风冷热泵和水源热泵空调系统的设计和.pdf

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1、风冷热泵和水源热泵空调系统的设计和应用Design and Application of AC System s w ith W ater SourceHeat Pump U nits or A ir2cooled Heat Pump U nits林康立(中国东联石化集团扬子石油化工设计院江苏210048)摘要 本文分析了风冷热泵和水源热泵空调系统的特点、应用条件和设计应注意的几个问题。根据文献和一些工程实例认为,风冷热泵适合于中小型工程之用;水源热泵的效率更高,应用范围更广,适合于大、中型集中空调之用;如有余热、废热可用,均可达到节能等目的。两种热泵均应在中央空调系统中推广应用。关键词风冷热

2、泵水源热泵空调系统设计要点1概 述近几年来,在我国热泵空调技术的应用,方兴未艾。热泵空调以其占地少、使用灵活、节能、自动化程度高以及可以同时供热和供冷、一机两用等明显的特点,为广大空调制冷同行所重视。热泵空调技术的应用为打破目前国内空调方式和系统过分单调、风机盘管加新风这种方式“一统天下”的局面,起了很好的作用。也为我国空调事业与国际“接轨”、走向世界提供了帮助。广义上说,凡是可以在低温环境下吸取热量,并将其能位提高后,向高温环境输出热量的装置或机械都可以称作“热泵”。热泵有机械式、吸收式、化学吸附式、蒸汽喷射式以及化工热力泵之分。就机械式热泵而言,热泵也就是一个“制冷机”,只是着眼于利用高温

3、端的放热为目的的一种实行工质逆循环过程的机械。以其传递的热媒种类和途径来划分,有空气-水、空气-空气、水-空气、水-水四种。本文所讨论的风冷热泵,是指空气-水型的,即利用空气为吸热的源泉,通过机械做功,输出热量,解决中央空调系统的冷、热水供应。本文所讨论的水源热泵,当属水-空气型,即利用封闭的水系统和若干个水源热泵机组,构成一个水环热泵空调系统(WLHP),当水源热泵机组在供冷或送热风时,可把热量排入水系统中或从水系统中吸收热量。该水系统成为整个空调系统的“热源”或“热汇”。2风冷热泵空调的特点和应用1.特点:风冷热泵以室外空气为其“热源”或“热汇”,其应用受到地理环境和气象条件的限制。优点是

4、不用水冷,省去了由冷却塔、水泵及管道组成的冷却水系统,对缺水的地6制冷RefrigerationNo.11998(Vol162)1998年第1期(总62期)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.区,还有节水的好处,也免除了因水质不良对制冷机组运行管理的影响;因风冷,也带来了两个问题:供热运行时可能要加设辅助热源及其经济性和机组换热器翅片上的结霜以及融霜对运行的影响。风冷热泵的应用条件为:(1)冬季室外空调计算温度应为-10以上,机组蒸发温度-8的运行时间小于110h;(2)适合于中小型的空调工程

5、,即建筑(空调)面积在1115万m2以下;(3)冬季空调热负荷较小(或夏季冷负荷值是冬季热负荷值的115倍),供暖期较短;(4)冬季空气湿度较低,即每年累计除霜时间5001000 h,每公斤空气累计除霜量720 kg的地区。具体来说,在我国东经105125、北纬27503250 的长江中下游地区内应用,可以收到满意的效果。但以上的条件也不是绝对的,之所以限定条件,无非是从节能(不用或少用辅助热源)及保证机组稳定运行(消除机组频繁除霜造成多耗能及热水出水温度的波动)出发,但随着风冷热泵自身性能的改善、合理匹配风冷和水冷机组、充分利用余热、废热作为辅助热源以及建筑外围护物保温性能改善(例如目前流行

6、外墙面砌贴泡塑材料和双层真空玻璃窗),其应用的区域范围和对象也会越来越广。目前东北、华北、西北及南方均有风冷热泵的空调工程实例。有的风冷热泵已可以运行在-15的外气环境下。一般来说,风冷热泵对外气的适应范围为:25 40制冷;-15 25供热。2.风冷热泵的耗能及经济性:衡量风冷热泵的耗能有下列几个指标:(1)全负荷下的COP值:目前国外推荐的值为12?7冷水工况,外气温度35时,COPC=217;40?45热水工况,外气温度2时,COPH=218。一般可根据制造厂家提供的性能曲线或数据,按实际的外气温度及冷、热水工况来选取机组型号及耗能指标。但应注意,一般厂家提供的供热数据中,未计算除霜时的

