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水环热泵空调系统Water LoopHeatPumpSystem 定义 水环热泵空调系统是指小型的水 空气热泵机组的一种应用方式 即用水环路将小型的水 空气热泵机组 水源热泵机组 并联在一起 构成一个以回收建筑物内部余热为主要特征的热泵供暖 供冷的空调系统 1 水环热泵的本质 水环热泵系统的出现 存在 发展 其生命力在于具有热回收功能 其最主要 最本质的优点是可以利用制冷空调房间排放的冷凝热来加热供热空调房间 从而提高了建筑物内部的能源利用系数 2 国内外研究现状 水环热泵系统早在1955年就在美国申请了专利 并于20世纪60年代在美国加尼利福亚州出现 故也被称为 加利福尼亚系统 该系统在20世纪70年代进入日本 并有很多工程实例的应用 80年代以来进入我国 早期在深圳 上海 北京等城市有一些工程实例 3 1990年 美国的Zaidi J H 和Howell R H 两位学者就水环热泵空调系统 WLHP 变风量空调 VAV 定风量空调系统 SZR 和风机盘管空调系统 FCU 四种空调系统在美国5个不同城市 不同类型建筑应用时的节能性进行了模拟研究 并得出了如下结论 4 1 总的来说 水环热泵空调系统的全年能耗最低 与其它几种空调系统相比 全年运行节电率在28 以上 最高可达76 2 在温暖气候条件下 水环热泵空调系统与其它形式的空调系统相比 节能率更高 3 对于大型的建筑物 内区负荷与外区负荷比值越大 使用水环热泵空调系统的节能率越高 4 当围护结构得热引起的冷负荷越小 内热源越大时 使用水环热泵空调系统的节能率越高 5 McQuay和TRANE等美国公司也对水环热泵空调系统的性能进行了研究 并分别编写了 水环热泵空调系统设计手册 给水环热泵空调系统在实际工程中的应用提供了参考 6 国内对水环热泵空调系统的研究相对来说起步比较晚 但也取得了一定的成果 哈尔滨工业大学的马最良教授等通过对水环热泵空调系统的静态分析和动态模拟 并综合分析了建筑所处地理位置 建筑类型 加热器型式等对水环热泵空调系统节能效果的影响 得出了水环热泵空调系统适合使用的条件 同济大学的于航教授对水环热泵空调系统设计和应用中的问题进行了探讨 并给出了设计方法和工程实例 7 重庆大学的刘宪英教授通过对水环热泵空调机组的实测 对水环热泵机组的安装位置 噪音和水系统型式等问题进行了分析 天津大学的李新国学者分析了水环热泵空调系统的热学特性及其节能效果 提出了优化方法 中国建筑科学研究院空调研究所的汪训昌教授从工程设计角度 对水环热泵空调系统的热回收特性及其使用场合作了全面阐述 并对设计中常遇到的一些问题进行了讨论 8 水环热泵空调系统及其评价 水环热泵空调系统的组成1 室内水源热泵机组 水 空气热泵机组 2 水循环环路 定压装置 排水放气装置 补水及水处理装置 水泵及附件等3 辅助设备 冷却塔 加热设备 蓄热装置等 4 新风与排风系统 通常采用独立新风 9 典型的水环热泵空调系统原理图 1 水 空气热泵机组 2 闭式冷却塔 3 加热设备 4 蓄热容器 5 水环路的循环水泵 6 水处理装置 7 补给水箱 8 补给水泵 9 定压装置 10 新风机组 11 排风机组 12 热回收装置 10 运行特点 5种运行工况 11 1 所有热泵机组都处于制冷工况 向环路中释放热量 冷却塔全部运行 将冷凝热释放到大气中 使水温下降到35 以下 2 大部分热泵机组制冷 使循环水温度上升 达到32 时 部分冷却塔运行 3 当周边区的热负荷与内区的冷负荷比例适当时 排入水环路中的热量与从水环路中提取的热量相当 水温维持在13 32 范围内 冷却塔和辅助加热装置停止运行 考虑到从内区转移到周边区的热量不可能每时每刻都平衡 因此 在系统中设有蓄热容器 暂存多余热量 4 大部分机组制热 循环水温度下降 达到13 时 投入部分辅助加热器 5 所有热泵机组都处于制热工况 从水环路中提取热量 这时 全部辅助加热器投入使用 使循环水温度不低于13 12 水环热泵空调系统的特点 