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水环热泵空调系统在我国应用中应注意的几个问题--技术市场---关于集中空调、冷冻冷藏、洁净净化、采暖通风、楼宇自控、家用商用的技术市场
水环热泵空调系统在我国应用中应注意的几个问题
  • http://www.rhvacnet.com
  • 2012/1/14
  • 浏览 926 次
  • 摘   要: 所谓的水环热泵空调系统是指小型的水/空气热泵机组的一种应用方式。即用水环路将小型的水/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点的热泵供暖、供冷的空调系统。

     

    关键词: 热泵空调 空气热泵机组

     

    0.引言

     

        所谓的水环热泵空调系统是指小型的水/空气热泵机组的一种应用方式。即用水环路将小型的水/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点的热泵供暖、供冷的空调系统。20世纪80年代初,我国一些外商投资的建筑中采用了水环热泵空调系统,由于这些工程显出:水环热泵空调系统回收建筑物内余热的特有功能:不像传统采暖系统那样会对环境产生严重的当局染;省掉或减少常规空调系统的冷热源设备和机房,便于分户计量和计费,便于安装、管理等优点。因此,90年代,水环热泵空调系统在我国得到广泛的发展。不仅在上海、北京、天津、广州、深圳等大城市中一些工程采用它,而且如佛山、绍兴、惠州、泉州等中、小城市也开始采用水环热泵空调系统。但是,应用中仍存在一定的盲目性。例如,在实际工程中往往忽略了该系统运行工程的复杂性,忽略了系统运行能耗的影响因素,这将会使系统运行的节能效果得不到可靠的保证,有的工程实例中仍存在一些不合理之处;在我国南方不需要采暖或供热量很小的工程中采用水环热泵空调系统等。之所以如此 ,除了设计经验不足之外,更重要的缺乏对该系统的深入了解。因此,为了我国更好地推广和应用水环热泵空调系统,有必要对水环热泵空调系统在我国应用中的几个值得注意的问题再作一下简要的说明。

     

    1. 合理选择水环热泵空调系统的应用场所,充分体现出它的节能和环保效益

     

        众所周知,水环热泵空调系统是回收建筑物内余热的系统,它的节能效果和环保效益是与气象条件、建筑特点及辅助热泵形式(电锅炉、燃煤锅炉等)等因素有关的。而我国地域辽阔、东西地区、南北地区气象条件差异很大。各地实际的建筑形式与特点也各不相同。那么,在什么样的场合里选用水环热泵空调系统才能收到最佳的节能效果和环保效益。这是我们应用水环热泵空调系统时,首先要注意的第一个问题。

     

        文献资料(1)、(2)、(3)曾分析过这个问题,提出系统运行能耗的静态分析法和运行能耗的计算机动态分析法等。据此,对水环热泵空调系统在我国哈尔滨、北京、上海、广州四个城市气象条件下不同负荷特点的建筑物中的运行能耗进行了综合分析,初步得出了水环热泵空调系统在我国应用的评价,其实质可定性的概括为:

     

     (1)水环热泵空调系统中的水/空气热泵机组全年绝大部分时间按制冷工况运行的场合,与使用风机盘管系统相比,一般来说是不节能的,相应也无环保效益。这是因为小型水/空气热泵机组的制冷系数(cop值)比大型的冷水机组要低,通常,小型水、空气热泵机组供冷时cop值为2.86-3.63;而螺杆式冷水机组一般为4.88-5.25,有的可高达5.47-5.74。离心式冷水机组一般为5.00-5.88,有的可高达6.76。因此,在我国南方一些城市(如广州)不宜选用水环热泵空调系统。
     (2)在建筑物有余热的条件下,水环热泵空调系统按供热工况运行时,才具有节能和环保意义。因此,在建筑物内区有余热,外区需要用热二者接近的场合,其节能效果才好,而且这种情况持续的时间越长的地区,越适合应用水环热泵空调系统。
     (3)目前,建筑物内部负荷不大,常规空调热源为燃煤锅炉,上海、北京是较适合水环热泵空调系统的地区。
     (4)北方地区在建筑物内区面积大,而内区的内部负荷又大(要求北方建筑物内余热量要比南方同样建筑内的余热量大)的场合使用水环热泵空调系统是十分有利的,这是由于水空气热泵机组按热泵工况运行时间(采暖期),比南方地区要长,因此,它更具有节能和环保意义,但是,若建筑物内无余热或余热很小,远远满足不了外区采暖所需的热量时,采用水环热泵空调系统,势必要用锅炉的高位能中热环路中的循环水,变为低温热源,再由水/空气热泵机组消耗电能将循环的低位热提升到高位热量,向室内采暖,这种用能方式是十分不合理的。这种场合应用水环热泵空调系统是毫无意义的,甚至比风机盘管系统的耗能要大。
    2.向系统引入外部低温热源,拓宽水环热泵空调系统的应用范围
      从上面的分析,明确的告诉我们:只有建筑物有大量余热时,通过水环热泵空调系统将建筑物内的余热转移到需要热量的区域,才能收到良好的节能效果和环保效益。但是,目前我国各类建筑内部余热不大,建筑物的内区面积又小。而且,常规空调热源又常为燃煤锅炉。由于这种情况制约了水环热泵空调系统在我国的应用范围。解决这个问题的途径,就是由建筑物的外部引进低温热源,以替代建筑物内的余热量。太阳能、水(地表水、井水、河水等)、土壤、空气均可作为水环热泵空调系统的外部能源。

