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摘要：随着人们经济、生活水平的提高,采暖空調能耗已是现代建筑能耗消费的第一大客户。环境污染和能源危机成为全人类必须面对且要解决的重大课题,水环热泵空调系统作为一种典型的节能产品,将会在空调节能领域中获得广泛的应用和发展,将是合理用能的典范。由于水环热泵空调系统具有回收建筑物内余热的特有功能,不像传统锅炉那样会对环境产生污染;便于分户计量和计费;便于安装和管理等优点,可以预测,该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
关键词：水环热泵,中央空调,设计方法,工程实例
Abstract: with the economy, people the improvement of living standards, heating and cooling energy consumption of building energy consumption already was the modern consumption of the first big customers. The pollution of the environment and energy crisis become all mankind must face and to solve the important topic, water loop heat pump air conditioning system as a kind of typical energy conservation product, will be in the air conditioning in the field of energy saving a wide range of applications and development, will be a model of rational use of energy. Because water loop heat pump air conditioning system has a recycling waste heat of the special function within the building, unlike traditional boiler that will produce pollution to the environment; Easy to household metering and billing; For easy installation and management etc, and can be predicted, the technology will become the 21 st century the most effective heating and cooling air conditioning technology.
Keywords: water loop heat pump, central air conditioning, design method, engineering example
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1水环热泵中央空调系统的主要特点
水环热泵空调系统开创于20世纪60年代初,首先在美国加州得到了应用,受能源危机的影响,后在美国与西欧地区被广泛推广, 80年代后期被引入我国。如今已广泛应用于办公楼、宾馆、医院、商场、写字楼、娱乐业、厂房、住宅等空调工程中,它主要具有以下特点:
(1)高效节能
水环热泵空调系统能将未被利用的稳定能量,如灯光设备散热、人员散热、太阳能、通风系统能量等回收并加以利用。与非水冷热泵机组相比,水源热泵机组具有较高的能效比(如中宇水环热泵单机能效比EER最高达5·54),耗电较少,而且不存在蒸发器表面结霜问题,因而不需要耗费额外的除霜能耗。除电能外,水环热泵空调系统还可以用石油、太阳能等作为辅助热源,这就为系统灵活选择经济的能源提供了可能性,当建筑物中同时有供冷供热需求时,能量在建筑物内部转移,运行费用最少,节能效果明显。
(2)无需特设机房,投资较低
水环热泵空调系统化整为零,投资与传统的中央空调系统大致相当。但无需集中制冷机房、锅炉房、空调机房,减少了设备间的面积。所需要的风管少,降低了楼层高度。无保温的水管系统减少了材料费。热泵机组在工厂预先组装,减少了在工地的装配工作。温度控制装置亦组合于热泵机组中,无需另设控制中心或控制室。由于系统设备简单、安装方便、启动调整容易、分区设计灵活、故障少,不需配备熟练的运行工程师,而且辅助加热及冷却装置仅在必要时才需启用等原因,建设单位可以节约一次投资及维修运行费用。
(3)有利于计量管理
水环热泵空调系统的用电设备—水源热泵机组分散在系统的末端,具有独立的控制装置,每一用户均可常年自行控制供冷供热,不受室外气象条件影响,多数用户都会感到满意。而且用户使用单独电表,分别计费,不仅有利于解决用户间电费分配的矛盾,而且鼓励用户自觉节约用电,做到人走机关,客观上也起到了节能的作用。
