所謂水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型的水/空氣熱泵機(jī)組的一種應(yīng)用方式。即用水環(huán)路將小型的水/空氣熱泵機(jī)組并聯(lián)在一起，形成封閉環(huán)路，構(gòu)成一個以回收建筑物內(nèi)部余熱為主要特點(diǎn)的熱泵供暖、供冷的系統(tǒng)。
一、水環(huán)熱泵的基本形式和工作原理
典型的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)(見圖1)由三部分組成：(1)室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機(jī)組，可以是各種形式的機(jī)組，如落地式機(jī)組、立式機(jī)組、水平吊裝機(jī)組等;(2)水循環(huán)環(huán)路，包括循環(huán)水泵和管路，以及管路上的各種調(diào)節(jié)裝置;(3)輔助設(shè)備，如冷卻塔、加熱設(shè)備、蓄熱裝置等。
圖1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理是：在水/空氣熱泵機(jī)組制熱時，以水循環(huán)環(huán)路中的水為加熱熱源;機(jī)組制冷時，則以水為排熱熱源。在同一個水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，有的熱泵機(jī)組在制熱運(yùn)行，有的熱泵機(jī)組在制冷運(yùn)行。制熱運(yùn)行的機(jī)組從循環(huán)水中吸收熱量;制冷運(yùn)行的機(jī)組向循環(huán)水排放熱量。當(dāng)熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行的吸熱量和制冷運(yùn)行的放熱量基本相等時，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi)，此時系統(tǒng)高效運(yùn)行。而當(dāng)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制熱運(yùn)行的吸熱量小于制冷運(yùn)行的放熱量時，循環(huán)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(huán)環(huán)路的水溫度降低，到一定程度時需要通過輔助加熱設(shè)備吸收熱量。
二、水環(huán)熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)
2.1 費(fèi)用低廉 節(jié)能環(huán)保
按水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在建筑物中的用途，它屬于熱回收式熱泵系統(tǒng)屬于環(huán)保納o。在室外氣溫較低時，建筑物的周邊需要額外的熱量來維持室溫;與此同時，建筑物的內(nèi)區(qū)為存在發(fā)熱(如照明、設(shè)備、人體等散熱)而需要降溫。水環(huán)熱泵空凋系統(tǒng)通過同時連通建筑物外區(qū)和內(nèi)區(qū)的水循環(huán)環(huán)路，從而可以將內(nèi)區(qū)產(chǎn)生的余熱轉(zhuǎn)移到外區(qū)，在對內(nèi)區(qū)供冷的同時對外區(qū)供熱，不存在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)在同種情況下的冷熱量抵消所造成的浪費(fèi)。當(dāng)建筑物需要你同時供冷或者供熱時，采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用與常規(guī)空調(diào)相比最多可減少至50%左右。與昂貴的四管制風(fēng)相比，更節(jié)省了管道系統(tǒng)的初投資。
2.2 控制靈活分戶計量收費(fèi)
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)通常采用的都是室內(nèi)的設(shè)備，根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的大小分別安裝在各個房間內(nèi)。每個房間的用戶可以根據(jù)室外溫度的變化和各自不同的要求，在一年內(nèi)的任何時問隨意進(jìn)行房間里的供暖或供冷的調(diào)節(jié)，而不會影響到其他房間的溫度。水環(huán)熱泵的運(yùn)行電費(fèi)完全根據(jù)用戶實(shí)際使用的情況單獨(dú)計量。水環(huán)熱泵可以分區(qū)域使用，不使用就無需交費(fèi)。
2.3 運(yùn)行可靠 維修簡單
冷卻水系統(tǒng)簡單，維護(hù)人員少，無論是對開發(fā)商、用戶，還是對物業(yè)管理人員來說都十分有利。
2.4 分期、分批購買減輕資金壓力
對于業(yè)主來說，如果采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，就必須一次購齊冷水機(jī)組及其他設(shè)備，往往造成很大的資金壓力。而水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)只需先安裝水循環(huán)系統(tǒng)，水/空氣熱泵機(jī)組可以分期投資、分批建設(shè)，甚至可以在用戶入住前逐層安裝，其投資回報效益高、見效快。
2.5 節(jié)省機(jī)房有效控制成本
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于沒有冷水機(jī)組，不再需要制冷機(jī)房。節(jié)省了寶貴的主機(jī)占地面積，使成本得到有效控制。
