水环热泵空调系统在我国应用中应注意的几个问题

1、水环热泵空调系统在我国应用中应注意的几个问题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。 20 世纪 80 年代初， 我国一些外商 投资的建筑中采用了水环热泵空调系统， 由于这些工程显出： 水环热泵空调系统 回收建筑物内余热的特有功能： 不像传统采暖系统那样会对环境产生严重的当局 染；省掉或减少常规空调系统的冷热源设备和机房， 便于分户计量和计费， 便于 安装、管理等优点。因此， 90 年代，水环热泵空调系统在我国得到广泛的发展。 不仅在上海、 北京

2、、天津、广州、深圳等大城市中一些工程采用它， 而且如佛山、 绍兴、惠州、泉州等中、小城市也开始采用水环热泵空调系统。但是，应用中仍 存在一定的盲目性。例如，在实际工程中往往忽略了该系统运行工程的复杂性， 忽略了系统运行能耗的影响因素， 这将会使系统运行的节能效果得不到可靠的保 证，有的工程实例中仍存在一些不合理之处； 在我国南方不需要采暖或供热量很 小的工程中采用水环热泵空调系统等。之所以如此 ，除了设计经验不足之外， 更重要的缺乏对该系统的深入了解。 因此，为了我国更好地推广和应用水环热泵 空调系统，有必要对水环热泵空调系统在我国应用中的几个值得注意的问题再作 一下简要的说明。1. 合理选择

3、水环热泵空调系统的应用场所，充分体现出它的节能和环保效益众所周知，水环热泵空调系统是回收建筑物内余热的系统， 它的节能效果和环保效益是与气象条件、建筑特点及辅助热泵形式（电锅炉、燃煤锅炉等）等因 素有关的。而我国地域辽阔、东西地区、南北地区气象条件差异很大。各地实际 的建筑形式与特点也各不相同。 那么，在什么样的场合里选用水环热泵空调系统 才能收到最佳的节能效果和环保效益。 这是我们应用水环热泵空调系统时， 首先 要注意的第一个问题。文献资料（ 1）、（2）、（3）曾分析过这个问题，提出系统运行能耗的静态分 析法和运行能耗的计算机动态分析法等。 据此，对水环热泵空调系统在我国哈尔 滨、北京、上

4、海、广州四个城市气象条件下不同负荷特点的建筑物中的运行能耗 进行了综合分析， 初步得出了水环热泵空调系统在我国应用的评价， 其实质可定 性的概括为：（1）水环热泵空调系统中的水 / 空气热泵机组全年绝大部分时间按制冷工况运 行的场合，与使用风机盘管系统相比， 一般来说是不节能的， 相应也无环保效益。 这是因为小型水 / 空气热泵机组的制冷系数（ cop 值）比大型的冷水机组要低， 通常，小型水、空气热泵机组供冷时 cop 值为 2.86-3.63 ；而螺杆式冷水机组一 般为 4.88-5.25 ，有的可高达 5.47-5.74 。离心式冷水机组一般为 5.00-5.88 ，有 的可高达 6.7

5、6 。因此，在我国南方一些城市（如广州）不宜选用水环热泵空调 系统。（2）在建筑物有余热的条件下，水环热泵空调系统按供热工况运行时，才具 有节能和环保意义。 因此，在建筑物内区有余热， 外区需要用热二者接近的场合，其节能效果才好， 而且这种情况持续的时间越长的地区， 越适合应用水环热泵空 调系统。（3）目前，建筑物内部负荷不大，常规空调热源为燃煤锅炉，上海、北京是 较适合水环热泵空调系统的地区。（4）北方地区在建筑物内区面积大，而内区的内部负荷又大（要求北方建筑 物内余热量要比南方同样建筑内的余热量大） 的场合使用水环热泵空调系统是十 分有利的，这是由于水空气热泵机组按热泵工况运行时间（采暖期

