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摘要：水环热泵空调系统是水源热泵空调系统的一种特殊的应用方式,即用双管封闭式循环水环路将小型的水/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征的热泵供暖、供冷的空调系统。本文介绍了水环热泵空调系统的特点,适用工程类型,通过典型工程应用实例,分析了水环热泵的优势,提出施工中相关节能问题。
关键词：空调系统，循环水量，热源选择，节能
Abstract: water loop heat pump air conditioning system of water source heat pump air conditioning system is a special application, which uses double closed water circulation loop will be small water / air heat pump unit is connected in parallel with each other, constituting a recycling building waste heat as the main characteristics of the heat pump heating, cooling and air conditioning system. This paper introduces the water loop heat pump air conditioning system characteristics, application scope, through typical engineering examples, analyses the advantage of water loop heat pump, put forward the construction of energy saving.
Key words: air conditioning system, circulating water, selection of heat source, energy saving
中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：
1 工程概述
某商贸城C 区为一栋商业建筑，地下一层、地上二层，总建筑面积约10000m2，均为小型商铺，每间商铺由十几平方米到四十几平方米不等,各层商铺由走道分开，形成内区和外区；商业区的业态为独立经营，水、电、空调均要求独立计量。为满足业主要求，经过方案比较，该商业区空调采用闭式水环热泵系统。
2 系统形式及特点
2.1 闭式水环热泵空调系统利用水系统将建筑物各房间内的各台热泵机并联连接在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的供冷、供暖的空调系统。
2.2 与传统的中央空调系统不同，水环热泵空调系统循环水温一般在15～35℃[1]，各房间内的用户可根据自己的需要独立控制房间内的热泵机的启停、制冷或制热模式以及房间温度的高低（可调范围内）。在系统内需同时供冷和供热时可不开启或少开启冷却塔和辅助加热设备。水环热泵系统是一种热回收系统，对于有多余热量或较大面积的中间区域的建筑物，可以回收这部分热量。商业建筑内部的灯光照明和设备发热量大，而且比较稳定，加上客流量的影响，很容易
在中心区形成温度过高，在冬季也需要供冷，这时系统运行的经济性更好。
2.3 水系统的设计对闭式水环热泵空调应用的成败至关重要，要保证每台机组都有足够的水量。在水系统的布置上应做到以下几点：
2.3.1 在条件许可时，尽可能按环路阻力不同分区，各分区的作用半径不能太大，以60 米半径为宜，同时分区可多一些。
2.3.2 尽可能使水系统自然平衡，做不到时，应在分支环路上安装固定流量平衡阀。
2.3.3 水路布置要简洁，避免使用过多的弯头和三通。
2.3.4 保证水路的坡度，在高点设高质量排气阀，保证水系统不集气。
2.3.5 控制管内水流速，最佳的水流速应为0.7～1.5 米/ 秒。
3 机组选择
3.1 水环热泵机组型式多样，以主机和空气处理部分的相对位置分，有整体式和分体式。整体式制冷系统和送风系统合为一体，又有卧式，立式和吊式几种型式；分体式热泵主机和室内机为分体结构，通过制冷济管道相连，主机可以安装在对噪声要求不高的地方，从而大大减小室内机噪音。室内机组有暗装吊顶式、天花嵌入式、明装吊顶落地两用式、高静压风管式等多种型式。本工程设计中由于各房间面积较小，选用整体吊式机组。每台机组均有独立的控制装置，用户
可自由选择运行工况和运行时间。
3.2 根据计算的负荷选择机组时，要首先确定冷却水系统的水温范围。夏季进水温度定为32.5℃，并按此温度计算机组的供冷量。供冷进水温度定为32.5℃的理由是可以利用较高的对数平均温度，能选用经济的冷水塔。冬季采暖进水温度不宜高，温度高，机组输出的供热量越大，但输入机组的千瓦数也越多。
4 冷却塔选择
水环热泵运行过程中，水直接流经热泵机组的冷凝器或蒸发器，机组对水质要求较高，一般采用闭式循环。对于闭式循环，冷却塔选择有两种形式，其一是直接选用闭式冷却塔，另一种是选择开式冷却塔加板式换热器。具体选择哪种形式应根据工程具体情况进行技术经济比较确定。本工程选用闭式冷却塔，可以减少水系统受污染的情况和提高机组的工作效率。
冷却水量的确定：水环热泵系统循环水量为各台水环热泵机组循环水量之和，再考虑同时使用系数。一般来说，单一性质的建筑同时使用系数较高，综合性建筑则低一些；另外水源热泵机组的数量越多，同时使用系数越小，反之越大。同时使用系数可按以下原则来确定：