(4)设计、施工简便灵活
新建大楼施工时可以先安装水环路的主管和支管,水源热泵机组则视具体情况分期分批配置,安装好即可使用,工期短、见效快,还为日后系统的调整提供便利条件。对于改建工程,采用水环热泵空调系统更为方便,可省去用户新建制冷机房的麻烦。该系统占用空间小,投资回报率高,业主也乐于接受。
(5)满足用户的各种需要
用户可根据不同季节或实际需要来选择供暖或供冷,这在两管制风机盘管系统中是难以实现的。而且系统热效率不会受室外温度变化的影响。夜间或周末任何用户都可以随意进行房间的供暖或供冷调节,此时由于循环水的蓄热(冷)量,往往不需运行加热或冷却设备即能维持水温在设定范围内。不受大楼中央空调系统关闭的限制,或因一两户的使用而要启动整个空调系统,节省能源。
(6)蓄冷和蓄热
随着供电需求的不断增长,实行峰谷电价势在必行。水环热泵系统在夜间利用非峰电力蓄冷和蓄热,大大减少了日间用电量,在夏季还可以利用晚间通风,降低环路水温,减少通过冷却塔的散热量。
(7)无新风补给功能
水源热泵机组应用于建筑物内,主要解决供暖热负荷和空调冷负荷。但为了满足用户的健康和舒适要求,必须保持一定的新风量,因此需要设置单独的新风系统。而且由于风管尺寸较小,过渡季节不能最大限度地利用新风。空气净化、加湿措施也略为复杂。
2工程实例
2·1工程概况
本文介绍的工程实例—某商业住宅楼,北依娄山,南临乌江,环境优美宁静,大楼共32层。其中一至三层为商场,四至八层为办公室,九至二十九层商业住宅用房,三十、三十一层为观光餐厅。大楼总建筑面积约22400m2,空调使用面积为13742m2。建筑物设计总冷负荷为1860·5kW,热负荷为1860·5kW,其中住宅设计冷负荷为767·5 kW,热负荷为930·2 kW。
2·2室外设计参数
夏季空调室外计算干球温度31·7℃
夏季空调室外计算湿球温度24·4℃
冬季空调室外计算干球温度-3℃
2·3室内设计参数(见表2)
3空调系统
由于水环热泵具有高效节能、性能稳定、控制方便等特點,结合一至三商场、四至八层办公室、三十及三十一层餐厅的同时使用机率大特点,将该场所设计成为水环热泵系统;九至二十九层住宅,由于客厅、餐厅与卧室的同时使用时间不尽相同,为节省投资及以后的运行费用,选用水—水热泵空调形式。
3·1空调水系统
根据大楼特点,结合甲方意见,将大楼分两个水系统,其中一至三层商场为一水系统,四至三十一层所有水环热泵与水—水热泵空调系统共用另一个水系统(见图2),为使各楼层压力与水量趋于平衡,各层水平干管与立管均采用同程式设计,在主要分支点设平衡阀,以保证分配给每台热泵机组的流量均为热泵机组要求的额定流量。
水环热泵无冷冻水系统,管道不需保温;水—水热泵有冷冻水系统,但由于主机位于卫生间内,距末端距离不远,安装方便,且基本上无冷量传递中间损失。所有系统均无须主机房,冷却水管和外机组布置在走廊或卫生间室内天花板内;冷凝水就近排到卫生间、雨水排水立管。
图24~31层空调水系统平面图
3·2空调风系统
一至八层每层均设独立的新风系统,三十、三十一层餐厅设计为自带新风的空调系统,住宅不设独立的新风系统,房间新风靠渗透风得来。一至八层、三十、三十一层送风形式为上送上回,由于住宅楼层比较低,风机盘管采用局部的装修的形式,送风方式为侧送上回。外机组置于卫生间或走廊吊顶层内,既降低噪音又便于以后检修维护和装修美观。
3·3冷却塔、冷却水泵、锅炉布置冷却塔位于大楼天面,冷却水泵与锅炉设置于负一楼。系统一(一至三层部分)选用冷却塔MD-150 (冷却水流量为150m3/h,功率4kW) 1台,共设置两台水泵GD125-20 (功率15kW,流量110m3/h,扬程23m)一用一备,互为备用;系统二(四至三十一层部分)选用冷却塔MD-350 (冷却水流量为350m3/h,功率7·5kW) 1台,共设置三台水泵GD125-32 (功率22kW,流量160m3/h,扬程32m)二用一备,互为备用;根据负荷计算、系统预留量、系统同时使用情况及分区特点、两个水系统共选用一台热水常压锅炉DSJ-150 (产热量1750kW,耗电功率4kW,耗重油163kg/h)。
3·4制冷、制热方式
水环热泵夏季制冷时,蒸发器内低温低压的蒸汽吸收空调房间的余热后进入压缩机压缩成高温高压的气体,然后进入冷凝器内将热量散入冷却水中,然后被冷却水泵送至冷却塔,将热量散发在大气中,从而实际了热量从空调房间转移到大气中的过程。水—水热泵在制冷过程中热量转移为:空调房间→冷冻水→冷却水→大气,其中比水环热泵多一个热量转移环节(即多一个冷冻水传热)。水环热泵冬季制热时,锅炉产生的热量,通过冷却水泵被送至水—制冷剂换热器(制冷时的冷凝器),然后经热泵送至空调房间。而水—水热泵制热也多一个传热环节,即热量从锅炉转移至水—制冷剂换热器后不是直接送至空调房间,而是先转移至热水中,再送至空调房间。
3·5自动控制
水环热泵系统的控制比较简单,主要包括以下两个部分:
(1)水源热泵机组的控制
机组控制的核心器件是机组所带的温控器,控制方式是由安装在墙壁上的温控器来控制机组压缩机的启停,一只温控器控制一台机组,也可控制多台机组。温控器既有电动式的也有数字式的,既可以实现就地控制,也可以将数字信号远传,实现远程监控以满足楼宇自控的要求,另外机组还配置有延时和高压保护器,这些装置将在制冷时缺水或在供暖风机故障时保护机组。