水环热泵空调系统具有回收建筑内余热的功能 水环热泵空调系统具有灵活性 1 室内水 空气热泵机组独立运行的灵活性 2 系统的灵活扩展能力 3 系统布置紧凑 简洁灵活 4 运行管理的方便与灵活性 5 调节的灵活性 13 水环热泵空调系统中虽然水环路是双管系统 但与四管制风机盘管系统一样 可达到同时供冷与供热的效果 设计简单 安装方便小型的水 空气热泵机组的性能系数不如大型冷水机组 小型 EER 2 76 4 16 COP 3 3 5 0 螺杆式冷水机组 EER 4 88 5 25 由于水环热泵空调系统采用单元式水 空气热泵机组 小型制冷压缩机设置在室内 除屋顶机组外 其噪声一般来说会高于风机盘管机组 14 几种空调系统技术经济指标值的比较 投资费用 一般来说 水环热泵空调系统的投资费用既低于四管制风机盘管系统 又低于双风道中央空调 供冷供热 系统 运行费用 取决于当地气象条件 建筑物内外区面积大小 建筑物功能等因素 美国几种空调系统的相对造价 15 水环热泵循环水温范围 水环热泵空调系统的节能效果受到各种因素的影响 包括建筑所处的气候类型 建筑形式 建筑内部负荷以及环路循环水温 在其他条件不变的情况之下 循环水温是水环热泵机组运行能耗的决定性因素 循环水温升高 制热工况下运行的水环热泵机组的蒸发温度升高 其制热性能系数 COP 增大 而此时 制冷工况下运行的水环热泵机组的冷凝温度升高 其制冷能效比 EER 减小 16 制冷能效比随循环水温的变化 17 制热性能比随循环水温的变化 18 由图可知 整个水环热泵空调系统的效率与能耗与循环水温之间存在着函数关系 可以通过优化环路循环水温来降低水环热泵空调系统的全年运行能耗 美国学者J A Pietsch进行专题研究 得到在冬季运行时 水环热泵系统中供热负荷和制冷负荷的比值与环路水温之间存在着的关系 19 关于水环热泵空调系统的循环水温范围 国内外的标准不完全一样 国内多为15 35 或16 35 之间 而国外一般为16 32 但相差不大 之所以这样取值 一方面是根据我国具体气候条件 较大的温度范围可以减少冷却塔和辅助加热设备的开启时间 另一方面是因为与室温接近的循环水温热损失较小 水环循环管路无需保温 而且不会造成管道表面结露 20 水环热泵的适用性 水环热泵空调系统是一种热回收系统 当建筑物内有大量余热 而部分空调区域需要供热时 通过水环热泵空调系统可将建筑物内余热转移到需要热量的区域 水环热泵空调系统可取得良好的节能效果 由于我国幅员辽阔 地区差异较大 具体应用时应根据当地气象条件 建筑形式 内部负荷等因素作具体的经济分析与比较 才能确定有效方案 以发挥水环热泵系统的节能效果 21 1 从地理位置看 水环热泵系统最适用于适中的气候 冬季不太冷而又需要供暖的地区 在温暖的冬季白天 往往向阳房间需供冷 背阳房间却需供暖的地方 2 从建筑规模看 建筑规模宜大些 核心区面积要大于周边区 或相当 核心区的总冷负荷最好与周边区热负荷相当 且这种冷热负荷平衡的时间越长越好 3 从建筑负荷特点与建筑类型看 水环热泵系统最适用于冬季核心区内热负荷较大的商场与办公楼 可利用内热负荷来抵消周边区热损失的时间越长 数量越大 则越经济 4 对于全年只有冷负荷没有热负荷的南方湿热地区的空调建筑 和全年只有热负荷没有冷负荷的北方严寒地区的空调建筑 采用水环热泵系统进行空调 在技术上虽是可行的 但从经济上分析 是极不合理的 故应列为不适用的范围之内 22 可再生能源水环热泵空调系统 众所周知 只有建筑内有大量余热时 通过水环热泵空调系统将建筑物内的余热转移到需要热量的区域 才能收到良好的节能效果 目前 我国各类建筑物内部负荷不大 建筑物的内区面积小 而且常规空调热源又常用燃煤锅炉 由于这两种情况 制约了传统的水环热泵空调系统在我国的应用 解决这个问题的途径 就是由建筑物外部引进可再生能源 以补充冬季建筑物内的不足余热量 几种形式 太阳能水环热泵空调系统土壤源水环热泵空调系统井水源水环热泵空调系统双级耦合水环热泵空调系统 23 太阳能水环热泵空调系统 闭式太阳能水环热泵空调系统原理 1 