(1)循环水量小于36m3/h 时，同时使用系数取0.85～0.9
(2)循环水量为36～54m3/h 时，同时使用系数取0.8～0.85
(3)循环水量大于54m3/h 时，同时使用系数取0.75～0.8
5 辅助热源选择
水环热泵系统在冬季运行时，若全部机组处于制热工况，对于气候温和地区，压缩机工作消耗的功率和室内传递给循环水的热量可以保持其水温不低于15℃，无需热源投入运行。但是当水温低于15℃时，机组的供热量会下降，故对于气温较低，采暖时间较长的地区，辅助热源投入工作，以维持循环水温不低于15℃。
辅助热源的形式多种多样，视具体情况而定，如热水或蒸汽、电、燃油燃气、废热、太阳能等。本工程设计中辅助加热选用燃气真空热水机组，由于系统循环水温在15～35℃，温度较低，一般不直接将循环水加热，而是仅加热一部分水，然后通过混合达到温度要求，在水路上设置温度传感器和电动阀门，控制加热过程，避免水温过高。
本工程闭式冷却塔、真空锅炉、循环水泵等均设置于屋顶。辅助加热量的计算公式如下：
Qf = Qz Qr Qs Qn (5-1)当运行机组都处于制热状态时，Qr=0
则上式：Qf = Qz Qs Qn = Qo - Qo/COP（5-2）
其中：Qf——— 輔助加热量（Kw）
Qz ——— 总耗热量（Kw）
Qr ——— 制冷机组总排热量（Kw）
Qo ——— 总热负荷（Kw）
Qs ——— 室内散热量（Kw）
Qn ——— 输入功率（Kw）
在式(5-2)中，如果辅助加热机组也不工作：Qf = 0，则Qo = Qn 。即此时水环热泵供热系统为纯电采暖系统。由式(5-1)、式(5-2)我们同时可以看出，水环热泵系统在冬季运行时，如果没有水环热泵机组或只有很少的水環热泵机组处于制冷工况，系统的供热量中总有一部分为热泵机组的输入功率Qn，此时水环热泵系统的供热量为总热负荷Qo = Qn + Qf 。对于一般的风冷热泵机组，Qf 可从空气中“免费”获得，而水环热泵系统需辅助热源才能获得。
6 计量管理
水环热泵系统除小部分的用电量（冷却塔、循环水泵等公用部分设备）需由用户分摊外，热泵机组主机安装在用户室内，其空调计费可通过用户内的电表计量，用户可根据自己的需要开启空调机，可避免不必要的浪费，这在一定程度上起到了节约能源的目的。
7 噪声控制
水环热泵机组由于压缩机安装在室内，因此噪声较大，处理噪声和振动的影响非常重要。在设计中除首先考虑优质低噪声的设备外，当选用整体式机组时，一般在回风段设置消声回风箱，机组出风口处增加90度消声弯头，在本工程中由于各商铺面积较小，机组功率不大，现场设置消声弯头有困难，因此在送风管选用消声风管，以减小噪声。
8 小结
水环热泵机组和一般的水冷式冷水机组一样，为保护机组在无冷却水流量下运行引起故障甚至烧坏，在机组入口处应设置水流开关，水流开关和热泵机组联锁运行，只有当冷却水流量达到水流开关设定的最小流量要求时，热泵机组才能启动运行。水流开关一般应每台机组设置一个。在本工程中，所选水环热泵机组的容量也较小，其所需要冷却水流量比目前市场上水流开关的最小启动流量还小，因此采取多台热泵机组共用一台水流开关的形式。
如果建筑物没有明显的内外分区，也没有其它余热可利用，辅助热源由电加热或燃油燃气等提供，此时水环热泵系统是不节能的。总之，水环热泵系统在空调费用计量、内外分区分别供冷供热、以及低位热能的利用方面具有独特的优点，且室内水环路管道系统不用保温，减少了安装费用和安装空间，在夏热冬冷地区具有明显内外分区且内区散热量较大的建筑物中使用，具有比较好的经济性和实用性。
参考文献：
1、马最良,姚杨,姜益强;哈尔滨工业大学热泵研究工作的回顾[J];制冷空调与电力机械;2004 年03 期
2、朱华威,邹江;江浙地区城市小康商品住宅中央空调系统初探[J];住宅科技;1997 年02 期
3、王刚,史自强;浅谈水环热泵空调系统的应用与优化设计[J];节能与环保;2005 年03 期
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：空调系统，循环水量，热源选择，节能
Abstract: water loop heat pump air conditioning system of water source heat pump air conditioning system is a special application, which uses double closed water circulation loop will be small water / air heat pump unit is connected in parallel with each other, constituting a recycling building waste heat as the main characteristics of the heat pump heating, cooling and air conditioning system. This paper introduces the water loop heat pump air conditioning system characteristics, application scope, through typical engineering examples, analyses the advantage of water loop heat pump, put forward the construction of energy saving.
