苏敬平

摘要：随着中国经济的高速发展，大量高层、超高层建筑在全国各地拔地而起，空调业也随之飞速发展，呈现出一派勃勃生机。本文介绍了水环热泵空调系统的工作原理，并阐述了水环热泵系统设计的方法。

关键词：水环热泵工作原理系统设计

Abstract: along with the rapid development of China's economy, a lot of high-level, ultra-high buildings all over the country in the ground, and then KongDiaoYe rapid development, presents a vitality. This paper introduces the water loop heat pump air conditioning system principle of work, and expounds the loop heat pump water system design method.

Keywords: water loop heat pump working principle system design

中图分类号： N945.23文献标识码：A 文章编号：

1水环热泵的概念

水环热泵中央空调系统，当前国内对其较为普遍的定义为：是以双管封闭式循环水管路将建筑物内各台水源热泵机组有效地连接起来的热泵空调系统。

由以上定义可知，水环热泵空调系统中两个关键的部分为水环路和水环热泵机组。其中水环路，亦称循环水系统，是作为系统中各水环热泵机组配能量载体，供暖时它作为机组的吸热源，制冷时作为机组的排热源，而其不足或多余的热量通常需要通过其他加热或散热手段来处理。水环热泵机组一般为小型水一空气热泵机组，该机组直接将循环水作为其冷热源，直接与室内空气进行热交换。

水环热泵的本质是水源热泵机组的一种应用形式，与采用大型水源热泵机组的集中式系统不同的是，水环热泵系统是一种分散式系统，各机组均能单独实现供暖和制冷功能，并直接置于空调房间，承担室内负荷；水系统中流动的不是冷冻水或热水，而是常温的循环水。

2水环热泵的工作原理

一个典型的水环热泵系统一般由开式冷却塔、换热器、双管封闭循环水系统、水环热泵机组、循环泵和辅助加热装置等部分组成，如图1所示。

水环热泵机组将循环水作为吸热源和排热源，通过四通换向阀改变制冷剂的流向来实现制冷制热工况的转换。在制冷工况时，水环热泵机组吸收空调房间的热量并把它排入循环水中，在制热工况时，机组吸收循环水中的热量连同压缩机功率一同送入空调房间。机组制冷、制热工况时，机组吸收循环水中的热量连同压缩机功率一同送入空调房间。机组制冷、制热工况的选择由机组自带控制系统控制。

在系统正常运行时，系统的循环水温维持在设计范围内，通常为15～35℃。当系统循环水温高于设计上限值时，冷却塔开启，循环水通过冷却塔进行散热；当系统循环水温低于设计下限值时，辅助加热设备投入使用，对循环水进行加热，由此保证循环水温在设计范围内。通常，在夏季各机组均按制冷工况运行向循环水放热，此时需开启冷却塔散热；在冬季，系统中大部分机组按制热工况运行，制热机组从循环水吸热，有部分位于建筑内区的房间，由于没有热负荷需制冷，机组按制冷工况运行；当系统中制冷机组的放热量小于制热机组的吸热量时，系统循环水温下降，当下降到某设定值时便要开启加热设备。在过渡季节，当制冷机组的放热量与制热机组的吸热量相当时，系统水温自动维持在设计范围内，无需开启冷却塔和加热设备。

3 水环热泵系统设计

3.1 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。

3.2 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。

3.3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卻塔二种：

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。

3.4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。

3.5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。

2.6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。

3.7 空调水泵，冷却塔等空调设备的监控

(1)中央监控电脑管理监控空调水泵，冷却塔等空调设备的开启，状态等参数，并根据连锁控制顺序控制设备的启停顺序。

(2)根据事先排定的工作节假日作息时间表，定时启停机组，自动统计水泵,冷却塔等空调设备累计工作时间，调整并保证所有同种设备的运行时间相同，并提示定时维修。

(3)根据空调负荷的情况自动调节启闭设备的台数；当有设备故障时，自动切换启动备用设备。

4 结语

1)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。

2)设计中，水环热泵机组的噪声处理十分重要，应采取行之有效的手段降低噪声，满足用户的要求。

3)随着水环热泵机组国产化比例的提高，系统成本的降低，设计师和业主们对该系统的节能环保优越性，维护方便，操作方便等一系列特点形成更多的共识，相信水环热泵系统会得到更广泛的应用。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。