三、工程案例
湖南某工程位于湖南省長沙市芙蓉路上，總建筑面積73 153m2，其中地下1層，地上1 9層，建筑高度65m，1~3層為商場，4層以上為住宅。商場部分面積約28 500m2，按全空調(diào)設(shè)計。由于甲方也是使用方，因此甲方根據(jù)使用要求對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提出以下要求：(1)商場將來可能出租或出售，空調(diào)系統(tǒng)要求便于靈活分割;(2)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行很計費(fèi)要方便，保證各單位的獨(dú)立使用。
根據(jù)甲方的要求湖南星澤安裝設(shè)計人員為商場空調(diào)提供了兩個方案：(1)商用風(fēng)冷分體機(jī);(2)水環(huán)熱泵系統(tǒng)。
由于商用風(fēng)冷分體機(jī)對建筑外立面影響較大，相對于福州的氣象條件其制冷效率較低，所以最終選擇了水環(huán)熱泵系統(tǒng)。該商場單層建筑面積約9 500m2，存在大量內(nèi)區(qū)，從福州的氣象參數(shù)分析出每年12月、1 ~3月建筑外區(qū)需要加熱，內(nèi)區(qū)需要制冷，符合采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的條件。根據(jù)計算，該工程水環(huán)熱泵機(jī)組夏季總制冷量為5 637 kW，系統(tǒng)夏季冷卻水供回水溫度為32℃/37℃，經(jīng)過板式換熱器后循環(huán)水供回水溫度為33℃/38℃。冬季內(nèi)區(qū)余熱為549 kW，外區(qū)的需熱量為306 kW，內(nèi)區(qū)的余熱完全能滿足外區(qū)的加熱，所以不需要設(shè)輔助熱源。另外對于循環(huán)水路來說，外區(qū)的熱泵機(jī)組的吸熱量為586 kw，內(nèi)區(qū)熱泵機(jī)組的放熱量為1 236 kW，當(dāng)循環(huán)水溫度在15~35℃時機(jī)組可以正常運(yùn)行，不用啟動冷卻塔;當(dāng)循環(huán)水溫高于35℃時開啟冷卻塔降溫。該工程在19層屋面設(shè)置4臺450 t/h方形橫流冷卻塔，相應(yīng)采用四臺冷卻水泵，冷卻水管路1，2層小型吊裝水源熱泵機(jī)組采用同程式，3層水冷柜機(jī)采用異程式(見圖2)。
根據(jù)使用功能，l，2層小商鋪采用小型水源熱泵機(jī)組，3層大商場采用全空氣低速空凋系統(tǒng)(水冷柜機(jī))。新風(fēng)與回風(fēng)混合經(jīng)機(jī)組處理后直接送入室內(nèi)。熱泵機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷(見圖3)。
圖3 1層平面示意圖
該方案完全滿足了甲方的使用要求，計費(fèi)方面只有冷卻塔和冷卻水泵屬于公共分?jǐn)偟牟糠?，而這部分用電在空調(diào)用電里面是很小的一部分，其他大部分用電都在末端用戶，充分實(shí)現(xiàn)了用多少收多少。出租部分可按租戶需要改變末端形式，或預(yù)留冷卻水接口，而設(shè)備由租戶自行安裝，這樣還可以降低甲方的初投資，避免出租率低時的經(jīng)濟(jì)損失。
四、設(shè)計中需要注意的問題
我國各地的建筑形式與特點(diǎn)各不相同。那么，在什么樣的場合里選用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)才能收到到最佳的節(jié)能效果和環(huán)保效益呢?首先，建筑物存在大量的內(nèi)區(qū)負(fù)荷，這點(diǎn)商場建筑基本都滿足。如果內(nèi)區(qū)余熱不足，則應(yīng)該考慮采用輔助熱源系統(tǒng)，這在北方一些地區(qū)的水環(huán)熱泵系統(tǒng)中較常見。其次，小型的水/空氣熱泵機(jī)組安裝在室內(nèi)，熱泵機(jī)組內(nèi)部的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)將會成為一個很大的噪聲源，所以在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備作降低噪聲的計算，加裝消聲器，降低風(fēng)管風(fēng)速，盡量不將主機(jī)安裝在人員密集或環(huán)境噪聲要求高的區(qū)域。最后，在施工安裝階段，應(yīng)采取減振支吊架，設(shè)備、風(fēng)管及其接縫處要密封，防止噪聲經(jīng)過墻、樓板或地板傳遞。
對于商場建筑來說，其特點(diǎn)是使用單位較多、內(nèi)區(qū)發(fā)熱最大。水環(huán)熱泵是一種很好的空調(diào)解決方案，采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是解決暖通空調(diào)系統(tǒng)能源與環(huán)境問題的有效措施之一。只要合理設(shè)計、規(guī)范安裝、靈活管理，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)就一定能發(fā)揮出它既有的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在國家日益重視建筑節(jié)能的今天，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能潛力和廣闊的應(yīng)用前景。
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