bǔ)水初溫，； t2池水溫度，。至于游泳館所用的淋浴、洗滌等生活熱水用量的計算及制熱所需負(fù)荷，可按常規(guī)計算。對于一次性沖擊負(fù)荷，則按照換水量以及水溫升來計算其總用熱功率和小時用熱功率（機(jī)器所需的制熱功率）。總用熱功率QZhQZh=1.15V（t2t1）1000/860 kW， （12）小時熱功率PhQZh/T kW， （13）式中：V 游泳池的總?cè)莘e，m3； t2 池水所需溫度，； t1 冷水溫度，； T 換水周期，h；1.15考慮在換水周期內(nèi)的熱損失附加值。一般初次充水

8、或換水的周期T為2448h計。也就是說，要求在2448h內(nèi)完成整池的換水。至于間隔多長時間換一次水，應(yīng)根據(jù)用戶對于游泳池的使用要求和經(jīng)營情況而定。由于池水是在不斷循環(huán)過濾和消毒的，間隔時間相對比較長，可以是一個月，半年、甚至一年，對于桑拿浴性質(zhì)的水池，有可能是一天換一次水。對于有幾個游泳池的場館，在計算負(fù)荷時，可以將換水時間錯開。在選擇主機(jī)時，可按一個最大容積的水池的一次性負(fù)荷來計算，也可以用換水周期的時間長短來調(diào)整。各種不同的游泳池的循環(huán)次數(shù)和周期可見表3。表3類別循環(huán)次數(shù)n（次/日）循環(huán)周期T（小時）類別循環(huán)次數(shù)n（次/日）循環(huán)周期T（小時）比賽、訓(xùn)練池42.4610公用池4368跳水、私

9、人池32812兒童池6446跳水、游泳合一池32.4810幼兒池241212游泳池循環(huán)加熱以及補(bǔ)水加熱的一般做法可見圖1。2以熱泵回收游泳館濕空氣熱量的做法以熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)的一般熱泵熱水機(jī)組完全可以用于各種游泳池的加熱和補(bǔ)熱。利用游泳池室內(nèi)空氣熱量（潛熱顯熱）的“空調(diào)熱水機(jī)組”、“除濕熱水機(jī)組”更可以達(dá)到“一機(jī)兩用”、“一機(jī)三用”，在制熱保證池水恒溫的同時，達(dá)到改善游泳館室內(nèi)空間的空氣環(huán)境、去濕降溫的目的。下面介紹三個例子。21美國CRISPAIR公司 “ETech PHD”室內(nèi)溫水游泳池用超節(jié)能熱水空調(diào)系統(tǒng)（見圖2）圖2 室內(nèi)溫水游泳池用熱水空調(diào)系統(tǒng)該主機(jī)吸取溫水游泳池室內(nèi)的水蒸汽和熱空氣中

10、的潛熱和顯熱，通過風(fēng)冷熱泵，將熱量轉(zhuǎn)移到游泳池中來加熱池水，使水溫保持恒定；同時又將游泳池的室內(nèi)空氣去濕、降溫，并補(bǔ)入一部分新風(fēng)后，送入室內(nèi)，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)和不結(jié)露。其主機(jī)內(nèi)部的流程及部件可見圖3。該系統(tǒng)可以有效地降低2/3游泳池室內(nèi)空氣的降溫費(fèi)用；3/4池水的加熱費(fèi)用；3/4的室內(nèi)空氣除濕費(fèi)用，整個系統(tǒng)的能效比COP3。該主機(jī)對空氣進(jìn)行熱管換熱加熱和再加熱（調(diào)整露點(diǎn)）；對室內(nèi)空氣進(jìn)行雙重除濕熱管的冷端除濕、熱泵蒸發(fā)器中的除濕。排走一部分的回風(fēng)，補(bǔ)入室內(nèi)人員必須的一部分新風(fēng)。新風(fēng)量用露點(diǎn)控制器調(diào)節(jié)。圖3 熱水空調(diào)熱泵系統(tǒng)內(nèi)部流程2.2法國私人室內(nèi)游泳池用“熱泵除濕熱水機(jī)組”這種機(jī)組主要是為了

11、除濕，同時將一部分熱量轉(zhuǎn)移到加熱池水中。國外資料表明，私人游泳池的產(chǎn)濕量為：每平方米水面面積0.10-0.15kg/h.m2,再加上每人0.40-0.50kg/h。每平方米水面每年產(chǎn)生的水蒸氣約為1t，每噸水蒸氣相當(dāng)熱量約為700KW.h。為除濕所需的通風(fēng)量約為2540m3/m2.h。熱泵除濕加熱過程可以從h-d圖上作圖說明（見圖4）。傳統(tǒng)除濕，室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)P（假定28、50）與新風(fēng)點(diǎn)A（假定5、90）混合，混合點(diǎn)M，再由M點(diǎn)加熱到E點(diǎn)（46、13），加熱過程所需熱量為QC；熱泵除濕，由于熱泵吸取P狀態(tài)下空氣的熱量，使空氣降溫降濕至K點(diǎn)（假定10、80），再用冷凝熱將空氣加熱至E點(diǎn)（送風(fēng)狀態(tài)

