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      水源熱泵空調系統設計與應用分析

      20世紀80年代初,我國一些外商投資的建筑中采用了水環熱泵空調系統,由于這些工程顯出:水環熱泵空調系統回收建筑物內余熱的特有功能:不像傳統采暖系統那樣會對環境產生嚴重的當局染;省掉或減少常規空調系統的冷熱源設備和機房,便于分戶計量和計費,便于安裝、管理等優點。因此,90年代,水環熱泵空調系統在我國得到廣泛的發展。不僅在上海、北京、天津、廣州、深圳等大城市中一些工程采用它,而且如佛山、紹興、惠州、泉州等中、小城市也開始采用水環熱泵空調系統。但是,應用中仍存在一定的盲目性。例如,在實際工程中往往忽略了該系統運行工程的復雜性,忽略了系統運行能耗的影響因素,這將會使系統運行的節能效果得不到可靠的保證,有的工程實例中仍存在一些不合理之處;在我國南方不需要采暖或供熱量很小的工程中采用水環熱泵空調系統等。之所以如此 ,除了設計經驗不足之外,更重要的缺乏對該系統的深入了解。因此,為了我國更好地推廣和應用水環熱泵空調系統,有必要對水環熱泵空調系統在我國應用中的幾個值得注意的問題再作一下簡要的說明。所謂的水環熱泵空調系統是指小型的水/空氣熱泵機組的一種應用方式。即用水環路將小型的水/空氣熱泵機組并聯在一起,構成一個以回收建筑物內部余熱為主要特點的熱泵供暖、供冷的空調系統。 
      一、合理選擇水環熱泵空調系統的應用場所,充分體現出它的節能和環保效益

        眾所周知,水環熱泵空調系統是回收建筑物內余熱的系統,它的節能效果和環保效益是與氣象條件、建筑特點及輔助熱泵形式(電鍋爐、燃煤鍋爐等)等因素有關的。而我國地域遼闊、東西地區、南北地區氣象條件差異很大。各地實際的建筑形式與特點也各不相同。那么,在什么樣的場合里選用水環熱泵空調系統才能收到最佳的節能效果和環保效益。這是我們應用水環熱泵空調系統時,首先要注意的第一個問題。

        有關文獻資料曾分析過這個問題,提出系統運行能耗的靜態分析法和運行能耗的計算機動態分析法等。據此,對水環熱泵空調系統在我國哈爾濱、北京、上海、廣州四個城市氣象條件下不同負荷特點的建筑物中的運行能耗進行了綜合分析,初步得出了水環熱泵空調系統在我國應用的評價,其實質可定性的概括為:

      ?。?)水環熱泵空調系統中的水/空氣熱泵機組全年絕大部分時間按制冷工況運行的場合,與使用風機盤管系統相比,一般來說是不節能的,相應也無環保效益。這是因為小型水/空氣熱泵機組的制冷系數(cop值)比大型的冷水機組要低,通常,小型水、空氣熱泵機組供冷時cop值為2.86-3.63;而螺桿式冷水機組一般為4.88~5.25,有的可高達5.47~5.74。離心式冷水機組一般為5.00~5.88,有的可高達6.76。因此,在我國南方一些城市(如廣州)不宜選用水環熱泵空調系統。

      ?。?)在建筑物有余熱的條件下,水環熱泵空調系統按供熱工況運行時,才具有節能和環保意義。因此,在建筑物內區有余熱,外區需要用熱二者接近的場合,其節能效果才好,而且這種情況持續的時間越長的地區,越適合應用水環熱泵空調系統。