小型水 空气热泵机组 2 闭式冷却塔 3 太阳能集热器 4 太阳能加热器 5 太阳能热水循环泵 6 辅助加热器 7 水环路循环水泵 24 土壤源水环热泵空调系统 土壤源水环热泵空调系统图示 1 小型水 空气热泵机组 2 环路的循环水泵 3 定压装置 4 补水系统 5 蓄水罐 6 地下埋管环路循环泵 7 地下埋管换热器 25 井水源水环热泵空调系统 井水源水环热泵空调系统闭式图示 1 小型水 空气热泵机组 2 水环路循环水泵 3 定压装置 4 补水系统 5 板式换热器 6 抽水井群 7 回灌井群 26 双级耦合水环热泵空调系统 双极耦合水环热泵空调系统图示 1 小型水 空气热泵机组 2 补给水泵 3 定压装置 4 补水系统 5 电动三通调节阀 6 蓄热水箱 7 空气 水热泵机组 8 冷却塔 9板式换热器 27 集成创新 水环多联机热泵系统 因为在大型建筑 高层建筑应用多联机系统时 会因制冷剂管路配管过长 高差太大 变制冷剂流量等因素而限制其使用 为保持多联机系统优点的前提下解决掉上述问题 通过系统的集成创新 提出供大型建筑 高层建筑应用的新型多联机系统形式 系统组成水环多联机热泵空调系统中采用小型水冷变频变容热泵式多联机 水 空气热泵中的一种 替代传统水环热泵空调系统中的室内小型水 空气热泵机组 其它设备同传统水环热泵 28 1 水环多联机主机 2 室内机 3 水环路循环水泵 4 空气 水热泵 5 冷却塔 29 水环多联机系统的特点 水环路的引入使水冷热泵多联机的制冷剂管路由庞大而复杂变得简单而短小 建筑物内多套多联机系统规模变小 从而解决了传统多联机系统制冷剂管路的配管过长 高差太大 回油困难等问题 为大型公共建筑 高层建筑空调工程设计 系统布置等带来方便 水环路可使用大量的钢管或塑料管 从而节省传统多联机系统中的部分制冷剂铜管管路 由于水冷热泵式多联机并联在水环路上 而水环路的大小可根据建筑规模设置 因此 其系统规模不再受传统多联机系统的制冷剂管路的配管要求的限制 而能更适于大型公共建筑 高层建筑 该系统的主机可设在小型独立机房内 而室内机设在室内 解决了传统水环热泵设在室内而引起噪声大的问题 30 工程实例 南京和园饭店水环热泵空调 改造前为风机盘管加新风系统 空调冷源为一台1160KW和1台580KW蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组 热源为2台4t h燃煤蒸汽锅炉 机组经过几年运行出现的问题 1 溴化锂吸收式冷水机组冷量衰减 2 设备陈旧老化 3 运行费用高 维修工作量大 4 空调水系统每年需要清洗费用 31 空调系统对改造目的的符合性比较 32 工程总冷负荷为1744 2KW 总热负荷为1046 5KW 选用的水环热泵空调系统的组成 1 选用150台深圳麦克维尔空调公司生产的分体式水源热泵机组 将水源热泵的主机装在卫生间的吊顶内 2 保留原有空调系统的冷却塔作为热泵空调系统的排热设备 由于原冷却塔为开式冷却塔 故又选用一台40m2阿法拉伐板式换热器 使开式冷却塔与水环路采用间接连接方式 3 选用320m2的清华阳江太阳能热水器 热水箱和格兰富循环泵作为水环热泵空调系统的加热设备 4 选用一台菲斯曼1 25t h的燃油蒸汽锅炉 作为太阳能不足时系统的补热设备 5 保留原有新风系统 选用空气源热泵冷热水机组作为新风系统的冷热源 6 选用一套中央自控系统 可远程控制各房间的水源热泵机组 锅炉 水泵 冷却塔设备的启停 记录 显示各设备的运行情况 能耗 故障以及设备安全运行保护 打印各设备的能耗 33 本工程投资340万元 其中设备费用170万元 平均每平米建筑面积空调造价在200元左右 在美国 一个设备齐全的水环热泵空调系统的一次投资为32 59美元 m2 改造后空调系统的评价节约能耗费用 全年空调能耗费用可节省50 机房面积减小 管理人员减少 对城市环境的影响变小 改造或空调效果好 34 前景与任务 1 水环热泵空调系统与其他空调系统相比 具有许多优越性 是一种具有节能与环保意义 灵活而实用的空调系统 在国内被许多工程成