水环热泵空调系统的设计与安装

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简介： 水环热泵空调系统的设计包括空调负荷计算、机组选择冷却塔选择、辅助热源、蓄热水箱设计、循环泵选择和自动控制设计等。水环热泵系统采取独立的区域控制和系统的中央控制相结合的控制系统，包括热泵机组控制、循环水系统控制、中央控制。水环热泵空调系统安装的关键是要控制噪声的传播，主要注意机组安装、风管、风口安装、水管路安装等各方面。
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水环热泵系统设计主要包括负荷计算、机组选择、冷却塔选择、辅助热源、蓄热水箱设计、循环泵选择和自动控制设计等。

1 负荷计算

1.1 冷负荷计算

冷负荷计算与常规空调系统相同。

1.2 热负荷计算

由于水环热泵空调系统是一个热回收系统，冬季运行时，内区的热泵机组向水环路放热，外区的热泵机组自水环路吸热。因此，在计算水环热泵空调系统冬季负荷时，应有别与常规的空调系统。。

　　　　 (1-1)

　　　　(1-2)

　　　　　(1-3)

　　 (1-4)

式中：

Q_E——外区热负荷，KW；

Q_I——内区热负荷，KW；

Q_L,E、Q_G,E ——外区热损失、外区得热，KW；

Q_L,I、Q_G,I——内区热损失、内区得热，KW；

Q_R,E——外区热泵吸热量，KW；

Q_A,I——内区热泵放热量，KW；

COP_E——冬季工况下水环热泵机组制热系数；

COP_I——冬季工况下水环热泵机组制冷系数；

P_R,I——冬季工况下水环热泵机组制热输入功率，KW；

P_A,I——冬季工况下水环热泵机组制冷输入功率，KW。

2 运行工况与机组选择

热泵机组的容量（制冷量或制热量）取决于机组进风参数、水环路进水温度、机组水量等参数，在进行机组的选择或校核时，应首先确定运行工况。机组进风参数（干、湿球温度）依据设计要求确定，进水温度应综合考虑排热设备与加热设备的能力与容量大小确定。

2.1 夏季运行工况

排热设备可为开式冷却塔加水-水板式热交换器或密闭式冷却塔。确定水系统设计温度，应尽量提高冷却塔进出水温度及进出水温降，以减小冷却塔型号，降低冷却水量，降低冷却水系统投资。合理的设计水温应通过经济比较确定，采用密闭式冷却塔时的系统设计水温建议见按表2-1选取，采用开式冷却塔加板式换热器应计入板式换热器的传热温差。

室外设计湿球温度

t_s1（℃）

冷却塔

出水温度t₂（℃）

循环水温差

ΔT= t₁- t₂（℃）

（同时使用系数0.8）

冷幅差

Δt_A

（℃）

每KW水流量（L/s）

18

32

7

14

0.043

21

32

7

11

0.043

23

32

7

9

0.043

24

32

6.5

8

0.045

25

33

6

8

0.045

26

33

6

7

0.048

27

34

5.5

7

0.054

28

34

5.5

6

0.054

2.2 冬季运行工况

随着水温升高，水环热泵机组制热能力增大，辅助热源容量减小，但同时制热系数降低，耗电量增大。因此只要制热量满足设计要求，应尽可能降低冬季循环水的供水温度。为了保证系统水力工况稳定，应使循环水流量恒定，冬、夏季应取相同的进出水温差。

2.3 机组选择

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。一般情况下，根据夏季冷负荷进行机组选型，根据冬季热负荷进行机组校核，寒冷地区更应特别强调机组的制热性能。对内区房间来说，水/空气热泵机组仅按夏季设计工况选取。需注意的一点，冬季按制冷方式运行的机组，其制冷量是冬季工况下的制冷量，即若制热机组进水温度15℃，出水温度10℃，则制冷机组进水温度15℃，出水温度21℃。

3 排热设备选择

3.1 同时使用系数

选择排热设备时，应合理确定系统中水环热泵机组同时使用系数。一般建筑可参考下列数值：

系统总水量小于13L/S时，同时使用系数取90%;

系统总水量为13～19L/S时，同时使用系数取85%;

系统总水量大于19L/S时，同时使用系数取80%;

住宅同时使用系数可取50～70%。

3.2 系统水流量

系统循环水流量可按0.04～0.06L/S.KW估算，一般取0.054L/S.KW，室外设计湿球温度低时可取较小数值。增大水流量可提高机组效率，但不能超过0.065L/S.KW，继续增大水流量对机组效率提高不大，但增加循环泵能耗。减小水流量可能造成机组因高压（供冷时）或低水温（供热时）保护而停机。