Key words: air conditioning system, circulating water, selection of heat source, energy saving
中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：
1 工程概述
某商贸城C 区为一栋商业建筑，地下一层、地上二层，总建筑面积约10000m2，均为小型商铺，每间商铺由十几平方米到四十几平方米不等,各层商铺由走道分开，形成内区和外区；商业区的业态为独立经营，水、电、空调均要求独立计量。为满足业主要求，经过方案比较，该商业区空调采用闭式水环热泵系统。
2 系统形式及特点
2.1 闭式水环热泵空调系统利用水系统将建筑物各房间内的各台热泵机并联连接在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的供冷、供暖的空调系统。
2.2 与传统的中央空调系统不同，水环热泵空调系统循环水温一般在15～35℃[1]，各房间内的用户可根据自己的需要独立控制房间内的热泵机的启停、制冷或制热模式以及房间温度的高低（可调范围内）。在系统内需同时供冷和供热时可不开启或少开启冷却塔和辅助加热设备。水环热泵系统是一种热回收系统，对于有多余热量或较大面积的中间区域的建筑物，可以回收这部分热量。商业建筑内部的灯光照明和设备发热量大，而且比较稳定，加上客流量的影响，很容易
在中心区形成温度过高，在冬季也需要供冷，这时系统运行的经济性更好。
2.3 水系统的设计对闭式水环热泵空调应用的成败至关重要，要保证每台机组都有足够的水量。在水系统的布置上应做到以下几点：
2.3.1 在条件许可时，尽可能按环路阻力不同分区，各分区的作用半径不能太大，以60 米半径为宜，同时分区可多一些。
2.3.2 尽可能使水系统自然平衡，做不到时，应在分支环路上安装固定流量平衡阀。
2.3.3 水路布置要简洁，避免使用过多的弯头和三通。
2.3.4 保证水路的坡度，在高点设高质量排气阀，保证水系统不集气。
2.3.5 控制管内水流速，最佳的水流速应为0.7～1.5 米/ 秒。
3 机组选择
3.1 水环热泵机组型式多样，以主机和空气处理部分的相对位置分，有整体式和分体式。整体式制冷系统和送风系统合为一体，又有卧式，立式和吊式几种型式；分体式热泵主机和室内机为分体结构，通过制冷济管道相连，主机可以安装在对噪声要求不高的地方，从而大大减小室内机噪音。室内机组有暗装吊顶式、天花嵌入式、明装吊顶落地两用式、高静压风管式等多种型式。本工程设计中由于各房间面积较小，选用整体吊式机组。每台机组均有独立的控制装置，用户
可自由选择运行工况和运行时间。
3.2 根据计算的负荷选择机组时，要首先确定冷却水系统的水温范围。夏季进水温度定为32.5℃，并按此温度计算机组的供冷量。供冷进水温度定为32.5℃的理由是可以利用较高的对数平均温度，能选用经济的冷水塔。冬季采暖进水温度不宜高，温度高，机组输出的供热量越大，但输入机组的千瓦数也越多。
4 冷却塔选择
水环热泵运行过程中，水直接流经热泵机组的冷凝器或蒸发器，机组对水质要求较高，一般采用闭式循环。对于闭式循环，冷却塔选择有两种形式，其一是直接选用闭式冷却塔，另一种是选择开式冷却塔加板式换热器。具体选择哪种形式应根据工程具体情况进行技术经济比较确定。本工程选用闭式冷却塔，可以减少水系统受污染的情况和提高机组的工作效率。
冷却水量的确定：水环热泵系统循环水量为各台水环热泵机组循环水量之和，再考虑同时使用系数。一般来说，单一性质的建筑同时使用系数较高，综合性建筑则低一些；另外水源热泵机组的数量越多，同时使用系数越小，反之越大。同时使用系数可按以下原则来确定：
(1)循环水量小于36m3/h 时，同时使用系数取0.85～0.9
(2)循环水量为36～54m3/h 时，同时使用系数取0.8～0.85
