水源熱泵空調系統(tǒng)的設計及應用

1、水源熱泵空調系統(tǒng)的設計及應用當今社會環(huán)境污染和能源危機嚴重地威脅著人類地生存與發(fā)展，如何理解這一問題已成為全人類的頭等課題。在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為特征的綠色建筑和與之相應地空調系統(tǒng)應運而生。而熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的中央空調系統(tǒng)之一。水源熱泵具有節(jié)能、經(jīng)濟、運行可靠等特點。目前，國內已有多家水源熱泵的專業(yè)生產(chǎn)廠，水源熱泵空調系統(tǒng)的應用范圍正在逐步擴展。水源熱泵技術可利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收地太陽能和地熱能而形成地低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，即通過少量的高位熱能的輸入，把不能直接利用的低位熱能轉化為可以利用的高位能，從而達到節(jié)約部分高位能的目的。在國外，水源熱

2、泵技術已經(jīng)相當成熟；而在我國，對于水源熱泵技術的研究才剛剛起步，同國外相比，還存在著差距。1 、水源熱泵的特點空調熱泵按其熱源來分可分為空氣源熱泵和水源熱泵。1.1 空氣源熱泵的優(yōu)缺點從熱泵技術被引入中國后，空氣源熱泵機組在我國一直有相當廣泛的應用?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡單，初投資較低?？諝庠礋岜秒m然較之以前的冷水機組有許多優(yōu)點，但是它的缺點也日益暴露出來：1.1.1 空氣源熱泵體型較大，占地面積大1.1.2 噪聲較高1.1.3 需要定期除霜在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量，特別是在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)，熱泵蒸發(fā)器的結霜可成為較大的技術障礙。1.1.4 受室外

3、環(huán)境制約這是空氣源熱泵的主要缺點。在遇到夏季高溫和冬季寒冷的天氣時熱泵的效率大大降低，而且制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，制冷量隨室外溫度升高而降低，這與建筑熱負荷需求趨勢正好相反1.2 水源熱泵的特點水源熱泵基本上克服了空氣源熱泵的上述缺點，并且具有如下的特點：1.2.1 屬于可再生能源利用技術水源熱泵是具備了利用地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量）

4、，而且是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散地相對地均衡。這使得利用儲存于其中地近乎無限地太陽能或地能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源地一種技術。1.2.2 便于計量和收費空調用電負荷在用戶位置，因此便于空調的計量與收費。這對于用戶合理使用空調系統(tǒng)，節(jié)約空調系統(tǒng)的能耗，公平、公正、公開地攤派空調運行管理是很有利的。1.2.3 運行安全可靠水源熱泵機組的空調系統(tǒng)是可以基本保證全年按用戶的需要開啟空調系統(tǒng)，特別是春秋空調過渡季節(jié)均能運行，也就相當于四管制空調系統(tǒng)。一般，水源熱泵供、回水的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。夏季水體

5、作為空調的冷源，冬季作為空調的熱源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。1.2.4 高效節(jié)能水源熱泵機組可利用的環(huán)境水體溫度冬季為1222，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為1835，水體溫度比環(huán)境溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，機組效率提高。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好地水源熱泵，利用江河湖水等，供熱制冷空調的運行費用可3040。1.2.5 靈活應用有的建筑物內，特別在過渡季節(jié)，部分區(qū)域需要供冷，部分區(qū)域需要供熱，水源熱泵可以同時供冷和供熱，可以實現(xiàn)建筑內

6、冷熱量的轉移和平衡，從而系統(tǒng)少用能源。1.2.6 節(jié)約投資水源熱泵系統(tǒng)不需設冷凍機房，不設大的通風管道，不設大的鍋爐房和沒有冷凍水系統(tǒng)，安裝和投資費用大大減少。1.2.7 環(huán)境效益顯著水源熱泵使用的是電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時，消耗的是一次能源，其所產(chǎn)生的污染物和二氧化碳等氣體會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響。所以節(jié)能實際上也是減少了污染。2、水源熱泵系統(tǒng)的管路設計水源熱泵空調系統(tǒng)的設計與施工是一項系統(tǒng)性工作，需要從多方面來分析這一工程的特點。2.1 水源熱泵系統(tǒng)管路設計的特點水源熱泵的管路設計相對于空氣源熱泵來說，具有明顯的特點，主要體現(xiàn)在以下幾點：2.1.1 水管不需要保溫空氣源熱泵