(2)冷却塔、加热设备、冷却水泵及系统保护控制
冷却塔和加热设备的工作是由环路水温控制,当系统水温低于设定值时,加热设备开始工作;当系统水温高于设定值时,冷却塔开始工作。冷却水泵和系统保护控制主要为:主水泵和备用水泵交替运行、在水环路的水量减少时(水流开关检测到水环路缺水时)停止所有水源热泵机组的运行、水泵切断时任何水源热泵机组不得启动等。
4结论
通过对水环热泵空调系统实际工程的设计,总结出一些经验和节能方法,可以得出以下结论:
(1)水环热泵空调系统适用范围广,几乎涵盖各种类型的民用建筑,尤其适用于进深较大、内部发热量大及有废热可供利用的建筑类型。
(2)水环热泵空调系统与传统中央空调系统在工程造价上基本相当,按本工程实例,二者相差不多。
(3)水环热泵空调系统在建筑中占用有效建筑面积相比传统中央空调系统要少很多,可以为建设方节约大量宝贵的建筑面积。
(4)从本工程实例可以看出,尽管单个小型水源热泵机组的制冷效率低于大型冷水机组,但综合考虑空调系统其它辅助设备的用电量后,水环热泵空调系统无论从空调电力安装容量还是运行费用上均优于常规中央空调系统。
(5)目前社会上对高层商用住宅的大量需求,使得传统二管制中央空调系统在设计中对内外区冷热的不同需求在处理上不好解决。而水环热泵空调系统对这种类型的建筑具有优势。
(6)由于各地电力部门对蓄热、蓄冷技术的应用实施很多优惠政策,而水环热泵空调系统有应用蓄热技术的条件,而且应用蓄热技术非常简单,因此具有蓄热功能的水环热泵系统在空调系统的选择中更具竞争力。
(7)冬季时,在末端空调器散热量能满足室内供暖的前提下,尽量降低热泵的供回水温度,可以有效地节约能耗。综上所述,水环热泵(WLHP)系统具有节能和环保等优良性能,是一种越来越被业主、设计者及用户看好的空调系统。在国外已有成熟的经验可供参考借鉴,可以预见水环热泵系统在我国有极为广阔的发展前景,让我们暖通空调工作者一起加强研究开发工作,充分发挥其优点,为我们社会带来经济效益、节能效益、环境效益和社会效益。
6参考文献
[1]陆耀庆·实用供暖空调设计手册[M]·北京:中国建筑工业出版社, 1993
[2]中国建筑标准设计研究所·全国民用建筑工程设计技术措施(暖通空调动力) [M]·北京:中国计划出版社, 2003
[3]采暖通风及空气调节设计规范(GB50019-2003) [S]
[4]通风与空调工程施工及验收规范(GBJ50243-97)[S]
[5]通风与空调工程质量检验评定标准(GBJ304-88)[S]
[6]建筑设计防火规范(GBJ16-87) (2001年版) [S]
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：水环热泵,中央空调,设计方法,工程实例
Abstract: with the economy, people the improvement of living standards, heating and cooling energy consumption of building energy consumption already was the modern consumption of the first big customers. The pollution of the environment and energy crisis become all mankind must face and to solve the important topic, water loop heat pump air conditioning system as a kind of typical energy conservation product, will be in the air conditioning in the field of energy saving a wide range of applications and development, will be a model of rational use of energy. Because water loop heat pump air conditioning system has a recycling waste heat of the special function within the building, unlike traditional boiler that will produce pollution to the environment; Easy to household metering and billing; For easy installation and management etc, and can be predicted, the technology will become the 21 st century the most effective heating and cooling air conditioning technology.