      ?。?)目前,建筑物內部負荷不大,常規空調熱源為燃煤鍋爐,上海、北京是較適合水環熱泵空調系統的地區。

      ?。?)北方地區在建筑物內區面積大,而內區的內部負荷又大(要求北方建筑物內余熱量要比南方同樣建筑內的余熱量大)的場合使用水環熱泵空調系統是十分有利的,這是由于水空氣熱泵機組按熱泵工況運行時間(采暖期),比南方地區要長,因此,它更具有節能和環保意義,但是,若建筑物內無余熱或余熱很小,遠遠滿足不了外區采暖所需的熱量時,采用水環熱泵空調系統,勢必要用鍋爐的高位能中熱環路中的循環水,變為低溫熱源,再由水/空氣熱泵機組消耗電能將循環的低位熱提升到高位熱量,向室內采暖,這種用能方式是十分不合理的。這種場合應用水環熱泵空調系統是毫無意義的,甚至比風機盤管系統的耗能要大。

      二、向系統引入外部低溫熱源,拓寬水環熱泵空調系統的應用范圍

        從上面的分析,明確的告訴我們:只有建筑物有大量余熱時,通過水環熱泵空調系統將建筑物內的余熱轉移到需要熱量的區域,才能收到良好的節能效果和環保效益。但是,目前我國各類建筑內部余熱不大,建筑物的內區面積又小。而且,常規空調熱源又常為燃煤鍋爐。由于這種情況制約了水環熱泵空調系統在我國的應用范圍。解決這個問題的途徑,就是由建筑物的外部引進低溫熱源,以替代建筑物內的余熱量。太陽能、水(地表水、井水、河水等)、土壤、空氣均可作為水環熱泵空調系統的外部能源。

        可喜的是,2000年全國暖通空調制冷年會上已有“太陽能水環熱泵空調系統在我國應用的預測分析”、“水環熱泵與未利用能”等論文中都論述了這個問題。提出用太陽能、礦井水、冷卻循環水作為低溫熱源的水環熱泵空調系統。大連電力大廈的設計是采用該地區熱電廠冷卻水作為外部的低位熱源的水環熱空調系統。

        最近,我們提出一種空氣/水熱泵與水/空氣熱泵耦合雙級熱泵供暖系統。該系統在寒冷地區,用空氣源熱泵冷熱水機組制備10℃-20℃低溫水,通過水環路送至室內各個水/空氣熱泵機組中,水/空氣熱泵再從水中汲取熱量,直接加熱室內空氣,以達供暖目的,其系統的主要特點有:

      ?。?)系統與傳統的供暖模式相比,它是一種仿效自然生態過程物質循環模式的部分熱量循環的供暖方式。使用這種新系統可實現能源、供暖和環境的協調發展。傳統的供暖模式是一種“熱源消耗高位能、向建筑物室內提供低溫的熱量、向環境排放廢物(如廢熱、廢氣、廢渣等)”的單向性的供熱模式。隨著人們生活水平的提高,人們對建筑供暖的要求愈來愈高,使建筑物能耗急劇增長,也愈來愈嚴重造成了對環境的污染。因此,人們開始認識到現有的這種單向性的供暖模式在21世紀里已無法持續下去,而應當研究替代它的新系統。

      ?。?)建筑熱損失散失到室外大氣中,又作為空氣源熱泵的低溫熱源使用了,這樣,可以使建筑供暖節約了部分高位能,同時,也不會使城市中的室外大氣溫度降低得比市郊區的溫度還低,從而減輕了建筑物排熱對環境的影響。

      ?。?)空氣源熱泵冷熱水機組由正常提供50℃熱水改為向用戶提供10℃-20℃的水,以此來解決機組在寒冷地區運行時壓縮比過大的問題。

      ?。?)通過水/空氣熱泵直接加熱室內空氣,以減少熱量在輸送轉換過程中的熱損失。

      三、采暖混合系統,進一步提高水環熱泵空調系統的節能效果和環保效益

        上面已經指明,小型水/空氣熱泵機組的制冷性能系數(cop值)遠小于大型冷水機組的cop值。若建筑物內區較大,全年要求供冷的話,這意味著內區的水/空氣熱泵機組將全年按制冷工況運行。如何提高這部分系統的供冷的經濟性是設計中值得注意的問題

