水源热泵空调系统的特点及设计方法

空调顾问

  0、前言
    　　当今社会环境污染和能源危机严重地威胁着人类地生存与发展，如何理解这一问题已成为全人类的头等课题。在这种背景下，以环保和节能为特征的绿色建筑和与之相应地空调系统应运而生。而热泵系统正是满足这些要求的中央空调系统之一。水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点。目前，国内已有多家水源热泵的专业生产厂，水源热泵空调系统的应用范围正在逐步扩展。
    　　水源热泵技术可利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收地太阳能和地热能而形成地低温低位热能资源，并采用热泵原理，即通过少量的高位热能的输入，把不能直接利用的低位热能转化为可以利用的高位能，从而达到节约部分高位能的目的。
    　　在国外，水源热泵技术已经相当成熟；而在我国，对于水源热泵技术的研究才刚刚起步，同国外相比，还存在着差距。
    1、水源热泵的特点
    　　空调热泵按其热源来分可分为空气源热泵和水源热泵。
    1.1 空气源热泵的优缺点
    　　从热泵技术被引入中国后，空气源热泵机组在我国一直有相当广泛的应用。空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源热泵虽然较之以前的冷水机组有许多优点，但是它的缺点也日益暴露出来：
    1.1.1 空气源热泵体型较大，占地面积大
    1.1.2 噪声较高
    1.1.3 需要定期除霜
    　　在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量，特别是在寒冷地区和高湿度地区，热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。
    1.1.4 受室外环境制约
    　　这是空气源热泵的主要缺点。在遇到夏季高温和冬季寒冷的天气时热泵的效率大大降低，而且制热量随室外空气温度降低而减少，制冷量随室外温度升高而降低，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。
    1.2 水源热泵的特点
    　　水源热泵基本上克服了空气源热泵的上述缺点，并且具有如下的特点：
    1.2.1 属于可再生能源利用技术
    　　水源热泵是具备了利用地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散地相对地均衡。这使得利用储存于其中地近乎无限地太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源地一种技术。
    1.2.2 便于计量和收费
    　　空调用电负荷在用户位置，因此便于空调的计量与收费。这对于用户合理使用空调系统，节约空调系统的能耗，公平、公正、公开地摊派空调运行管理是很有利的。
    1.2.3 运行安全可靠
    　　水源热泵机组的空调系统是可以基本保证全年按用户的需要开启空调系统，特别是春秋空调过渡季节均能运行，也就相当于四管制空调系统。一般，水源热泵供、回水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。夏季水体作为空调的冷源，冬季作为空调的热源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
    1.2.4 高效节能
    　　水源热泵机组可利用的环境水体温度冬季为12－22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18－35℃，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好地水源热泵，利用江河湖水等，供热制冷空调的运行费用可30－40％。
    1.2.5 灵活应用
    　　有的建筑物内，特别在过渡季节，部分区域需要供冷，部分区域需要供热，水源热泵可以同时供冷和供热，可以实现建筑内冷热量的转移和平衡，从而系统少用能源。
    1.2.6 节约投资
    水源热泵系统不需设冷冻机房，不设大的通风管道，不设大的锅炉房和没有冷冻水系统，安装和投资费用大大减少。
    1.2.7 环境效益显著
    　　水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗的是一次能源，其所产生的污染物和二氧化碳等气体会对周围的环境产生影响。所以节能实际上也是减少了污染。
    2、水源热泵系统的管路设计
    　　水源热泵空调系统的设计与施工是一项系统性工作，需要从多方面来分析这一工程的特点。
    2.1 水源热泵系统管路设计的特点
    　　水源热泵的管路设计相对于空气源热泵来说，具有明显的特点，主要体现在以下几点：
    2.1.1 水管不需要保温
    　　空气源热泵机组夏季输送的是冷冻水，冬季输送的是热水，因此，管路系统必须保温，而水源热泵的空调系统，夏季管内冷却水供回水设计温度30℃～35℃，冬季供热水温度仅为16℃～21℃，因此，水管路系统可以不保温，管路系统的初投资与维护费用降低。
    2.1.2 开、闭式两种形式的转换
    　　水源热泵系统通常由开式（夏季）和闭式（冬季）一套管路两种形式，季节转换，即开、闭式系统形式的转换。
    　　1）
    夏季利用开式的原因，开式冷却塔远比闭式冷却塔便宜，如采用板式换热器，则多了一套水循环系统。另外，往板式换热器的冷却水往往达不到热泵机组进、出水设计温度的要求。但是闭式冷却塔可以保证水质不受污染，所以采用开式冷却塔时要注意水的除垢问题。
    　　2） 季节转换，可通过管路系统中合理设置的阀门进行切换。
    2.1.3 重力作用的影响
    　　闭式系统的水力计算中，与各用户所在的标高关系不太大；而开式系统中与用户的标高关系密切，即必须考虑高差产生的重力作用，这个作用压力，对标高低的用户有利，而对标高高的用户不利。为解决重力作用产生的上下用户的水力不平衡的问题，设计时，应将每一层作为一个独立的水系统分支，每层支管上应设一个平衡阀（或流量调节阀）。
    2.1.4 管径的确定
    　　水系统管路各管段管径的确定，在水力计算中，应按夏季工况考虑，（指长江流域等冬冷夏热地区）因为夏季的水流量远大于冬季工况。应计算出合理的管径，这样即可以避免管材的浪费，又可以使初投资降低，节约资金。
    2.1.5 同程式系统
    　　设计时，水环路尽可能地采用同程式系统，这样初投资费用虽然有所增加，但有利于保持环路的阻力平衡，这样空调系统运行效果更加良好。
    2.1.6 必要的接管组合
    　　水源热泵需要一些特殊的接管组合，以保证机组的正常工作 。常见的有手动控制流量球阀接管组合，手动文丘里平衡阀组合和自动流量接管组合
    。其中手动文丘里平衡阀组合是在手动球阀组合的基础上增加了一个用来测流量的文丘里接头；自动流量接管组合增加了自动流量控制阀，从而可以自动调节，以保证流量。
    2.2 水源热泵系统中的构件布置
    　　水泵一般布置于辅助设备（如冷却塔、锅炉等）和水源热泵机组之间，这样布置可使机组的供水管处于水泵的压水段，而补给水管处于水泵的吸水段。
    　　水源热泵空调系统原理见示意图，图中可反映系统构件（如水过滤器、膨胀水箱、空气分离器等）典型布置。如需要设置蓄水箱应将其置于水源热泵机组水流下方，这样，锅炉可根据需要快速向系统补水。
    　　从下图可以在总体上了解水环路的连接应注意的事项。其中，不同位置的阀门的作用应特别注意（如季节转换时的开启或关闭）。
    　　水源热泵系统中，水管路系统的设计与施工非常重要。一般来说，系统配件管路的造价在整个系统总造价中所占比例很大，因此需尽可能合理地布置管道。
    　　其中：
     