     

        可喜的是,2000年全国暖通空调制冷年会上已有“太阳能水环热泵空调系统在我国应用的预测分析”、“水环热泵与未利用能”等论文中都论述了这个问题。提出用太阳能、矿井水、冷却循环水作为低温热源的水环热泵空调系统。大连电力大厦的设计是采用该地区热电厂冷却水作为外部的低位热源的水环热空调系统。

     

        最近,我们提出一种空气/水热泵与水/空气热泵耦合双级热泵供暖系统。该系统在寒冷地区,用空气源热泵冷热水机组制备10℃-20℃低温水,通过水环路送至室内各个水/空气热泵机组中,水/空气热泵再从水中汲取热量,直接加热室内空气,以达供暖目的,其系统的主要特点有:

     

     (1)系统与传统的供暖模式相比,它是一种仿效自然生态过程物质循环模式的部分热量循环的供暖方式。使用这种新系统可实现能源、供暖和环境的协调发展。传统的供暖模式是一种“热源消耗高位能、向建筑物室内提供低温的热量、向环境排放废物(如废热、废气、废渣等)”的单向性的供热模式。随着人们生活水平的提高,人们对建筑供暖的要求愈来愈高,使建筑物能耗急剧增长,也愈来愈严重造成了对环境的污染。因此,人们开始认识到现有的这种单向性的供暖模式在21世纪里已无法持续下去,而应当研究替代它的新系统。
     (2)建筑热损失散失到室外大气中,又作为空气源热泵的低温热源使用了,这样,可以使建筑供暖节约了部分高位能,同时,也不会使城市中的室外大气温度降低得比市郊区的温度还低,从而减轻了建筑物排热对环境的影响。
     (3)空气源热泵冷热水机组由正常提供50℃热水改为向用户提供10℃-20℃的水,以此来解决机组在寒冷地区运行时压缩比过大的问题。
     (4)通过水/空气热泵直接加热室内空气,以减少热量在输送转换过程中的热损失。

     

    3.采暖混合系统,进一步提高水环热泵空调系统的节能效果和环保效益

     

        上面已经指明,小型水/空气热泵机组的制冷性能系数(cop值)远小于大型冷水机组的cop值。若建筑物内区较大,全年要求供冷的话,这意味着内区的水/空气热泵机组将全年按制冷工况运行。如何提高这部分系统的供冷的经济性是设计中值得注意的问题

     

        资料(7)提出混合系统。所谓混合系统是指水/空气热泵机组同其他空调设备(如冷水机组、单元柜式空调机等)共同组合而成为全新的空调系统。

     

        离心式冷水机组的水环热泵混合系统对于固定的或大量的冷负荷场所(如大型办公楼的内区)选用大型离心式冷水机组进行全年供冷,这样提高了系统供冷时的效率,使系统供冷时比小型水/空气机组供冷时节约大量的运行能耗,从而使整个系统更有节能和环保意义。而对于既有冷负荷又有热负荷的周边区,设置水源热泵系统夏季供冷,冬季供暖。系统在冬季运行时,大型离心式冷水机组的冷凝热排入水环热泵的水环路中,作为周边区水/空气热泵的低温供暖源,保持了水热泵空调系统回收建筑物内余热的基本特点。从而节省了周边区供暖的高位能。

     

        同样,为了提高系统运行的经济性,在建筑物内区设置单元式空调机组(水冷),向内区供冷,而周边区设置水/空气热泵机组,向周边供冷或供热,也是一种值得注意的混合系统形式。

     

    4.正确设计水环热泵空调系统

     

    4.1 水/空气热泵机组容量的确定

     

        在确定建筑物内各个区域(或每个房间)水/空气热泵机组容量之前,同中央空调设计一样,先计算建筑物供暖和供冷负荷,它是正确选择室内水/空气热泵容量大小的依据。选择应注意:

     