7、热量损失,选用时应适当考虑安全系数值。风冷热泵机组出水温度高、低特别影响COP值,但不论何种主机,出水温度对COP的影响,冬季(供热)要比夏季(制冷)大得多。(2)部分负荷下的COP:COP=5COP。值是机组运行负荷率q%与耗功率N%之比值,该值有可能大于1,因而COP 有可能大于COP。(3)供热季节性能系数HSPF及供冷季节性能系数SEER。该两系数均指机组的出力和 之比。讨论经济性,必然涉及一次投资和运行费用。虽然目前风冷热泵机组价格是水冷冷水机组的一倍,但考虑了冬季供热时,可省去锅炉;夏季制冷时,可省去冷却系统;因设备减少,占地少,配管也简化了,那末风冷热泵空调系统可以与水冷机组加锅

8、炉的空调系统的一次投资相当,有的工程总结中认为可比常规低25%投资。运行费用涉及能耗大小及各种能源(电、油、煤、燃气及水资源)的价格高低。如果避开各地区、各单位人为造成的价格高低这个敏感的问题,单从节能角度看,应该说能量利用率越高,运行费用越低,社会效益越好。能源的全能量利用系数E=ABCOPH,式中A为发电效率;B为输电效率;COPH为风冷热泵机组供热时的性能系数。7林康立:风冷热泵和水源热泵空调系统的设计和应用 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.若A=013,B=019,则E=0127

9、COPH,若COPH可达到3,则E值为0181。一般小区供热和集中供热时,E分别为0165或0175。这对于风冷热泵机组来说,其COPH只要达到2140或2180即可与之相当,应该说,此值是不难达到的。3水源热泵空调的特点和应用1.特点:水源热泵空调系统从其由一个封闭的双管水系统和若干个型式各异的水源热泵所构成,即可看到其特点。一个封闭的双管水环成为中央空调的“热源”和“热汇”,有时同时既成为“热源”又是“热汇”,就可以使整个空调系统正常运行,也为充分利用建筑物内的热量或其他余热、废热,连接辅助热源和排热设施(冷却塔)提供方便。当水温高于35时,利用与之直接或间接连接的冷却塔,向外排热;当水温

10、低于15时,利用辅助加热设备对其加热。外部气象环境对空调系统正常运行的影响要比风冷热泵小。二是利用众多型式各异的自身具有压缩制冷机组的水源热泵,把整个空调系统的用电量“化整为零”,有利于电的供应,也便于物业管理(可实行分户计电计价,而用户用电约占整个空调系统的9293%)。由于采用水冷,无论夏季制冷、冬季制热,水源热泵的COP值都比风冷热泵高,尤其是冬季制热的COP值大于风冷热泵,这使得热泵空调的优点更为突出:节能、简化流程、减少占地、应用灵活、管理方便、设计简捷。必须强调的是,水源热泵空调的出现和赖以存在、发展的最大因素是“具有热回收功能”,最本质的优点是可以利用供冷房间(区域)排放的冷凝热

11、来加热需供热的房间(区域),从而提高了建筑物内部的能源利用系数。2.应用:根据水源热泵空调系统的热回收功能出发,其应用的范围是:(1)气候适中、冬季不太冷而需要供暖的地方,或阳面需要供冷而背阴面需要供暖的建筑;(2)建筑体型大,有明显的周边区和内区,而且内区面积要大于周边区或相当;(3)适用于冬季内区热负荷较大的商场,白天热负荷较大、人员集中的办公楼建筑。如有洁净的江河水或废水余热可利用的地方也适合于水源热泵的应用。诚然,若不考虑经济性、或有额外的余热余冷可利用的话,水源热泵空调系统应该说可用于全国大江南北。4风冷热泵空调系统的设计要点图1是一个典型的以风冷热泵为主机的中央空调系统。风冷热泵空

12、调系统的设计关键有四个方面:1.如何按最佳平衡点温度(即风冷热泵的供热量等于建筑物耗热量时的室外计算温度值)来选用热泵,是否增设辅助热源,用何种辅助热源,用多大容量,这一些是影响热泵运行经济性的重要问题。室外温度在平衡点以上,机组可减负荷运行(台数调节或小型机组可用变频调节);室外温度在平衡点以下,则要加辅助热源。供热设计负荷与热泵额定工况(冬季额定工况是入口水温40,出口水温45,空气侧干球温度7,湿球温度6)下供热量之比称为热泵供热系数,此值一般为015115,而经济值为016。若取016来设计,则有40%的设计供热量由辅助热源提供。也有推荐0175 kW?1kW机组电功率来选配辅助加热器