    水源热泵空调系统示意图
    1――空气源热泵机组 2――辅助热源卧式循环水泵 3――单项阀 4――除垢仪 5――Y型水过滤器 6――可曲挠接头 7――开式膨胀水箱 8――冷却塔
    9――系统卧式循环水泵 10――板式换热器 11――水源热泵机组 12――平衡阀
    3 水源热泵的辅助热源问题
    　　在冬季，水源热泵机组不能完全承担室内热负荷，需要使用辅助热源。目前，使用的辅助热源有多种形式，其中有：电加热（通常采用蓄热式）系统；蒸汽或热水加热系统；空气源热泵系统等。
    3.1 电加热（即蓄热）系统
    　　在空调工程中应用蓄热技术的主要前提是该地区实行电力低谷高峰期电价差。
    　　目前，在我国的某些地区，存在着用电结构矛盾并有不断加大（一方面存在着严重地高峰电力不足，另一方面存在着峰谷差过大等问题）的趋势，自然资源大量浪费的恶性循环的现象，这就为蓄热技术的应用提供了条件。
    　　电加热系统作为辅助热源的优缺点：
    3.1.1 优点
    　　系统较简单，水温容易控制，操作较简单。
    3.1.2 缺点
    　　热水蓄热装置及配套设置占用建筑空间且初投资大。
    3.2 空气源热泵系统
    　　空气源热泵系统作为辅助热源的优缺点：
    3.2.1 优点
    　　1） 在冬季运行的情况下，其热效率高于电加热（热泵的供热系数大于1.0） 。
    　　2） 由于要求供水的温度（21℃）远低于热泵常规的设计供水温度，实际供热量要比额定供热量大，选机组容量时可考虑这个因素。
    　　3） 可作为夏季空调高峰时的备用冷源。
    3.2.2 缺点
    　　1） 初投资较大
    　　2） 冬季供热的水温长期处于较低的情况，可能对机组的使用寿命有影响
    　　3） 常采用间接换热器的方式（如示意图），所以又增加了一套水系统。
    3.2.3 空气源热泵系统作为辅助热源的适用场合
    　　1） 我国长江流域地区
    　　2） 无蒸汽或热水等热源的空调建筑物
    　　3） 没有其它低品味的或廉价的热能
    　　4） 没有分时电价或虽有分时电价，但经计算采用电热蓄热水系统经济上当不合算的场合。
    3.3 蒸汽加热或热水加热系统
    　　蒸汽加热或热水系统作为辅助热源的前提是建筑物附近有锅炉房等热源。特点是：系统简单；运行费用低，经济；常采用换热器
    。在具备此条件的情况下，尽可能采用此辅助热源。
    4、水源热泵机组设计中应注意的其它问题
    4.1 噪声控制问题
    　　由于机组的噪声源除风机之外，还有制冷压缩机的噪声，所以噪声一般很大。此外，不适当的送、回风管路设计也会产生噪声问题。分体式机组就是把机组分为内机和外机两部分。内、外机有工质管道连接；内机由风机和蒸发器（夏季工况）组成，外机由压缩机和冷凝器（夏季工况）组成。
    　　选用分体式机组时，内机置于空调房间内，外机置于空调房间外的走道、过道等位置的吊顶内，这样空调房间的噪声可以大大下降。采用整体式时，应把机组吊装在卫生间或厨房内。
    　　水源热泵的噪声问题是一个重要的问题，在设计和安装过程中一定要加以认真考虑并按要求施工。
    4.2 机组的安装问题
    　　水源热泵的安装也是较重要的问题之一，很多水源热泵系统产生问题都是和不当安装相关的。水源热泵机组在许多情况下是采用吊装的型式。与常规的空调机组相比，在相同的冷热负荷条件下，整体式水源热泵机组的外形尺寸大，尤其是机组的高度较高，安装在吊顶内的机组，必须考虑此因素。此外机组的重量较重，整体式机组的重心也不一样，这就要求吊装时，必须注意机组的重心，使各吊架受力较均匀，且必须采用弹簧吊架。
    5、结论
    　　5.1 水源热泵空调系统的能源利用率要比空气源热泵空调系统高。如果采用地下水、江河湖水等能量，其效率可以进一步提高。
    　　5.2 水源热泵水管路系统的设计应兼顾开式及闭式两种情况及其互相之间的转换，还必须考虑开式及闭式系统的水力平衡问题。
    　　5.3 必须加快符合中国国情及适应中国气候条件的 水源热泵产品的研制开发，这已成为一种实用、可靠、节能、经济的空调系统型式。
    参考文献
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