水環熱泵空調系統的應用及存在問題探討

查 焱

(中鐵西南科學研究院，四川成都610031)

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。該系統一方面具有熱回收功能，提高了建筑物內部能源利用系數;另一方面該系統可以同時解決建筑物的空調熱源問題，節省了機房面積，并可以分戶使用，獨立運行管理，給業主和用戶帶來了極大的方便，節約了大量的能源。基于上述優點，水環熱泵系統自20世紀60年代在美國出現至今，經過30年的不斷改進和發展，技術日趨成熟。自20世紀80年代以來，西方國家鼓勵應用此系統，20世紀90年代初國內開始起步。對該系統運行能耗的靜態分析表明，該系統在我國大多數城市應用有顯著的節能效果，尤以長江流域節能效果更好。

1 水環熱泵空調系統的原理及特點

1.1 水環熱泵空調系統的工作原理

水環熱泵空調系統的基本工作原理是:在水/空氣熱泵機組制熱時，以水循環環路中的水為加熱熱源;機組制冷時，則以水為排熱熱源。在同一個水環熱泵空調系統中，有的熱泵機組在制熱運行，有的熱泵機組在制冷運行。制熱運行的機組從循環水中吸收熱量;制冷運行的機組向循環水排放熱量。當熱泵機組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時，循環環路中的水才能維持在一定溫度范圍內，此時系統高效運行。而當水環熱泵空調系統中制熱運行的吸熱量小于制冷運行的放熱量時，循環水路的水溫度升高，到一定程度時利用冷卻塔放出熱量;反之循環環路的水溫度降低，到一定程度時需要通過輔助加熱設備吸收熱量。

1.2 水環熱泵空調系統的特點

(1)水環熱泵空調系統由于沒有冷水機組，不再需要制冷機房。節省了寶貴的主機占地面積，使成本得到有效控制。

(2)水環路是雙管系統但同四管制風機盤管系統一樣可同時供冷供熱，每個房間的用戶可以根據室外溫度的變化和各自不同的要求，在一年內的任何時間隨意進行房間里的供暖或供冷的調節，而不會影響到其他房間的溫度。與昂貴的四管制相比，更節省了管道系統的初投資。

(3)水環熱泵系統具有靈活性，可同時實現不同用戶的要求，分戶計量，根據需要分期安裝，節省一次投資，節約建筑空間，運營管理費用低。

(4)具有回收建筑內余熱的功能，節省能耗，減少環境污染。

(5)設計方案簡單，安裝方便，縮短工程時間。

(6)小型的水/空氣熱泵機組的性能系數低于大型的冷水機組。一般小型的水空氣熱泵機組制冷能效比EER在2.76～4.16之間，供熱性能系數COP值在3.3～5.0之間。而螺桿式冷水機組制冷系數一般為4.88～5.25，有的可高達5.45～5.74。離心式冷水機組一般為5.00～5.88，有的可高達6.67。

(7)水環熱泵的運行噪聲較高。采用旋轉式壓縮機的水空氣熱泵機組一般在40～42 dB(A)，全封閉活塞式壓縮機的水空氣熱泵機組一般在45～47 dB(A)，若采用分體式水空氣熱泵機組并采用有效的消聲減震技術措施時其噪聲可控制在35 dB(A)以內。

2 水環熱泵空調系統的應用

2.1 寫字樓、公寓建筑中的應用

此類房間當采用傳統中央空調，其運行費用較大，存在按面積公攤費用。其上下班時間不同以及個別房間深夜加班等，空調主機開機時間不同，可能因少數房間使用，而花費較大費用，管理不便。采用水環熱泵空調系統，此類建筑物每個租戶自行安裝電表，發生故障時不影響其他租戶，不會因少數幾戶開機而使中央主機開機，僅冷卻系統開啟。由于沒有制冷機房，節省建筑面積。可先安裝水系統，待房屋出租后再安裝主機，可分別計費并節省一次投資。

2.2 商業建筑中的應用

現代商業建筑體量越來越大，有許多功能混雜其間，面積大小不同，甚至有小的出租戶，有的夜間營業，有的白天營業;不同功能房間其冷熱負荷不同且差異較大。采用傳統中央空調系統會出現有的區域需制冷，有的需采暖，不好平衡;同時其費用公攤等方式將出現很多管理矛盾。采用水環熱泵空調系統，優化設計，將較好的解決此類問題。

2.3 賓館酒店建筑中的應用

機組可由旅客個人進行控制，避免中央主機全部開機，初投資運行費用和維修費用均較低。同時在過渡季節，不同客人對室內環境有不同要求，有的需要制冷，而有的需要采暖，一般非高級酒店，在不采用四管制的情況下，不能解決此類問題，當采用水環熱泵空調系統時，可隨意進行房間里的供暖或供冷的調節，滿足客人的不同需求。

2.4 醫院建筑中的應用

不同病人不同的環境溫度要求，該系統可滿足不同病房的需求，其原理同賓館酒店。同時由于各空調機單獨設置，不會因為用同一個主機系統造成交叉感染。因此該空調機組適合醫院等醫療系統。

