水环热泵系统在具体项目中的设计及应用

水环热泵系统在具体项目中的设计及应用
摘要：本文概述了水环热泵空调系统的现状，简要介绍了水环热泵空调系统的工作原理，分析了水环热泵空调系统的优点和适用场所，并结合工程实例介绍水环热泵系统在具体项目中的应用及注意问题，供同行业人士参考。

关键词：水环热泵系统；供热；供冷；特点；设计应用
一、水环热泵系统定义及工作原理
1、水环热泵系统的定义
水环热泵系统自上世纪90年代引入我国以来，最初在一些外商投资项目和科研示范项目中开始使用。

由于系统本身优势,近年来得到了很大的推广和应用，北京、上海、深圳等大中城市的许多工程中都出现了它的身影。

所谓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/热泵机组并联在一起，形成一个封闭环路，构成一套回收建筑物内部余热作为其低位热源的热泵供暖、供冷的空调系统。

典型的水环热泵空调系统由三部分组成：
（1）室内的小型水/空气热泵机组；
（2）水循环环路；
（3）辅助设备（如冷却塔、加热设备、蓄热装置等）。

2、水环热泵系统的工作原理
在水/空气热泵机组制热时，以水循环环路中的水为加热源；机组制冷时，则以水为排热源。

当水环热泵空调系统制热运行的吸热量小于制热运行的放热量时，循环环路中的水温度升高，到一定程度时利用冷却塔放出热量；反之循环环路中的水温度降低，到一定程度时通过辅助加热设备吸收热量。

只有当水/空气热泵机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时，循环环路中的水才能维持在一定温度范围内，此时系统高效运行。

二、水环热泵系统的特点优势
一个供冷供热的工程成功与否, 关键在于选择的供冷供热系统是否能很好地符合建筑工程的需求，而水环热泵系统具有如下特点：
1、费用低廉节能环保。

按水环热泵空调系统在建筑物中的用途，它属热回收式热泵系统。

在室外气温较低时，建筑物的周边需要额外的热量来维持室温；与此同时，建筑物的内区为存在发热(如照明、设备、人体等散热)而需要降温。

水环热泵系统通过同时连通建筑物的外区和内区的水循环环路，从而可以将内区产生的余热转移到外区，在对内区供冷的同时对外区供热，不存在常规空调系统在同种情况下的冷热量抵消所造成的浪费。

当建筑物需要你同时供冷或者供热时，采用水环热泵空调系统的运行费用与常规空调相比最多可减少至50%左右。

与昂贵的四管制风相比，更节省了管道系统的初投资。

3、控制灵活分户计量收费
水环热泵机组本身带有温度控制器,每个房间的用户可以根据室外温度的变化和各自不同的要求，在一年内的任何时问随意进行房间里的供暖或供冷的调节，而不会影响到其他房间的温度。

也无需再设控制中心或控制室, 此外还可以选用带远程控制的温控器。

计费时只需按照各分区热泵机组耗电量为基准来计量, 水泵等公共运行费用可根据热泵机组电费来合理分摊或作为固定费用按面积分摊。

4、分批购买减轻资金压力
对于业主来说，如果采用常规空调系统，就必须一次购齐冷水机组及其他设备，往往造成很大的资金压力。

而水环热泵空调系统只需先安装水循环系统，水/空气热泵机组可以分期投资、分批建设，甚至可以在用户入住前逐层安装，其投资回报效益高、见效快。

5、运行维护方便, 系统可靠性高。

水环热泵系统安装方便, 启动高速容易, 设计灵活, 故障率较小,不需配备熟练工程师做日常维修, 即使某个房间的机组出现故障也不会影响大楼内其他用户的使用,具有相当的可靠性。