13、,厦门国本公司提出0117 kW?1kW设计供热量来选配辅助加热源。辅助热源一般用电加热器,8制冷RefrigerationNo.11998(Vol162)1998年第1期(总62期)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.也有用煤气、燃油的,如有蒸汽或余热时,则更为经济。必须注意,除冬季供热要用辅助热源外,为防止冬季机组停车时,冷冻机油中注入冷媒,必须用电加热曲轴箱中的油,这样约要多消耗1%的电力。2.防霜与除霜:目前常用的防止结霜的方法有增设辅助室外换热器或氟利昂加热器等。常用的除霜方法有旁通

14、热气流除霜、转换工况热气反冲除霜和空气除霜等。转换工况可以用电子膨胀阀,特别推荐用脉冲电子膨胀阀。除霜必然引起能耗加大和热水温度的波动,因此,除选择性能好的风冷热泵机组(良好的盘管传热效果及易于除霜)外,还应合理安排除霜周期、除霜温度控制与感温包的位置。在选用机组时,还要考虑除霜的额外能耗(约加大510%)。3.对冷(热)水系统的设计要求:(1)不推荐采用VWV系统,必须确保通过风冷热泵冷水机组水流量的恒定;(2)为保证制冷量达到要求,必须保证水温差在5;(3)推荐采用一机一泵的做法,不宜采用多台泵并联后再分配至各台机组的做法;循环水泵的扬程不宜过高,一般水输送系数可在40以上;(4)应进行水

15、系统水力平衡计算以及可用加平衡阀进行管路的水力平衡。4.安装位置及噪声控制(1)安装位置:风冷热泵机组应尽可能布置在室外,进风应通畅,风速不应太大(34 m?s),排风则不应受到阻挡,尤其是出风口的上方不应有阻挡物(如防雨顶罩、楼板等),否则会产生排风气流短路、热保护动作而停机。如机组放在室内,也应将进风和排风隔开,进、排风均通畅而不短路;或更换风机,提高排风风速,并用风道将排风引至室外。(2)注意控制噪声:单台风冷热泵的噪声达6575 db(A),已超过了城市环境噪声控制标准,如台数多,噪声会叠加递增,即使放在室外或裙楼顶上,如在居民密集区域内也会“扰民”。因而,机组设计台数不宜太多(45台

16、以下),并以布置在室外为宜。图1图29林康立:风冷热泵和水源热泵空调系统的设计和应用 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.5水源热泵空调系统的设计要点图2是一个典型的水源热泵空调系统。由四个部分组成:室内各种不同形式的水源热泵空调器;闭式水环系统;辅助设备(冷却塔、辅助加热器、水-水换热器等);新风与排风以及全热交换系统。1.应用条件的正确选定和热回收的实施:首先是验证该空调建筑是否符合前述的应用水源热泵空调的条件,如不适合,勉强用之,必然造成能耗大,系统设计不合理。其次要:(1)在负荷计算上

17、,分清内、外区各自冷、热负荷的大小和如何正确利用。应采用空调动态负荷计算程序计算各空调房间夏季设计日的最高小时冷负荷和冬季设计日的最高小时热负荷,而且还要计算出各空调房间全部逐时冷、热负荷值。(2)注意新风与排风之间的余热(余冷)的利用,并使置于各空调房间的水源热泵机组的进风参数达到产品样本中的要求值(一般规定,夏季 15)。(3)如建筑中,有配电间、大型热设备,会有大量的热产生,应加以回收,并去加热水环中的循环水。(4)应尽量利用江河湖泊等天然的水源,在石化、化工、钢铁、发电等大型企业中,都有大量的低位热能(热水、蒸气、循环冷却水回水等等)产生,也应尽量加以利用,但是必须注意这些热源的水质改

18、善。2.水环的设计:水是水源热泵提供热量和排除热量的介媒,水环系统由冷却塔、换热器、蓄热箱、辅助加热器、泵及相应管路组成。水环水温控制范围一般为1535。在此温度范围内,毋须开冷却塔或辅助加热器,而水温上下之差越小,则水源热泵的运行越稳定,其制冷能力和供热能力也均可提高。水环设计应注意下列问题:(1)水环一般有开式间接和闭式两种。都是采用双管泵机械循环制式。所谓闭式,既采用闭式冷却塔,水不与外界接触,可保证水质。但封闭式冷却塔设备费用高,国内生产的也很少,因而目前更多地采用开式冷却塔间接连接方式,即水环的水与经冷却塔的水通过水-水换热器间接相连并进行换热降温。这样用常规的设备比较容易实施,但又

