水环热泵空调系统的应用及存在问题探讨

2012-04-14查焱

四川建筑 2012年3期

查焱

(中铁西南科学研究院，四川成都610031)

所谓的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/空气热泵机组并联在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵供暖、供冷的空调系统。该系统一方面具有热回收功能，提高了建筑物内部能源利用系数;另一方面该系统可以同时解决建筑物的空调热源问题，节省了机房面积，并可以分户使用，独立运行管理，给业主和用户带来了极大的方便，节约了大量的能源。基于上述优点，水环热泵系统自20世纪60年代在美国出现至今，经过30年的不断改进和发展，技术日趋成熟。自20世纪80年代以来，西方国家鼓励应用此系统，20世纪90年代初国内开始起步。对该系统运行能耗的静态分析表明，该系统在我国大多数城市应用有显著的节能效果，尤以长江流域节能效果更好。

1 水环热泵空调系统的原理及特点

1.1 水环热泵空调系统的工作原理

水环热泵空调系统的基本工作原理是:在水/空气热泵机组制热时，以水循环环路中的水为加热热源;机组制冷时，则以水为排热热源。在同一个水环热泵空调系统中，有的热泵机组在制热运行，有的热泵机组在制冷运行。制热运行的机组从循环水中吸收热量;制冷运行的机组向循环水排放热量。当热泵机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时，循环环路中的水才能维持在一定温度范围内，此时系统高效运行。而当水环热泵空调系统中制热运行的吸热量小于制冷运行的放热量时，循环水路的水温度升高，到一定程度时利用冷却塔放出热量;反之循环环路的水温度降低，到一定程度时需要通过辅助加热设备吸收热量。

1.2 水环热泵空调系统的特点

(1)水环热泵空调系统由于没有冷水机组，不再需要制冷机房。节省了宝贵的主机占地面积，使成本得到有效控制。

(2)水环路是双管系统但同四管制风机盘管系统一样可同时供冷供热，每个房间的用户可以根据室外温度的变化和各自不同的要求，在一年内的任何时间随意进行房间里的供暖或供冷的调节，而不会影响到其他房间的温度。与昂贵的四管制相比，更节省了管道系统的初投资。

(3)水环热泵系统具有灵活性，可同时实现不同用户的要求，分户计量，根据需要分期安装，节省一次投资，节约建筑空间，运营管理费用低。

(4)具有回收建筑内余热的功能，节省能耗，减少环境污染。

(5)设计方案简单，安装方便，缩短工程时间。

(6)小型的水/空气热泵机组的性能系数低于大型的冷水机组。一般小型的水空气热泵机组制冷能效比EER在2.76～4.16之间，供热性能系数COP值在3.3～5.0之间。而螺杆式冷水机组制冷系数一般为4.88～5.25，有的可高达5.45～5.74。离心式冷水机组一般为5.00～5.88，有的可高达6.67。

(7)水环热泵的运行噪声较高。采用旋转式压缩机的水空气热泵机组一般在40～42 dB(A)，全封闭活塞式压缩机的水空气热泵机组一般在45～47 dB(A)，若采用分体式水空气热泵机组并采用有效的消声减震技术措施时其噪声可控制在35 dB(A)以内。

2 水环热泵空调系统的应用

2.1 写字楼、公寓建筑中的应用

此类房间当采用传统中央空调，其运行费用较大，存在按面积公摊费用。其上下班时间不同以及个别房间深夜加班等，空调主机开机时间不同，可能因少数房间使用，而花费较大费用，管理不便。采用水环热泵空调系统，此类建筑物每个租户自行安装电表，发生故障时不影响其他租户，不会因少数几户开机而使中央主机开机，仅冷却系统开启。由于没有制冷机房，节省建筑面积。可先安装水系统，待房屋出租后再安装主机，可分别计费并节省一次投资。

2.2 商业建筑中的应用

现代商业建筑体量越来越大，有许多功能混杂其间，面积大小不同，甚至有小的出租户，有的夜间营业，有的白天营业;不同功能房间其冷热负荷不同且差异较大。采用传统中央空调系统会出现有的区域需制冷，有的需采暖，不好平衡;同时其费用公摊等方式将出现很多管理矛盾。采用水环热泵空调系统，优化设计，将较好的解决此类问题。

2.3 宾馆酒店建筑中的应用

机组可由旅客个人进行控制，避免中央主机全部开机，初投资运行费用和维修费用均较低。同时在过渡季节，不同客人对室内环境有不同要求，有的需要制冷，而有的需要采暖，一般非高级酒店，在不采用四管制的情况下，不能解决此类问题，当采用水环热泵空调系统时，可随意进行房间里的供暖或供冷的调节，满足客人的不同需求。

2.4 医院建筑中的应用

不同病人不同的环境温度要求，该系统可满足不同病房的需求，其原理同宾馆酒店。同时由于各空调机单独设置，不会因为用同一个主机系统造成交叉感染。因此该空调机组适合医院等医疗系统。