     (1)同一台室内水/空气热泵机组的容量(制冷量或制热量)主要取决于蒸发温度和冷凝温度等运行工况,而这些参数又受机组外部条件的制约。也就是说,室内水/空气热泵机组制冷量(或制热量)的大小是机组进风参数、水环路进水温度、机组水量等参数的函数。因此,设计时我们按实际运行中工况(实际设计的室温和环路进水温度)来确定水/空气热泵机组的容量。对样本上给定的额定制冷量和额定制热量,要根据实际室温和环路进水温度等数据进行修正。
     (2)通常,将从室内水/空气热泵机组的总制冷量中减去风机电动机的输入功率后的值称为机组的计算净制冷量。机组的计算净制冷量才是真正能消除室内余热的部分。
     (3)选择机组的型号和台数时,对周边区的房间来说,室内水/空气热泵机组应同时能满足冬、夏季设计工况下的要求。对内区房间来说,水/空气热泵机组仅按夏季设计工况选取。

     

    4.2 机组风道的设计

     

        室内水/空气热泵机组均为余压型机组,因此,无论立式还是卧式机组且都接有送风风管及送风口等,将空气送到被调房间人们居住、工作的区域,来创造一个健康而舒适的建筑环境,为达到此目的,设计水/空气热泵机组风管时,应注意:

     

     (1) 厂家的样本常人出机外余压值。也就是说,样本上提供的风量是与机外余压相关的。因此,设计中要根据机组提供的机外余压值的大小来设计机组风管尺寸,否则将会影响机组的送风量。
     (2)一般来说,机组的机外余压不大,因此,风道中风速不宜过大,一般为2-3m/s。机组风管多为低压短风管。

     

    4.3 加热设备

     

      建筑物周边的水/空气热泵机组在冬季供热工况运行时,机组从水环路中吸取热量,如果内区的机组向环路释放的热量少于周边区从环路吸取的热量时,环路中的水温将会下降,当水温降至13℃时,就必须投入加热设备,将热量加给水环路。为此,水环热泵空调系统设计时,应选用加热设备。
      目前,加热方式主要有两种,一是水的加热设备将外部热量加入循环管理中;二是空气电加热器将外部热量直接加入室内循环空气中。
      但有一点值得注意,用燃油(气)锅炉作为加热设备时,其供水最低温度为60℃,以防烟气中水分在锅炉的冷凝,而出现低温腐蚀。为此,加热设备要与闭式环路并联,通过调节阀使高温的锅炉水与环路回水进行混合,以保证环路水温不低于下限值。同时为了保证通过锅炉的水量恒定不变,而需要加一旁通管路。

     

    4.4 蓄热水箱

     

        在水环热泵空调系统中常设置低温(或高温)蓄热水箱,以改善系统的运行特性。这里应该注意低温蓄热水箱和高温蓄热水箱的作用是完全不同的。

     

        众所周知,典型的水环热泵空调系统通过水环路实现了热量的空间转移(如从内区转向周边区),然而,每时每刻内需要转移的热量与周边所需要的供热量之间很难平衡,为此,水环路可设置一个低温蓄水箱,这样水系统又可实现了热量的时间上的转移。也就是说,内区制冷的机组向环路中释放的冷凝热与周边区制热的机组从环路吸取的热量可以在一天内或更长的时间周期内实现热量的平衡。从而,降低了冷却塔和水加热器的年耗能量。但是,冷却塔和水加热器的容量不能减少,这是因为恶劣天气的持续性往往又要求冷却塔或水加热器按最大负荷运行。

     

        高温蓄热水箱设置的功能是夜间低谷期电能加热水,以供白天用电高峰期用,而不能吸收建筑内区的余热量。高温蓄热水箱内的水一般加到82℃,甚至更高,因此,高温蓄水箱与环路并联,通过三通混合阀把环路水温维持在所要求的最低温度。

     

    4.5 注意设计中的细节问题
     (1)补水与定压问题
     (2)排水与放气问题
     (3)风管的消与保温问题
     (4)凝结水的排除问题等;

     

    5.结束语

     

        采用热泵技术是解决暖通空调系统的能源与环境问题的有效措施之一,这冰是我们长期坚持热泵技术研究工作的根本动力。进入21世纪,随着空调技术的发展,将会成为热泵空调的发展与应用创造良好的机遇,我们将会迎来热泵空调新的兴旺发展期。为此,暖通空调工作者应做好思想准备,加强有关热泵空调方面的研究工作,积极推广应用热泵空调。

     

        水环热泵空调系统作为一种具有节能和环保意义的空调系统,在我国将有广阔 应用前景。因此,本文再次提醒:水环热泵空调系统在我国应用中应注意的一些问题,以期推动水泵空调系统在我国的应用与发展。




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