19、多了一个冷却水系统。上述两种方式应进行技术经济比较后选定。(2)为了缩小辅助热源的容量,充分利用夜间廉价的电力,也为了克服内、外区的水源热泵之间热量转移的不平衡性,保证水温的稳定,还可采用蓄热装置。蓄热水箱的容积以每平方米空调面积1020升容积来计算,或者每冷吨装机容量181升的容积来计算。对于专供冬季使用的低温蓄热水箱,其保温后的传热系数应低于015W?m2;对于冬季使用的高温蓄热水箱,其保温后的传热系数应低于012W?m2。(3)对于水环的循环泵,一般多台并联。若取为三台,两台可选为定流量泵,一台可选为变流量泵。对于水环的调节,一般夏季可用量调节来提高各水源热泵的制冷能力;冬季则应从质调节

20、(提高水温)来增大制热能力。(4)为保证每一台水源热泵机组都得到所需的水流量,其水系统必须设计成同程;每一01制冷RefrigerationNo.11998(Vol162)1998年第1期(总62期)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.个分支管路上最好加上平衡阀,而管内流速应为2 m?s左右。3.水源热泵的选择:注意不能简单地套用样本,必须进行验算。国内、外生产厂家很多,但性能和质量相差很远,必须认真选择。选用时注意:(1)选用能效高的产品。目前国外产品,每台机组制冷量11933613 kW;

21、供热量21314619 kW。制冷能效比EER在21764116;供热能效比COP在3135。应在价格合理的前提下选用能效比大的产品。(2)应按实际室温与水环进水温度来选用机组。(3)都要按最大的制冷负荷或最大的制热负荷来选用机组。(4)在修正机组的夏季性能数据(制冷量、EER、耗电量)时,其环路水温Ti应按当时夏季外气湿球温度加34来取值。(5)必须考察机外余压能否克服送、回风管的阻力,最好选取余压型的机组。(6)核查每台水源热泵机组与水环的供、回水管相连时,其水压差是否能为机组提供所需的水流量,否则要修改配管。一般水流量为011945 m3?kW(01684 m3?hR t)。4.辅助热源

22、的选用:必须强调的是,水源热泵空调系统中,其热负荷主要由一部分制冷方式运行的机组回收冷凝热来抵销,或者应采用其他的余热、废热来解决。辅助热源只是“辅助”,只提供约1030%的热负荷的热量来弥补系统的热不平衡,也才有经济性可言。辅助热源主要用电加热器。5.新风系统的设置:由于水环热泵空调系统中的所有机组都是循环加热或冷却室内空气的,因而整个建筑必须另行设置新风?排风系统。目前对于大型高层民用建筑设计中,普遍认为现行规范、手册中新风量指标偏小,要求加大至30 m3?h人以上;并认为必须要有良好的排风,才能把新风送到“位”;第三认为新风还是集中设置好;第四就是采用新风?排风之间的全热交换器来回收排风

23、的能量,将送到室内的新风温度达到水源热泵机组所需的进风温度值。为保证新风的品质,对新风进行净化、过滤(初效和中效过滤)。过渡季也进行新风供应。6.噪声的防治:某一水源热泵机组出口风压为68165 Pa(7 mmH2O),经实测,噪声是53 db(A),对此宾馆不能接受,经采取降噪措施至42 db(A)才为业主接受。一般认为出口风压在29142 Pa(3 mmH2O),就必须采取降噪,可在进、出风管上加消音器和将大型机组置于专门房间内。有的认为,只要选用性能质量好的机组,采取上述的降噪措施,其噪声不会比风机盘管高。6结束语以上分析了由风冷热泵和水源热泵所组成的中央空调系统的特点、应用和设计应注意的几个问题。笔者根据目前的文献和一些应用工程实例认为:水源热泵比风冷热泵效率高,其应用范围比风冷热泵更广,适合于大、中型集中空调之用;风冷热泵适合于中、小型工程之用。如有余热、废热可用,并注意热回收的问题,则都可以达到节能、运行可靠、应用灵活的目的。水源热泵空调,更可以“化整为零”,减少电气设计增容量和投资,易于物业管理而为世人瞩目。风冷热泵和水源热泵应在中央空调系统中更多的推广应用。(参考文献略)11林康立:风冷热泵和水源热泵空调系统的设计和应用 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.