7、機組夏季輸送的是冷凍水，冬季輸送的是熱水，因此，管路系統(tǒng)必須保溫，而水源熱泵的空調系統(tǒng)，夏季管內冷卻水供回水設計溫度30c35C,冬季供熱水溫度僅為16c21C,因此，水管路系統(tǒng)可以不保溫，管路系統(tǒng)的初投資與維護費用降低。2.1.2 開、閉式兩種形式的轉換水源熱泵系統(tǒng)通常由開式（夏季）和閉式（冬季）一套管路兩種形式，季節(jié)轉換，即開、閉式系統(tǒng)形式的轉換。1.1.1 ）夏季利用開式的原因，開式冷卻塔遠比閉式冷卻塔便宜，如采用板式換熱器，則多了一套水循環(huán)系統(tǒng)。另外，往板式換熱器的冷卻水往往達不到熱泵機組進、出水設計溫度的要求。但是閉式冷卻塔可以保證水質不受污染，所以采用開式冷卻塔時要注意水的除垢問題

8、。1.1.2 ）季節(jié)轉換，可通過管路系統(tǒng)中合理設置的閥門進行切換。2.1.3 重力作用的影響閉式系統(tǒng)的水力計算中，與各用戶所在的標高關系不太大；而開式系統(tǒng)中與用戶的標高關系密切，即必須考慮高差產(chǎn)生的重力作用，這個作用壓力，對標高低的用戶有利，而對標高高的用戶不利。為解決重力作用產(chǎn)生的上下用戶的水力不平衡的問題，設計時，應將每一層作為一個獨立的水系統(tǒng)分支，每層支管上應設一個平衡閥（或流量調節(jié)閥）。2.1.4 管徑的確定水系統(tǒng)管路各管段管徑的確定，在水力計算中，應按夏季工況考慮，（指長江流域等冬冷夏熱地區(qū)）因為夏季的水流量遠大于冬季工況。應計算出合理的管徑，這樣即可以避免管材的浪費，又可以使初投資

9、降低，節(jié)約資金。2.1.5 同程式系統(tǒng)設計時，水環(huán)路盡可能地采用同程式系統(tǒng)，這樣初投資費用雖然有所增加，但有利于保持環(huán)路的阻力平衡，這樣空調系統(tǒng)運行效果更加良好。2.1.6 必要的接管組合水源熱泵需要一些特殊的接管組合，以保證機組的正常工作。常見的有手動控制流量球閥接管組合，手動文丘里平衡閥組合和自動流量接管組合。其中手動文丘里平衡閥組合是在手動球閥組合的基礎上增加了一個用來測流量的文丘里接頭；自動流量接管組合增加了自動流量控制閥，從而可以自動調節(jié)，以保證流量。2.2水源熱泵系統(tǒng)中的構件布置水泵一般布置于輔助設備（如冷卻塔、鍋爐等）和水源熱泵機組之間，這樣布置可使機組的供水管處于水泵的壓水段，

10、而補給水管處于水泵的吸水段。水源熱泵空調系統(tǒng)原理見示意圖，圖中可反映系統(tǒng)構件（如水過濾器、膨脹水箱、空氣分離器等）典型布置。如需要設置蓄水箱應將其置于水源熱泵機組水流下方，這樣，鍋爐可根據(jù)需要快速向系統(tǒng)補水。從下圖可以在總體上了解水環(huán)路的連接應注意的事項。其中，不同位置的閥門的作用應特別注意（如季節(jié)轉換時的開啟或關閉）。水源熱泵系統(tǒng)中，水管路系統(tǒng)的設計與施工非常重要。一般來說，系統(tǒng)配件管路的造價在整個系統(tǒng)總造價中所占比例很大，因此需盡可能合理地布置管道。其中：水源熱泵空調系統(tǒng)示意圖1空氣源熱泵機組2輔助熱源臥式循環(huán)水泵3單項閥4除垢儀5Y型水過濾器6可曲撓接頭7開式膨脹水箱8冷卻塔9系統(tǒng)臥式循