        資料(7)提出混合系統。所謂混合系統是指水/空氣熱泵機組同其他空調設備(如冷水機組、單元柜式空調機等)共同組合而成為全新的空調系統。

        離心式冷水機組的水環熱泵混合系統對于固定的或大量的冷負荷場所(如大型辦公樓的內區)選用大型離心式冷水機組進行全年供冷,這樣提高了系統供冷時的效率,使系統供冷時比小型水/空氣機組供冷時節約大量的運行能耗,從而使整個系統更有節能和環保意義。而對于既有冷負荷又有熱負荷的周邊區,設置水源熱泵系統夏季供冷,冬季供暖。系統在冬季運行時,大型離心式冷水機組的冷凝熱排入水環熱泵的水環路中,作為周邊區水/空氣熱泵的低溫供暖源,保持了水熱泵空調系統回收建筑物內余熱的基本特點。從而節省了周邊區供暖的高位能。


      同樣,為了提高系統運行的經濟性,在建筑物內區設置單元式空調機組(水冷),向內區供冷,而周邊區設置水/空氣熱泵機組,向周邊供冷或供熱,也是一種值得注意的混合系統形式。

      四、正確設計水環熱泵空調系統

         4.1 水/空氣熱泵機組容量的確定

        在確定建筑物內各個區域(或每個房間)水/空氣熱泵機組容量之前,同中央空調設計一樣,先計算建筑物供暖和供冷負荷,它是正確選擇室內水/空氣熱泵容量大小的依據。選擇應注意:

      ?。?)同一臺室內水/空氣熱泵機組的容量(制冷量或制熱量)主要取決于蒸發溫度和冷凝溫度等運行工況,而這些參數又受機組外部條件的制約。也就是說,室內水/空氣熱泵機組制冷量(或制熱量)的大小是機組進風參數、水環路進水溫度、機組水量等參數的函數。因此,設計時我們按實際運行中工況(實際設計的室溫和環路進水溫度)來確定水/空氣熱泵機組的容量。對樣本上給定的額定制冷量和額定制熱量,要根據實際室溫和環路進水溫度等數據進行修正。

      ?。?)通常,將從室內水/空氣熱泵機組的總制冷量中減去風機電動機的輸入功率后的值稱為機組的計算凈制冷量。機組的計算凈制冷量才是真正能消除室內余熱的部分。

      ?。?)選擇機組的型號和臺數時,對周邊區的房間來說,室內水/空氣熱泵機組應同時能滿足冬、夏季設計工況下的要求。對內區房間來說,水/空氣熱泵機組僅按夏季設計工況選取。

          4.2 機組風道的設計

        室內水/空氣熱泵機組均為余壓型機組,因此,無論立式還是臥式機組且都接有送風風管及送風口等,將空氣送到被調房間人們居住、工作的區域,來創造一個健康而舒適的建筑環境,為達到此目的,設計水/空氣熱泵機組風管時,應注意:

      ?。?) 廠家的樣本常人出機外余壓值。也就是說,樣本上提供的風量是與機外余壓相關的。因此,設計中要根據機組提供的機外余壓值的大小來設計機組風管尺寸,否則將會影響機組的送風量。

      ?。?)一般來說,機組的機外余壓不大,因此,風道中風速不宜過大,一般為2-3m/s。機組風管多為低壓短風管。

         五、結束語

        采用熱泵技術是解決暖通空調系統的能源與環境問題的有效措施之一,這冰是我們長期堅持熱泵技術研究工作的根本動力。進入21世紀,隨著空調技術的發展,將會成為熱泵空調的發展與應用創造良好的機遇,我們將會迎來熱泵空調新的興旺發展期。為此,暖通空調工作者應做好思想準備,加強有關熱泵空調方面的研究工作,積極推廣應用熱泵空調。

        水環熱泵空調系統作為一種具有節能和環保意義的空調系統,在我國將有廣闊 應用前景。因此,本文再次提醒:水環熱泵空調系統在我國應用中應注意的一些問題,以期推動水泵空調系統在我國的應用與發展。

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