6、） ，比南方地 区要长，因此，它更具有节能和环保意义， 但是，若建筑物内无余热或余热很小， 远远满足不了外区采暖所需的热量时， 采用水环热泵空调系统， 势必要用锅炉的 高位能中热环路中的循环水，变为低温热源，再由水 / 空气热泵机组消耗电能将 循环的低位热提升到高位热量， 向室内采暖， 这种用能方式是十分不合理的。 这 种场合应用水环热泵空调系统是毫无意义的，甚至比风机盘管系统的耗能要大。2. 向系统引入外部低温热源，拓宽水环热泵空调系统的应用范围从上面的分析， 明确的告诉我们： 只有建筑物有大量余热时， 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和

7、环保效益。但是，目前我国各类建筑内部余热不大，建筑物的内区面积又小。而 且，常规空调热源又常为燃煤锅炉。 由于这种情况制约了水环热泵空调系统在我 国的应用范围。 解决这个问题的途径， 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、河水等） 、土壤、空气均可 作为水环热泵空调系统的外部能源。可喜的是， 2000 年全国暖通空调制冷年会上已有“太阳能水环热泵空调系 统在我国应用的预测分析” 、“水环热泵与未利用能” 等论文中都论述了这个问题。 提出用太阳能、 矿井水、 冷却循环水作为低温热源的水环热泵空调系统。 大连电 力大厦的设计是采用该地区热电厂冷却水作

8、为外部的低位热源的水环热空调系 统。最近，我们提出一种空气 /水热泵与水 /空气热泵耦合双级热泵供暖系统。该系统在寒冷地区，用空气源热泵冷热水机组制备10 C -20 C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，以达供暖目的，其系统的主要特点有：（1 ）系统与传统的供暖模式相比，它是一种仿效自然生态过程物质循环模式 的部分热量循环的供暖方式。 使用这种新系统可实现能源、 供暖和环境的协调发 展。传统的供暖模式是一种“热源消耗高位能、向建筑物室内提供低温的热量、 向环境排放废物（如废热、废气、废渣等） ”的单向性的供热模式。随着人

9、们生 活水平的提高， 人们对建筑供暖的要求愈来愈高， 使建筑物能耗急剧增长， 也愈 来愈严重造成了对环境的污染。 因此，人们开始认识到现有的这种单向性的供暖 模式在 21 世纪里已无法持续下去，而应当研究替代它的新系统2）建筑热损失散失到室外大气中，又作为空气源热泵的低温热源使用了， 这样，可以使建筑供暖节约了部分高位能， 同时， 也不会使城市中的室外大气温 度降低得比市郊区的温度还低，从而减轻了建筑物排热对环境的影响。（3）空气源热泵冷热水机组由正常提供 50 C热水改为向用户提供10 C -20 C 的水，以此来解决机组在寒冷地区运行时压缩比过大的问题。（ 4）通过水 / 空气热泵直接加热

10、室内空气， 以减少热量在输送转换过程中的热 损失。3. 采暖混合系统，进一步提高水环热泵空调系统的节能效果和环保效益上面已经指明，小型水 / 空气热泵机组的制冷性能系数（ cop 值）远小于大 型冷水机组的 cop 值。若建筑物内区较大，全年要求供冷的话，这意味着内区 的水/空气热泵机组将全年按制冷工况运行。如何提高这部分系统的供冷的经济 性是设计中值得注意的问题资料（ 7）提出混合系统。 所谓混合系统是指水 / 空气热泵机组同其他空调设 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。离心式冷水机组的水环热泵混合系统对于固定的或大量的冷负荷场所 （如大 型办公楼的内区） 选用

11、大型离心式冷水机组进行全年供冷， 这样提高了系统供冷 时的效率，使系统供冷时比小型水 / 空气机组供冷时节约大量的运行能耗，从而 使整个系统更有节能和环保意义。 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， 大型离心式冷水机组的 冷凝热排入水环热泵的水环路中，作为周边区水 / 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，为了提高系统运行的经济性， 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，向周边供冷或供热，也是 一种值得注意的