Keywords: water loop heat pump, central air conditioning, design method, engineering example
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1水环热泵中央空调系统的主要特点
水环热泵空调系统开创于20世纪60年代初,首先在美国加州得到了应用,受能源危机的影响,后在美国与西欧地区被广泛推广, 80年代后期被引入我国。如今已广泛应用于办公楼、宾馆、医院、商场、写字楼、娱乐业、厂房、住宅等空调工程中,它主要具有以下特点:
(1)高效节能
水环热泵空调系统能将未被利用的稳定能量,如灯光设备散热、人员散热、太阳能、通风系统能量等回收并加以利用。与非水冷热泵机组相比,水源热泵机组具有较高的能效比(如中宇水环热泵单机能效比EER最高达5·54),耗电较少,而且不存在蒸发器表面结霜问题,因而不需要耗费额外的除霜能耗。除电能外,水环热泵空调系统还可以用石油、太阳能等作为辅助热源,这就为系统灵活选择经济的能源提供了可能性,当建筑物中同时有供冷供热需求时,能量在建筑物内部转移,运行费用最少,节能效果明显。
(2)无需特设机房,投资较低
水环热泵空调系统化整为零,投资与传统的中央空调系统大致相当。但无需集中制冷机房、锅炉房、空调机房,减少了设备间的面积。所需要的风管少,降低了楼层高度。无保温的水管系统减少了材料费。热泵机组在工厂预先组装,减少了在工地的装配工作。温度控制装置亦组合于热泵机组中,无需另设控制中心或控制室。由于系统设备简单、安装方便、启动调整容易、分区设计灵活、故障少,不需配备熟练的运行工程师,而且辅助加热及冷却装置仅在必要时才需启用等原因,建设单位可以节约一次投资及维修运行费用。
(3)有利于计量管理
水环热泵空调系统的用电设备—水源热泵机组分散在系统的末端,具有独立的控制装置,每一用户均可常年自行控制供冷供热,不受室外气象条件影响,多数用户都会感到满意。而且用户使用单独电表,分别计费,不仅有利于解决用户间电费分配的矛盾,而且鼓励用户自觉节约用电,做到人走机关,客观上也起到了节能的作用。
(4)设计、施工简便灵活
新建大楼施工时可以先安装水环路的主管和支管,水源热泵机组则视具体情况分期分批配置,安装好即可使用,工期短、见效快,还为日后系统的调整提供便利条件。对于改建工程,采用水环热泵空调系统更为方便,可省去用户新建制冷机房的麻烦。该系统占用空间小,投资回报率高,业主也乐于接受。
(5)满足用户的各种需要
用户可根据不同季节或实际需要来选择供暖或供冷,这在两管制风机盘管系统中是难以实现的。而且系统热效率不会受室外温度变化的影响。夜间或周末任何用户都可以随意进行房间的供暖或供冷调节,此时由于循环水的蓄热(冷)量,往往不需运行加热或冷却设备即能维持水温在设定范围内。不受大楼中央空调系统关闭的限制,或因一两户的使用而要启动整个空调系统,节省能源。
(6)蓄冷和蓄热
随着供电需求的不断增长,实行峰谷电价势在必行。水环热泵系统在夜间利用非峰电力蓄冷和蓄热,大大减少了日间用电量,在夏季还可以利用晚间通风,降低环路水温,减少通过冷却塔的散热量。
(7)无新风补给功能
水源热泵机组应用于建筑物内,主要解决供暖热负荷和空调冷负荷。但为了满足用户的健康和舒适要求,必须保持一定的新风量,因此需要设置单独的新风系统。而且由于风管尺寸较小,过渡季节不能最大限度地利用新风。空气净化、加湿措施也略为复杂。