(3)循环水量大于54m3/h 时，同时使用系数取0.75～0.8
5 辅助热源选择
水环热泵系统在冬季运行时，若全部机组处于制热工况，对于气候温和地区，压缩机工作消耗的功率和室内传递给循环水的热量可以保持其水温不低于15℃，无需热源投入运行。但是当水温低于15℃时，机组的供热量会下降，故对于气温较低，采暖时间较长的地区，辅助热源投入工作，以维持循环水温不低于15℃。
辅助热源的形式多种多样，视具体情况而定，如热水或蒸汽、电、燃油燃气、废热、太阳能等。本工程设计中辅助加热选用燃气真空热水机组，由于系统循环水温在15～35℃，温度较低，一般不直接将循环水加热，而是仅加热一部分水，然后通过混合达到温度要求，在水路上设置温度传感器和电动阀门，控制加热过程，避免水温过高。
本工程闭式冷却塔、真空锅炉、循环水泵等均设置于屋顶。辅助加热量的计算公式如下：
Qf = Qz Qr Qs Qn (5-1)当运行机组都处于制热状态时，Qr=0
则上式：Qf = Qz Qs Qn = Qo - Qo/COP（5-2）
其中：Qf——— 輔助加热量（Kw）
Qz ——— 总耗热量（Kw）
Qr ——— 制冷机组总排热量（Kw）
Qo ——— 总热负荷（Kw）
Qs ——— 室内散热量（Kw）
Qn ——— 输入功率（Kw）
在式(5-2)中，如果辅助加热机组也不工作：Qf = 0，则Qo = Qn 。即此时水环热泵供热系统为纯电采暖系统。由式(5-1)、式(5-2)我们同时可以看出，水环热泵系统在冬季运行时，如果没有水环热泵机组或只有很少的水環热泵机组处于制冷工况，系统的供热量中总有一部分为热泵机组的输入功率Qn，此时水环热泵系统的供热量为总热负荷Qo = Qn + Qf 。对于一般的风冷热泵机组，Qf 可从空气中“免费”获得，而水环热泵系统需辅助热源才能获得。
6 计量管理
水环热泵系统除小部分的用电量（冷却塔、循环水泵等公用部分设备）需由用户分摊外，热泵机组主机安装在用户室内，其空调计费可通过用户内的电表计量，用户可根据自己的需要开启空调机，可避免不必要的浪费，这在一定程度上起到了节约能源的目的。
7 噪声控制
水环热泵机组由于压缩机安装在室内，因此噪声较大，处理噪声和振动的影响非常重要。在设计中除首先考虑优质低噪声的设备外，当选用整体式机组时，一般在回风段设置消声回风箱，机组出风口处增加90度消声弯头，在本工程中由于各商铺面积较小，机组功率不大，现场设置消声弯头有困难，因此在送风管选用消声风管，以减小噪声。
8 小结
水环热泵机组和一般的水冷式冷水机组一样，为保护机组在无冷却水流量下运行引起故障甚至烧坏，在机组入口处应设置水流开关，水流开关和热泵机组联锁运行，只有当冷却水流量达到水流开关设定的最小流量要求时，热泵机组才能启动运行。水流开关一般应每台机组设置一个。在本工程中，所选水环热泵机组的容量也较小，其所需要冷却水流量比目前市场上水流开关的最小启动流量还小，因此采取多台热泵机组共用一台水流开关的形式。
如果建筑物没有明显的内外分区，也没有其它余热可利用，辅助热源由电加热或燃油燃气等提供，此时水环热泵系统是不节能的。总之，水环热泵系统在空调费用计量、内外分区分别供冷供热、以及低位热能的利用方面具有独特的优点，且室内水环路管道系统不用保温，减少了安装费用和安装空间，在夏热冬冷地区具有明显内外分区且内区散热量较大的建筑物中使用，具有比较好的经济性和实用性。
参考文献：
1、马最良,姚杨,姜益强;哈尔滨工业大学热泵研究工作的回顾[J];制冷空调与电力机械;2004 年03 期
2、朱华威,邹江;江浙地区城市小康商品住宅中央空调系统初探[J];住宅科技;1997 年02 期
3、王刚,史自强;浅谈水环热泵空调系统的应用与优化设计[J];节能与环保;2005 年03 期
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。