12、），空氣的得熱量為（hEhK）VQhp。設(shè)熱泵的能效比COP3.8,則熱泵實(shí)際耗電量僅為0.263Qhp。如QhpQC，則熱泵的制熱量除了加熱空氣外，還可以有多余的熱量；來加熱池水。圖4 除濕過程在h-d圖上的表示國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一些完全靠電力使用熱泵加熱的私人室內(nèi)游泳池每年大致的耗電量可見表4。表4游泳池用電情況單層玻璃窗雙層玻璃窗小玻璃窗123123123快速式水加熱器、。加熱座椅*、壁板式供暖*、地板式供暖*，及洗澡間用熱等的耗電量（kW.hr/a.m2池面積）10001500220060090018002004001200小型熱泵機(jī)組、池水循環(huán)泵、照明等耗電量（kW.hr/a.m2池

13、面積）800900900800900900800900900室內(nèi)游泳池總耗電量（kW.hr/a.m2池面積）180024003100140018002700100013002100注：1單元住宅用室內(nèi)游泳池；2公寓用室內(nèi)游泳池；3飯店賓館用室內(nèi)游泳池。*這些數(shù)字對沒有加熱座椅、壁板式供暖、地板式供暖設(shè)備時同樣有效。減濕加熱用熱泵機(jī)組的制冷劑循環(huán)及組成可見圖5。該機(jī)組有兩個單獨(dú)的制冷劑循環(huán)兩臺熱泵所組成：一個是空氣空氣式；一個是空氣水式。第一臺熱泵的壓縮機(jī)部分承擔(dān)游泳池室內(nèi)空氣的減濕，與此同時用空冷式冷凝器再加熱減濕后的空氣。如果單用一臺熱泵達(dá)不到預(yù)定的減濕量，則開動第二臺熱泵的壓縮機(jī)完成其余的

14、減濕量。但第二臺熱泵的冷凝器采用銅管制水冷式，將回收的熱量去加熱池水。控制進(jìn)入的新風(fēng)量為最小值，以節(jié)約能量，晚間不用新風(fēng)，完全采用室內(nèi)空氣循環(huán)。當(dāng)除濕量減少（意味著吸熱減少、就空氣的冷凝熱減少）時，采用輔助電加熱空氣，以保證室內(nèi)采暖需要。圖5 減濕加熱熱泵機(jī)組23加拿大“DECTRON”公司的“DRYOTRON”牌的室內(nèi)游泳池、按摩池、小型商用恒溫恒濕和能源再生系統(tǒng)為改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、保證沒有凝結(jié)水的減濕熱水機(jī)組通過把游泳池蒸發(fā)到空氣中的水蒸氣回收利用，一方面回收熱量將池水加熱，同時也可以給空氣回?zé)?；另一方面，通過降低空氣溫度到露點(diǎn)，使水蒸氣凝結(jié)成水，既干燥了空氣，達(dá)到除濕的效果，又可以回收蒸

15、發(fā)掉的水分，再回水池，減少游泳池的補(bǔ)充水，從而達(dá)到了恒溫、恒濕、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的效果。該系統(tǒng)的流程圖可見圖6。圖6 游泳池能量再生系統(tǒng)3熱泵熱水機(jī)組用于游泳池的方案及其經(jīng)濟(jì)性31工藝流程和控制目前推薦的熱泵熱水機(jī)組用于游泳池供熱系統(tǒng)的工藝流程可見圖7。圖7 熱泵熱水機(jī)組用于游泳池的制熱工藝流程圖該流程中，開式蓄熱水箱A中的55以上的熱水，用泵增壓打入分水器，從分水器出來的一路去池水的再加熱器，間接循環(huán)加熱池水。設(shè)池水維持的水溫27，抽出的池水由24加熱到28，返回池內(nèi)。而另一路作為補(bǔ)水加熱的熱源，通過混水器與自來水混合后，成為28的水補(bǔ)入平衡池中，平衡池的液面與游泳池的水面同一高度，一旦游泳

16、池的液面下降，平衡池的水面也下降，通過浮球閥對28的水補(bǔ)入池中。第三路水即送到淋浴間作淋浴用，采用干管循環(huán)，未用完的熱水循環(huán)回到蓄熱水箱B中，由主機(jī)吸入再加熱。32設(shè)計計算及步驟321已知條件： 1）游泳池容積： 300m32）淋浴等日用熱水量和溫度:6750升（55）3）池水溫度及游泳池的室內(nèi)氣溫：池水溫度27 ，室溫28。4）當(dāng)?shù)貧鉁仄骄担捍呵锛荆?5、911月） 23； 夏季（68月） 28；冬季（122月） 15.37。5）極端最高氣溫 38.7 ； 極端最低氣溫 0.26)當(dāng)?shù)刈詠硭疁兀ㄆ骄担憾?5、春秋季17.5、夏季20、最低水溫10322熱負(fù)荷計算1）一次性沖擊負(fù)荷（初