2工程实例
2·1工程概况
本文介绍的工程实例—某商业住宅楼,北依娄山,南临乌江,环境优美宁静,大楼共32层。其中一至三层为商场,四至八层为办公室,九至二十九层商业住宅用房,三十、三十一层为观光餐厅。大楼总建筑面积约22400m2,空调使用面积为13742m2。建筑物设计总冷负荷为1860·5kW,热负荷为1860·5kW,其中住宅设计冷负荷为767·5 kW,热负荷为930·2 kW。
2·2室外设计参数
夏季空调室外计算干球温度31·7℃
夏季空调室外计算湿球温度24·4℃
冬季空调室外计算干球温度-3℃
2·3室内设计参数(见表2)
3空调系统
由于水环热泵具有高效节能、性能稳定、控制方便等特點,结合一至三商场、四至八层办公室、三十及三十一层餐厅的同时使用机率大特点,将该场所设计成为水环热泵系统;九至二十九层住宅,由于客厅、餐厅与卧室的同时使用时间不尽相同,为节省投资及以后的运行费用,选用水—水热泵空调形式。
3·1空调水系统
根据大楼特点,结合甲方意见,将大楼分两个水系统,其中一至三层商场为一水系统,四至三十一层所有水环热泵与水—水热泵空调系统共用另一个水系统(见图2),为使各楼层压力与水量趋于平衡,各层水平干管与立管均采用同程式设计,在主要分支点设平衡阀,以保证分配给每台热泵机组的流量均为热泵机组要求的额定流量。
水环热泵无冷冻水系统,管道不需保温;水—水热泵有冷冻水系统,但由于主机位于卫生间内,距末端距离不远,安装方便,且基本上无冷量传递中间损失。所有系统均无须主机房,冷却水管和外机组布置在走廊或卫生间室内天花板内;冷凝水就近排到卫生间、雨水排水立管。
图24~31层空调水系统平面图
3·2空调风系统
一至八层每层均设独立的新风系统,三十、三十一层餐厅设计为自带新风的空调系统,住宅不设独立的新风系统,房间新风靠渗透风得来。一至八层、三十、三十一层送风形式为上送上回,由于住宅楼层比较低,风机盘管采用局部的装修的形式,送风方式为侧送上回。外机组置于卫生间或走廊吊顶层内,既降低噪音又便于以后检修维护和装修美观。
3·3冷却塔、冷却水泵、锅炉布置冷却塔位于大楼天面,冷却水泵与锅炉设置于负一楼。系统一(一至三层部分)选用冷却塔MD-150 (冷却水流量为150m3/h,功率4kW) 1台,共设置两台水泵GD125-20 (功率15kW,流量110m3/h,扬程23m)一用一备,互为备用;系统二(四至三十一层部分)选用冷却塔MD-350 (冷却水流量为350m3/h,功率7·5kW) 1台,共设置三台水泵GD125-32 (功率22kW,流量160m3/h,扬程32m)二用一备,互为备用;根据负荷计算、系统预留量、系统同时使用情况及分区特点、两个水系统共选用一台热水常压锅炉DSJ-150 (产热量1750kW,耗电功率4kW,耗重油163kg/h)。
3·4制冷、制热方式
水环热泵夏季制冷时,蒸发器内低温低压的蒸汽吸收空调房间的余热后进入压缩机压缩成高温高压的气体,然后进入冷凝器内将热量散入冷却水中,然后被冷却水泵送至冷却塔,将热量散发在大气中,从而实际了热量从空调房间转移到大气中的过程。水—水热泵在制冷过程中热量转移为:空调房间→冷冻水→冷却水→大气,其中比水环热泵多一个热量转移环节(即多一个冷冻水传热)。水环热泵冬季制热时,锅炉产生的热量,通过冷却水泵被送至水—制冷剂换热器(制冷时的冷凝器),然后经热泵送至空调房间。而水—水热泵制热也多一个传热环节,即热量从锅炉转移至水—制冷剂换热器后不是直接送至空调房间,而是先转移至热水中,再送至空调房间。