11、環(huán)水泵10板式換熱器11水源熱泵機組12平衡閥3水源熱泵的輔助熱源問題在冬季，水源熱泵機組不能完全承擔室內熱負荷，需要使用輔助熱源。目前，使用的輔助熱源有多種形式，其中有：電加熱（通常采用蓄熱式）系統(tǒng)；蒸汽或熱水加熱系統(tǒng)；空氣源熱泵系統(tǒng)等。3.1 電加熱（即蓄熱）系統(tǒng)在空調工程中應用蓄熱技術的主要前提是該地區(qū)實行電力低谷高峰期電價差。目前，在我國的某些地區(qū)，存在著用電結構矛盾并有不斷加大（一方面存在著嚴重地高峰電力不足，另一方面存在著峰谷差過大等問題）的趨勢，自然資源大量浪費的惡性循環(huán)的現(xiàn)象，這就為蓄熱技術的應用提供了條件。電加熱系統(tǒng)作為輔助熱源的優(yōu)缺點：3.1.1 優(yōu)點系統(tǒng)較簡單，水溫容易控

12、制，操作較簡單。3.1.2 缺點熱水蓄熱裝置及配套設置占用建筑空間且初投資大。3.2 空氣源熱泵系統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助熱源的優(yōu)缺點：3.2.1 優(yōu)點1 ）在冬季運行的情況下，其熱效率高于電加熱（熱泵的供熱系數(shù)大于1.0）。2 ）由于要求供水的溫度（21）遠低于熱泵常規(guī)的設計供水溫度，實際供熱量要比額定供熱量大，選機組容量時可考慮這個因素。3 ）可作為夏季空調高峰時的備用冷源。3.2.2 缺點1 ）初投資較大2 )冬季供熱的水溫長期處于較低的情況，可能對機組的使用壽命有影響3 )常采用間接換熱器的方式(如示意圖)，所以又增加了一套水系統(tǒng)。4 .2.3空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助熱源的適用場合1 )

13、我國長江流域地區(qū)2 )無蒸汽或熱水等熱源的空調建筑物3 )沒有其它低品味的或廉價的熱能4 )沒有分時電價或雖有分時電價，但經(jīng)計算采用電熱蓄熱水系統(tǒng)經(jīng)濟上當不合算的場合。5 .3蒸汽加熱或熱水加熱系統(tǒng)蒸汽加熱或熱水系統(tǒng)作為輔助熱源的前提是建筑物附近有鍋爐房等熱源。特點是：系統(tǒng)簡單；運行費用低，經(jīng)濟；常采用換熱器。在具備此條件的情況下，盡可能采用此輔助熱源。4、水源熱泵機組設計中應注意的其它問題6 .1噪聲控制問題由于機組的噪聲源除風機之外，還有制冷壓縮機的噪聲，所以噪聲一般很大。此外，不適當?shù)乃?、回風管路設計也會產(chǎn)生噪聲問題。分體式機組就是把機組分為內機和外機兩部分。內、外機有工質管道連接；內機

14、由風機和蒸發(fā)器(夏季工況)組成，外機由壓縮機和冷凝器(夏季工況)組成。選用分體式機組時，內機置于空調房間內，外機置于空調房間外的走道、過道等位置的吊頂內，這樣空調房間的噪聲可以大大下降。采用整體式時，應把機組吊裝在衛(wèi)生間或廚房內。水源熱泵的噪聲問題是一個重要的問題，在設計和安裝過程中一定要加以認真考慮并按要求施工。7 .2機組的安裝問題水源熱泵的安裝也是較重要的問題之一，很多水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生問題都是和不當安裝相關的。水源熱泵機組在許多情況下是采用吊裝的型式。與常規(guī)的空調機組相比，在相同的冷熱負荷條件下，整體式水源熱泵機組的外形尺寸大，尤其是機組的高度較高，安裝在吊頂內的機組，必須考慮此因素。此外機組的重量較重，整體式機組的重心也不