3 水環熱泵空調系統存在問題探討

3.1 建筑余熱不足問題

水環熱泵空調系統是余熱利用的典型，只有當建筑物內區有大量余熱且周邊區需要供熱，才能通過水環熱泵空調系統將建筑物內區的余熱轉移到需要熱量的周邊區，從而達到回收建筑物余熱、節約能源的目的。如果建筑物的內區面積小，建筑物的余熱量也較小的情況下，則要增設鍋爐，補充熱量。然而，將鍋爐的高位熱能加熱水循環環路中的循環水使之成為與室溫相差無幾的低溫熱源，再由水/空氣熱泵機組消耗電能將其提升到高位熱量向室內供暖，這本身就是不合理的。但是寫字樓、公寓、商業建筑存在大量的分散租房或出售，開發商為便于管理，希望將空調使用費大部分放在末端，減少主體的運行費用及其分攤的矛盾糾紛，也減少初投資費用，水環熱泵空調確是比較適合的系統模式。

解決建筑物內余熱不足這個問題的途徑，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、排放廢水等)、土壤、空氣均可作為水環熱泵空調系統的外部能源，廠礦生產廢熱水、冷卻水亦可作為外部補充熱源。地下深井水通過抽水井、回灌井的不同轉換，即實現了所謂的“冬灌夏用”和“夏灌冬用”，利用其作作低位熱源，解決了我國建筑物內余熱少、無法正常使用傳統的水環熱泵空調系統的問題。此外，有的學者提出一種空氣/水熱泵與水/空氣熱泵耦合雙級熱泵供暖系統。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，達到供暖目的。通過廉價的輔助熱源來解決建筑物內余熱不足的問題，拓寬水環熱泵空調系統的應用范圍。

3.2 供冷中的經濟性問題

小型水/空氣熱泵機組的的制冷性能系數COP比風冷熱泵機組要高，但小于大型冷水機組，如何提高水環熱泵空調系統在供冷中的經濟性這個問題對于節能尤為重要。

該問題可在空調系統設計中采用混合系統的形式加以解決。混合系統是指水/空氣熱泵機組同其它空調設備(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。對于固定的或大量的冷負荷場所選用大型冷水機組進行全年供冷，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，大型冷水機組的冷凝熱排入水環熱泵的水環路中，作為周邊區小型水/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，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，向周邊區供冷或供熱，也是一種值得注意的混合系統形式。

3.3 管路水力平衡問題

水環熱泵機組要求流量恒定，一旦水流量小于機組要求，必然導致機組跳機，無法使用。為保證各機組流量達到要求，加大系統流量，必然導致能耗增加，不可取。如設計施工不合理，將有一定比例機組不能順利啟動。在一公寓水環熱泵空調系統實際調試中，有6%左右的機組出現故障;在具體分析后發現設計管路時有部分疏忽，支干管局部不合理;施工時也有問題，管內雜物未清理干凈，支管三通施工工藝不合理，局部阻力大于設計要求。

水環熱泵系統在管路與風機盤管系統有一定區別，風機盤管在水流較小時其效果稍差，可以使用，但不會停機。設計時應仔細考慮環路間水力平衡，在經濟合理的前提下采用同程系統，各分支環路不宜過大，環路間進行平衡計算，必要時設置平衡閥。通過設備廠家的性能參數發現，設備冷量小的阻力小，冷量大的阻力大，如果在同一管路相近位置設型號相差比較大設備，其流量與要求的設備流量恰恰相反，實際中如果同一干管管路中大量存在型號相差比較大設備混合配置，必然導致大機組水流量不足幾率增加。因此，水環熱泵系統設計時，在同一管路中盡量采用同一機組型號，同時盡量設置電磁閥，當機組壓縮機停機時切斷水流。施工時應嚴格施工工藝，綜合管線應布置合理，減少管路彎頭等。

3.4 機組噪聲問題

小型水/空氣熱泵機組安裝在室內，熱泵機組內部的壓縮機和風機將會成為一個很大的噪聲源，處理不好就無法滿足室內環境的噪聲標準要求。大型機組及整體機噪聲較大，在噪聲要求較嚴格的場所應按廠家樣本噪聲值對照允許值采取相應措施。

設計時應盡可能將壓縮機部分放置于衛生間、走道等次要房間，大型機組應設于專門機房或非經常使用房間內。對于公寓、賓館等有夜間休息房間內盡量選用分體式熱泵機組。機組安裝時應設置減震膠墊，機組大于10 kW時應采用預應力阻尼型彈簧減震吊架;機組下方安裝隔聲板，噪聲要求較嚴房間設隔聲腔。對于風管部分應加設消聲箱、消聲彎頭，機組與風管采用軟接連接等。實踐表明，如果在工程建設中能夠正確對待噪聲問題，采取合理措施，完全可以滿足室內環境噪聲標準要求。

4 結束語

(1)水環熱泵空調系統屬熱回收系統，應當根據各個地區、各個建筑物的特點，建筑物余熱情況，綜合分析確定是否采用水環熱泵空調系統。

(2)太陽能、地下水、工業廢水等與水環熱泵組成的系統是一種節能系統，使內部余熱小或無余熱的建筑物也可以采用水環熱泵空調系統節能，可拓寬水環熱泵空調系統的應用范圍，應用前景廣闊，節能潛力大。

(3)水環熱泵對水流量、噪聲要求較嚴，設計施工時應充分考慮其特點，減少、避免故障發生。只要我們合理設計、規范安裝、靈活管理，水環熱泵空調系統就一定能發揮出它既有的經濟、節能、環保等優點。

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