3.3 冷却塔选型

冷却塔选型按夏季工况进行，步骤如下：

1) 将系统中所有机组制冷工况下的排热量（非空调冷负荷）相加；

2) 确定同时使用系数Ф；

3) 确定循环水流量W；

4) 确定冷却塔出水温度t₂；

5) 根据循环水温升△t（式3－1）和同时使用系数Ф确定冷却塔进水温度t₁,求出冷却温差△t= t₁ -t₂以及冷幅差△t_A= T₁₂ –t_s1

　　　　　　　　　　(3－1)

t₁ = (t₂+△T)Ф+ t₂(1-Ф) 　 (3－2)

6) 根据循环水量、进出塔水温、冷却温差及室外设计相对湿度查厂家产品资料可以直接确定闭式冷却塔型号，计入板式换热器传热温差可以确定开式冷却塔型号。

4 辅助加热设备选择

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，将热量补充到水环路。为此，水环热泵空调系统设计时，应选用辅助加热设备。

辅助加热方式有两种，一是采用各种水加热设备，将热量补充到循环水管路中；二是采用空气加热器（一般为电加热器），将热量直接加入室内循环空气中。采用电加热器的前提是保证环路循环水的温度在许可的范围之内，否则仍要采取循环水加热设备。一般采取后一种方式。

辅助加热设备可选用电热热水锅炉、燃油（气）热水锅炉、水-水或汽-水换热器等。辅助加热设备的加热量，同系统的运行方式如是否采用夜间降温早晨预热、是否设置蓄热水箱有关。

4.1 无夜间降温、早晨预热的系统

对于不采取夜间降温运行的系统（如全天使用的住宅、公寓、旅馆、医院病房楼等）或没有早晨预热要求的系统（如具有办公、商场、餐饮、娱乐、会议室等各种功能的综合性建筑，因系统投入运行的时间不同，可通过提前可机的方式进行早晨预热，一般不另外考虑预热负荷），辅助加热量等于冬季运行工况下所有以供热方式运行的机组自水环路吸收的热量q_R与所有以供冷方式运行的机组向水环路排放的热量q_A之差，该值为瞬时值，取其最大值。

由于制热工况下水环热泵机组的制热量为压缩热与自水环路吸收的热量之和，吸排热量的比例等于(COP_E-1)/COP_E，此值等于0.7～0.8，任何时候辅助热源容量都小于采暖热负荷，约为其70～80%。对于大型商场、餐饮、娱乐、会议等公共活动用房，夜间停止使用期间，一般采暖系统也停止运行，白天投入使用期间，可回收的负荷较大，此时，系统辅助热源的容量可按1/3左右的采暖热负荷估算；对于全天使用的住宅、公寓、客房、病房楼等，夜间需继续采暖，而可回收的灯光、人体热量很少，辅助热源的容量应按采暖热负荷的60～70%估算。

4.2 有夜间降温、早晨预热的系统

对于以办公用途为主的建筑物，宜按早晨预热系统考虑，辅助加热设备容量按下列步骤计算：

1） 按全部水环热泵机组同时启动，计算从夜间降温的设定温度升至早晨预热的设定温度所需的热量Q_S（KWH）。假设新风阀关闭，并考虑照明和各种散热设备的发热量。

2） 初定预热时间t，一般在1～1.5小时。

3） 计算预热负荷Qy(KW)

（4-1）

4） 计算辅助加热量Q_F(KW)

（4-2）

式中COP_H ---平均制热系数

5） 校核循环水供水温度

根据预热负荷Qy，查水环热泵机组性能表，按对应的机组制热量得到应保证的循环水供水温度，校核是否超出允许范围，如超出，应延长预热时间，重新计算。

4.3 蓄热水箱

在水环热泵空调系统中常设置低温（13～32℃）或高温蓄热水箱（60～82℃），以改善系统的运行特性。

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热水箱，这样水系统又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。可以降低早晨预热所需的辅助加热设备的容量，降低用电负荷，从而降低了冷却塔和水加热器的年耗能量。但冷却塔和水加热器的容量不能减少，这是因为考虑恶劣天气（严寒、酷暑）可能会持续一段时间，要求冷却塔或水加热器必须按最大负荷运行。

　　高温蓄热水箱用于采用电辅助加热设备的水环热泵系统中，作用是利用夜间电力低谷时段将水加热后蓄存起来，白天电力高峰时段供给系统使用，在有峰谷分时电价的地区，可以降低辅助加热设备运行电费。高温蓄水箱与环路并联，通过三通混合阀把环路水温维持设计温度。