12、混合系统形式。4. 正确设计水环热泵空调系统4.1 水 / 空气热泵机组容量的确定在确定建筑物内各个区域（或每个房间）水 / 空气热泵机组容量之前，同中 央空调设计一样，先计算建筑物供暖和供冷负荷，它是正确选择室内水/ 空气热泵容量大小的依据。选择应注意：（1）同一台室内水 / 空气热泵机组的容量（制冷量或制热量）主要取决于蒸发 温度和冷凝温度等运行工况，而这些参数又受机组外部条件的制约。也就是说， 室内水 /空气热泵机组制冷量（或制热量）的大小是机组进风参数、水环路进水 温度、机组水量等参数的函数。因此，设计时我们按实际运行中工况（实际设计 的室温和环路进水温度）来确定水 / 空气热泵机组的

13、容量。对样本上给定的额定 制冷量和额定制热量，要根据实际室温和环路进水温度等数据进行修正。（2）通常，将从室内水 / 空气热泵机组的总制冷量中减去风机电动机的输入功 率后的值称为机组的计算净制冷量。 机组的计算净制冷量才是真正能消除室内余 热的部分3）选择机组的型号和台数时，对周边区的房间来说，室内水 / 空气热泵机组 应同时能满足冬、夏季设计工况下的要求。对内区房间来说，水 / 空气热泵机组 仅按夏季设计工况选取。4.2 机组风道的设计室内水 /空气热泵机组均为余压型机组，因此，无论立式还是卧式机组且都 接有送风风管及送风口等， 将空气送到被调房间人们居住、 工作的区域， 来创造 一个健康而

14、舒适的建筑环境，为达到此目的，设计水 / 空气热泵机组风管时，应（ 1 ） 厂家的样本常人出机外余压值。也就是说， 样本上提供的风量是与机外 余压相关的。 因此，设计中要根据机组提供的机外余压值的大小来设计机组风管 尺寸，否则将会影响机组的送风量。（2）一般来说，机组的机外余压不大，因此，风道中风速不宜过大，一般为 2-3m/s 。机组风管多为低压短风管。4.3 加热设备建筑物周边的水 / 空气热泵机组在冬季供热工况运行时，机组从水环路中吸 取热量，如果内区的机组向环路释放的热量少于周边区从环路吸取的热量时， 环 路中的水温将会下降，当水温降至13 C时，就必须投入加热设备，将热量加给 水环路

15、。 为此，水环热泵空调系统设计时，应选用加热设备。目前，加热方式主要有两种， 一是水的加热设备将外部热量加入循环管理中； 二是空气电加热器将外部热量直接加入室内循环空气中。但有一点值得注意，用燃油（气）锅炉作为加热设备时，其供水最低温度为60 C,以防烟气中水分在锅炉的冷凝，而出现低温腐蚀。为此，加热设备要与闭式环路并联， 通过调节阀使高温的锅炉水与环路回水进行混合， 以保证环路水温不低于下限值。同时为了保证通过锅炉的水量恒定不变， 而需要加一旁通管路。4.4 蓄热水箱在水环热泵空调系统中常设置低温 （或高温） 蓄热水箱，以改善系统的运行 特性。这里应该注意低温蓄热水箱和高温蓄热水箱的作用是完

16、全不同的。众所周知， 典型的水环热泵空调系统通过水环路实现了热量的空间转移 （如 从内区转向周边区） ，然而， 每时每刻内需要转移的热量与周边所需要的供热量 之间很难平衡， 为此， 水环路可设置一个低温蓄水箱， 这样水系统又可实现了热 量的时间上的转移。 也就是说， 内区制冷的机组向环路中释放的冷凝热与周边区 制热的机组从环路吸取的热量可以在一天内或更长的时间周期内实现热量的平 衡。从而，降低了冷却塔和水加热器的年耗能量。但是，冷却塔和水加热器的容 量不能减少，这是因为恶劣天气的持续性往往又要求冷却塔或水加热器按最大负 荷运行。高温蓄热水箱设置的功能是夜间低谷期电能加热水，以供白天用电高峰期用，而不能吸收建筑内区的余热量。高温蓄热水箱内的水一般加到82 °C,甚至更高，因此， 高温蓄水箱与环路并联， 通过三通混合阀把环路水温维持在所要求 的最低温度。4.5 注意设计中的细节问题（1）补水与定压问题（2）排水与放气问题（3）风管的消与保温问题（4）凝结水的排除问题等；5.结束语 采用