3 水环热泵空调系统存在问题探讨

3.1 建筑余热不足问题

水环热泵空调系统是余热利用的典型，只有当建筑物内区有大量余热且周边区需要供热，才能通过水环热泵空调系统将建筑物内区的余热转移到需要热量的周边区，从而达到回收建筑物余热、节约能源的目的。如果建筑物的内区面积小，建筑物的余热量也较小的情况下，则要增设锅炉，补充热量。然而，将锅炉的高位热能加热水循环环路中的循环水使之成为与室温相差无几的低温热源，再由水/空气热泵机组消耗电能将其提升到高位热量向室内供暖，这本身就是不合理的。但是写字楼、公寓、商业建筑存在大量的分散租房或出售，开发商为便于管理，希望将空调使用费大部分放在末端，减少主体的运行费用及其分摊的矛盾纠纷，也减少初投资费用，水环热泵空调确是比较适合的系统模式。

解决建筑物内余热不足这个问题的途径，就是由建筑物的外部引进低温热源，以替代建筑物内的余热量。太阳能、水(地表水、井水、河水、排放废水等)、土壤、空气均可作为水环热泵空调系统的外部能源，厂矿生产废热水、冷却水亦可作为外部补充热源。地下深井水通过抽水井、回灌井的不同转换，即实现了所谓的“冬灌夏用”和“夏灌冬用”，利用其作作低位热源，解决了我国建筑物内余热少、无法正常使用传统的水环热泵空调系统的问题。此外，有的学者提出一种空气/水热泵与水/空气热泵耦合双级热泵供暖系统。在寒冷地区，用空气源热泵冷热水机组制备10～20℃低温水，通过水环路送至室内各个水/空气热泵机组中，水/空气热泵再从水中汲取热量，直接加热室内空气，达到供暖目的。通过廉价的辅助热源来解决建筑物内余热不足的问题，拓宽水环热泵空调系统的应用范围。

3.2 供冷中的经济性问题

小型水/空气热泵机组的的制冷性能系数COP比风冷热泵机组要高，但小于大型冷水机组，如何提高水环热泵空调系统在供冷中的经济性这个问题对于节能尤为重要。

该问题可在空调系统设计中采用混合系统的形式加以解决。混合系统是指水/空气热泵机组同其它空调设备(如冷水机组、单元柜式空调机等)共同组合而成为全新的空调系统。对于固定的或大量的冷负荷场所选用大型冷水机组进行全年供冷，而对于既有冷负荷又有热负荷的周边区，设置水源热泵系统夏季供冷，冬季供暖。系统在冬季运行时，大型冷水机组的冷凝热排入水环热泵的水环路中，作为周边区小型水/空气热泵的低温供暖源，保持了水热泵空调系统回收建筑物内余热的基本特点，从而节省了周边区供暖的高位能。同样，在建筑物内区设置单元式空调机组(水冷)，向内区供冷，而周边区设置水/空气热泵机组，向周边区供冷或供热，也是一种值得注意的混合系统形式。

3.3 管路水力平衡问题

水环热泵机组要求流量恒定，一旦水流量小于机组要求，必然导致机组跳机，无法使用。为保证各机组流量达到要求，加大系统流量，必然导致能耗增加，不可取。如设计施工不合理，将有一定比例机组不能顺利启动。在一公寓水环热泵空调系统实际调试中，有6%左右的机组出现故障;在具体分析后发现设计管路时有部分疏忽，支干管局部不合理;施工时也有问题，管内杂物未清理干净，支管三通施工工艺不合理，局部阻力大于设计要求。

水环热泵系统在管路与风机盘管系统有一定区别，风机盘管在水流较小时其效果稍差，可以使用，但不会停机。设计时应仔细考虑环路间水力平衡，在经济合理的前提下采用同程系统，各分支环路不宜过大，环路间进行平衡计算，必要时设置平衡阀。通过设备厂家的性能参数发现，设备冷量小的阻力小，冷量大的阻力大，如果在同一管路相近位置设型号相差比较大设备，其流量与要求的设备流量恰恰相反，实际中如果同一干管管路中大量存在型号相差比较大设备混合配置，必然导致大机组水流量不足几率增加。因此，水环热泵系统设计时，在同一管路中尽量采用同一机组型号，同时尽量设置电磁阀，当机组压缩机停机时切断水流。施工时应严格施工工艺，综合管线应布置合理，减少管路弯头等。

3.4 机组噪声问题

小型水/空气热泵机组安装在室内，热泵机组内部的压缩机和风机将会成为一个很大的噪声源，处理不好就无法满足室内环境的噪声标准要求。大型机组及整体机噪声较大，在噪声要求较严格的场所应按厂家样本噪声值对照允许值采取相应措施。

设计时应尽可能将压缩机部分放置于卫生间、走道等次要房间，大型机组应设于专门机房或非经常使用房间内。对于公寓、宾馆等有夜间休息房间内尽量选用分体式热泵机组。机组安装时应设置减震胶垫，机组大于10 kW时应采用预应力阻尼型弹簧减震吊架;机组下方安装隔声板，噪声要求较严房间设隔声腔。对于风管部分应加设消声箱、消声弯头，机组与风管采用软接连接等。实践表明，如果在工程建设中能够正确对待噪声问题，采取合理措施，完全可以满足室内环境噪声标准要求。