6、节省机房有效控制成本
水环热泵空调系统由于没有冷水机组，可不需要配置制冷机房。

对于改建工程, 采用水环热泵机组不需新增空调机房、冷冻站机房、不必增加大量的风管, 不易受建筑高度的制约, 只需将循环水引到需要安装水环热泵机组的地方即可。

热泵机组可隐藏在吊项空间内而不占用室内空间。

节省了宝贵的主机占地面积，使成本得到有效控制。

三、水环热泵系统的适用场合
1、有供热需求, 且当部分房间需供热时, 部分房间仍需供冷的工程。

当建筑平面较大有内区存在,且内区长年需要供冷时, 外区的供热可以通过水环热泵系统转移内区的热量来达到。

或者某些房间放有发热量较大的设备, 需要常年制冷时, 水环热泵系统也非常适用。

2、主要需求为供热, 且有一些热源可采用的工程。

比如有地热、地下水、地表水或太阳能等低品位能源可供利用, 该系统的节能和环保效应明显。

如热电厂有废热可作为水环热泵系统的热源使用。

3、供冷供热系统使用随机性较大, 空调系统经常需要小范围运行。

如办公楼、高档餐厅等；或业主看重水环热泵系统的其他特点, 如计费方便、可分期建设、可分区控制等, 依目前发展态势来看，这类工程有逐渐增多的趋势。

四、水环热泵空调系统应用实例
某综合商务楼位于某市繁华的商业大道上, 共分十二层，地下室为车库及设备房, 1～3 层为商铺、餐厅等, 4～12 层为办公区。

本工程建筑面积约22600平米, 空调面积约18400平米, 夏季空调, 冬季通风, 夏季总冷负荷约为3300千瓦。

开发商对空调系统设计要求如下:
1、1～3 层采用独立的空调系统, 4～12 层办公室为另一个空调系统；
2、本工程所有商铺、餐厅、办公室均出租或出售, 必须考虑到夜间营业加班等情况, 要求空调系统运行和计费方便, 保证各单位的独立使用。

根据业主要求,选择了三种空调进行了对比，而后分析选择最佳方案。

结论：
A. 综合能效比较高, 系统档次高, 舒适性好, 但设备、管道较多, 不利于分期设置, 晚间加班少负荷运行时空调系统管理较麻烦, 空调计费也较复杂；
B. 虽投资少,分期设置、空调计费方便, 但能效比较低, 室外机布置对建筑外立面影响较大, 且空调系统舒适性较差；
C. 投资费用合理，综合能效比高, 空调舒适性、灵活性好, 空调计费方便,
最后选择采用该方案。

下面是具体设置：
采用2 套水环热泵空调系统: A：1～3 层:总面积约8150平米, 选择3台流量为125平米每小时的方形横流冷却塔, 设于3 层屋面,配置4 台冷却水泵，其中一台是备用机；B:4～13 层办公室: 总空调面积约10250平米,选择同样流量的方形横流冷却塔4 台，设于12层屋面, 同时也配置4 台冷却水泵。

根据使用功能, 末端分别设计为全空气低速空调系统及风机盘管或卡式双出风型加带独立冷源的吊挂式新风机；还有小部分24小时使用的地方设计选用风冷分体空调机。

计费方面只有冷却塔和冷却水泵属公共分摊部分, 而这部分用电在空调用电中所占比重较小, 其它大部分用电都在末端用户, 空调计费全部纳入用户使用电费内,可按实际用电量收取。

当过渡季或夜间加班时,末端机组开机较少, 这时可只开启部分冷却塔及水泵, 节约运行费用。

商铺出售部分可按租户需要改变末端形式, 或预留冷却水接口, 而设备由租户自行安装, 这还可以降低甲方的期初投资。

四、水环热泵系统设计中应注意的问题
在设计中需要注意建筑供热供冷分区规划、噪音处理、新风系统设计等问题。

水环热泵机组的噪音与常规系统不同, 频率较低, 穿透性较强, 衰减较慢, 与人体的固有频率接近,故人体的反应更强烈。

常用的水环热泵系统的噪音。

尤其是噪音处理，主要的措施是：安装在空调区域内的水环热泵机组冷量最好不超过2个冷吨；安装在空调区域吊顶内的水环热泵机组下方应衬以吸音板, 最好出厂时压缩机配有吸音罩；对噪音要求严格的场所可采用分体式机组或水---水的水环热泵机组；水环热泵机组的进出风形式要特殊设计。

结语
通过工程设计实践认为，要想水环热泵系统应用成功，建筑设计应更合理综合地考虑一些功能复杂的建筑物的布局及水环热泵系统的特点,通过经济技术比较后来确定系统的可行性，还必须利用各种技术,对系统正确理解和精心组织设计，在尽量降低成本的同时使得设计更加符合使用要求, 并更加节省空间。

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。