3·5自动控制
水环热泵系统的控制比较简单,主要包括以下两个部分:
(1)水源热泵机组的控制
机组控制的核心器件是机组所带的温控器,控制方式是由安装在墙壁上的温控器来控制机组压缩机的启停,一只温控器控制一台机组,也可控制多台机组。温控器既有电动式的也有数字式的,既可以实现就地控制,也可以将数字信号远传,实现远程监控以满足楼宇自控的要求,另外机组还配置有延时和高压保护器,这些装置将在制冷时缺水或在供暖风机故障时保护机组。
(2)冷却塔、加热设备、冷却水泵及系统保护控制
冷却塔和加热设备的工作是由环路水温控制,当系统水温低于设定值时,加热设备开始工作;当系统水温高于设定值时,冷却塔开始工作。冷却水泵和系统保护控制主要为:主水泵和备用水泵交替运行、在水环路的水量减少时(水流开关检测到水环路缺水时)停止所有水源热泵机组的运行、水泵切断时任何水源热泵机组不得启动等。
4结论
通过对水环热泵空调系统实际工程的设计,总结出一些经验和节能方法,可以得出以下结论:
(1)水环热泵空调系统适用范围广,几乎涵盖各种类型的民用建筑,尤其适用于进深较大、内部发热量大及有废热可供利用的建筑类型。
(2)水环热泵空调系统与传统中央空调系统在工程造价上基本相当,按本工程实例,二者相差不多。
(3)水环热泵空调系统在建筑中占用有效建筑面积相比传统中央空调系统要少很多,可以为建设方节约大量宝贵的建筑面积。
(4)从本工程实例可以看出,尽管单个小型水源热泵机组的制冷效率低于大型冷水机组,但综合考虑空调系统其它辅助设备的用电量后,水环热泵空调系统无论从空调电力安装容量还是运行费用上均优于常规中央空调系统。
(5)目前社会上对高层商用住宅的大量需求,使得传统二管制中央空调系统在设计中对内外区冷热的不同需求在处理上不好解决。而水环热泵空调系统对这种类型的建筑具有优势。
(6)由于各地电力部门对蓄热、蓄冷技术的应用实施很多优惠政策,而水环热泵空调系统有应用蓄热技术的条件,而且应用蓄热技术非常简单,因此具有蓄热功能的水环热泵系统在空调系统的选择中更具竞争力。
(7)冬季时,在末端空调器散热量能满足室内供暖的前提下,尽量降低热泵的供回水温度,可以有效地节约能耗。综上所述,水环热泵(WLHP)系统具有节能和环保等优良性能,是一种越来越被业主、设计者及用户看好的空调系统。在国外已有成熟的经验可供参考借鉴,可以预见水环热泵系统在我国有极为广阔的发展前景,让我们暖通空调工作者一起加强研究开发工作,充分发挥其优点,为我们社会带来经济效益、节能效益、环境效益和社会效益。
6参考文献
[1]陆耀庆·实用供暖空调设计手册[M]·北京:中国建筑工业出版社, 1993
[2]中国建筑标准设计研究所·全国民用建筑工程设计技术措施(暖通空调动力) [M]·北京:中国计划出版社, 2003
[3]采暖通风及空气调节设计规范(GB50019-2003) [S]
[4]通风与空调工程施工及验收规范(GBJ50243-97)[S]
[5]通风与空调工程质量检验评定标准(GBJ304-88)[S]
[6]建筑设计防火规范(GBJ16-87) (2001年版) [S]
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。