17、次充水或換水）應(yīng)以冬季的工況計算，自來水溫度取最低值：10；換水周期24-48小時，本案取48小時。則：P2h=1.15V(t2-t1)1000/(86048)=1.15300(28-10)1000/86048 =150.44kw2） 日經(jīng)常負(fù)荷：（1）彌補(bǔ)散熱損失負(fù)荷：當(dāng)池水水溫為27，室溫為28時，查表1，得每平方米的池水散熱量為372W/m2；小時散熱負(fù)荷Ph1=200372/1000=74.4kW；日散熱負(fù)荷為Qh1=74.424=1785.60kWh（2）補(bǔ)水補(bǔ)熱負(fù)荷：以每日補(bǔ)水量為5%的池容積計，冬季工況冷水溫度為15時，小時補(bǔ)水補(bǔ)熱負(fù)荷Ph2=VB1000/24(t2-t1)/8

18、600.95 =3000.051000(28-15)/(241600.95)=9.95kW日補(bǔ)水補(bǔ)熱負(fù)荷Qh2=Ph224=9.9524=238.68kwhr（3 ）淋浴等用水量及日用熱負(fù)荷Qh3：日用熱水量6750升/日（55）；設(shè)小時最大流量為1/3的日用熱水量（每場次用水量）， Wh=W/3=6750/3=2250升/小時。 日用熱負(fù)荷Qh3=W(55-15)/(8600.05)=675040/817=330.48kwhr該游泳池日使用熱負(fù)荷為 Qh=Qh1+ Qh2+ Qh3 =1785.6+238.68+330.48 =2354.76kW。 323主機(jī)選型計算1）滿足冬季一次換水要求

19、，初選主機(jī)及臺數(shù)，然后校核工作時數(shù)是否在24-48小時之間。并且以冬季平均日氣溫及最低冷水水溫來計算 （1）初選某公司300型熱泵熱水機(jī)組。該主機(jī)在氣溫為15.37時，其輸出熱功率為80.59kW，輸入功率為25.07 kW。 （2）主機(jī)臺數(shù)N=P2h/80.59=150.44/80.59=1.8647臺 （3）初取2臺 （4）主機(jī)工作小時數(shù)H=（ P2h 48）/（80.592）=（150.4448）/（80.592）44.8小時（符合48小時內(nèi)的要求）2）經(jīng)常日用熱負(fù)荷下，主機(jī)日工作小時核算 （1）以冬季工況計算： H1= Qh/（80.592）=2354.76/（80.592）=14.6

20、1小時。3）極端最低氣溫下，主機(jī)24小時全開時，所需輔助電加熱量計算： 當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貫?.2，熱泵主機(jī)的輸出功率為47.4 kW， 輸入功率為19.58 kW。主機(jī)24小時的總制熱總量：47.4224=2275.20 kW極端最低氣溫下，日經(jīng)常用熱負(fù)荷也會因上水溫度（自來水溫）下降而增大，Qh1=1785.6 kWQh2=3000.051000(28-10)/8600.95=330.48 kWQh3=W(55-10)/8600.95=675045/817=371.78 kW總?cè)战?jīng)常負(fù)荷為：1785.6+330.48+371.78=2487.86 kW欠缺電量為2487.86-2275.20=2

21、12.66度所需輔助電加熱的功率為212.66/24=8.86 kW，設(shè)計取10 kW。324蓄熱水箱的臺數(shù)及容積計算：根據(jù)本流程要求，應(yīng)采用2個水箱，1個水箱具有循環(huán)（中間）水箱的作用，且作為加熱池水循環(huán)熱水系統(tǒng)的緩沖罐。另一個具有蓄熱水箱作用，滿足淋浴等高峰用水的需要。另外，其容積應(yīng)從滿足兩方面要求來考慮。1）循環(huán)熱水流量：池水小時散熱量：74.4 kW860=63980kcal/hr， 設(shè)加熱水由55降低至50，則要求循環(huán)加熱水量為：63980/（55-50）0.05=13470l/hr=13.47m3/hr。2）緩沖罐容積取為30分鐘流量，則V=13.47*30/60=6.735 m3 。3）淋浴用熱的高峰用水量：以每批計，最大用水量為2250 l 。4）所需水箱的有效容積：6.735+2.250=8.985 m3設(shè)計取用6 m3水箱2個，共12 m3 。根據(jù)上述的計算，本案的設(shè)備如下： HAM300型熱泉熱水機(jī)組 2臺 輔助電加熱器10 kw 1臺（放在水箱內(nèi)）水箱6 m3 2臺 33方案的經(jīng)濟(jì)性如果能利用室內(nèi)游泳池的濕熱空氣作為熱泵熱水機(jī)組的熱源。由主機(jī)蒸發(fā)器吸熱去濕后，再將主機(jī)出來的干冷空氣直接打入