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簡(jiǎn)介

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括空調(diào)負(fù)荷計(jì)算、機(jī)組選擇冷卻塔選擇、輔助熱源、蓄熱水箱設(shè)計(jì)、循環(huán)泵選擇和自動(dòng)控制設(shè)計(jì)等。水環(huán)熱泵系統(tǒng)采取獨(dú)立的區(qū)域控制和系統(tǒng)的*控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，包括熱泵機(jī)組控制、循環(huán)水系統(tǒng)控制、*控制。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)安裝的關(guān)鍵是要控制噪聲的傳播，主要注意機(jī)組安裝、風(fēng)管、風(fēng)口安裝、水管路安裝等各方面。

熱泵與建筑空調(diào)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點(diǎn)

1. 熱泵原理 熱泵（制冷機(jī)）是通過(guò)作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。熱泵與制冷機(jī)的工作原理和過(guò)程是*相同的，從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看都是熱機(jī)工作過(guò)程的反循環(huán)。熱泵與制冷機(jī)在名稱上的差別只是反映了在應(yīng)用的目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵，反之則稱為制冷機(jī)。

2. 主要特點(diǎn) 建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（鍋爐）。燃煤鍋爐是zui主要的大氣污染源，中小型燃煤鍋爐在城市中已被逐步淘汰；燃油和天然氣的鍋爐雖然減輕了對(duì)大氣的污染，但排放的溫室效應(yīng)氣體（CO2）仍造成環(huán)境問(wèn)題，而且運(yùn)行費(fèi)用很高。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了很大的初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，*解決了大氣污染的問(wèn)題。此外，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)還可以兼顧生活熱水供應(yīng)，特別在制冷（空調(diào)）工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，不需額外消耗能量。采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過(guò)直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生熱量，并通過(guò)若干個(gè)傳熱環(huán)節(jié)zui終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒(méi)有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比）不可能超過(guò)*。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫?zé)崮馨l(fā)電，然后利用電能驅(qū)動(dòng)熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當(dāng)提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能系數(shù)，即供熱量與消耗的電能之比，現(xiàn)在可達(dá)到3~4；火力發(fā)電站的效率可達(dá)35~58%（高值為燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站）。采用燃料發(fā)電再用熱泵供熱的方式，在現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)條件下一次能源利用率也可以達(dá)到200%以上。用電熱設(shè)備（例如電暖氣、電鍋爐，電輻射采暖）也可以把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為什么還要用熱泵呢？由于用電阻加熱設(shè)備把電能轉(zhuǎn)化為熱能的性能系數(shù) (COP) 為1，而在火力發(fā)電廠中由燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能總的效率約為32-50%；因此這種電阻加熱方式總的一次能源利用率很低，是不經(jīng)濟(jì)的。

（二）空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點(diǎn) 以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)，其一個(gè)熱源就是建筑物內(nèi)部的環(huán)境，就其另一個(gè)熱源的性質(zhì)來(lái)分，現(xiàn)在常用的有空氣源熱泵、地下水源熱泵和地源熱泵等幾大類。在冬季供熱工況下，室外空氣、水或大地中的低品位熱量通過(guò)熱泵做功而提高溫度以對(duì)建筑物供熱。

1． 空氣源熱泵 空氣源熱泵利用室外的空氣作為低溫?zé)嵩?，系統(tǒng)zui為簡(jiǎn)單，因而初投資zui省，現(xiàn)有的家用冷暖空調(diào)器就是這樣的空氣源熱泵。空氣源熱泵的缺點(diǎn)是室外空氣溫度越低時(shí)供熱量越小，特別是當(dāng)空氣溫度低于 -5℃ 時(shí)熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱，熱泵的效率大大降低。此外，空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜，也損失相當(dāng)大一部分能量。

2． 地下水源熱泵推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和保護(hù)大氣環(huán)境的效益，對(duì)宣傳和推動(dòng)熱泵技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用也起到了積極的作用。但是，這種“地下水源熱泵”技術(shù)也存在明顯的先天缺陷。首先，這種抽取地下水的辦法需要有豐富的地下水為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個(gè)棘手的課題。水資源是當(dāng)前zui緊缺、zui寶貴的資源，任何對(duì)水資源的浪費(fèi)或污染都是不可允許的。因此，對(duì)大面積推廣這種技術(shù)應(yīng)采取慎重的態(tài)度。

3． 地源熱泵 另一種熱泵利用大地作為熱泵系統(tǒng)的熱源的技術(shù)，可以稱之為“地源熱泵”，或“地埋管地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過(guò)熱泵把大地中的熱量升高溫度后對(duì)建筑供熱，同時(shí)使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過(guò)熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對(duì)建筑物降溫，同時(shí)在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。據(jù)測(cè)算，采用地源熱泵供熱時(shí)在濟(jì)南地區(qū)的住宅在一個(gè)采暖季節(jié)的供熱費(fèi)用可在10元/m2以下，約為采用電鍋爐或天然氣鍋爐供熱時(shí)的費(fèi)用的1/3。夏季空調(diào)的電耗也大大減少。簡(jiǎn)要的說(shuō)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：環(huán)保節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展；一機(jī)多用，節(jié)省建筑空間，無(wú)需冷卻塔和室外風(fēng)冷部分，對(duì)建筑外觀影響小；運(yùn)行費(fèi)用低，快；全年運(yùn)行，均衡用電負(fù)荷。現(xiàn)在在國(guó)外得到較為廣泛應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)采用介質(zhì)流經(jīng)埋在地下的管子與大地（土壤、地層、地下水）進(jìn)行換熱的模式。地源熱泵（Ground-Source Heat Pump）的概念zui早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份文獻(xiàn)中，不受污染給予了高度的重視。在鉆孔、下管以后，再用水泥、膨潤(rùn)土等材料把井筒密封，杜絕了地面污染物進(jìn)入地下水層或各地下水層之間互相貫通的可能性。

運(yùn)行工況與機(jī)組選擇

熱泵機(jī)組的容量（制冷量或制熱量）取決于機(jī)組進(jìn)風(fēng)參數(shù)、水環(huán)路進(jìn)水溫度、機(jī)組水量等參數(shù)，在進(jìn)行機(jī)組的選擇或校核時(shí)，應(yīng)首先確定運(yùn)行工況。機(jī)組進(jìn)風(fēng)參數(shù)（干、濕球溫度）依據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，進(jìn)水溫度應(yīng)綜合考慮排熱設(shè)備與加熱設(shè)備的能力與容量大小確定。

冬季運(yùn)行工況

隨著水溫升高，水環(huán)熱泵機(jī)組制熱能力增大，輔助熱源容量減小，但同時(shí)制熱系數(shù)降低，耗電量增大。因此只要制熱量滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)盡可能降低冬季循環(huán)水的供水溫度。為了保證系統(tǒng)水力工況穩(wěn)定，應(yīng)使循環(huán)水流量恒定，冬、夏季應(yīng)取相同的進(jìn)出水溫差。

輔助加熱設(shè)備選擇

在冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組從水環(huán)路中吸取熱量，如果內(nèi)區(qū)的機(jī)組向環(huán)路釋放的熱量少于周邊區(qū)從環(huán)路吸取的熱量時(shí)，環(huán)路中的水溫將會(huì)下降，當(dāng)水溫降至13℃時(shí)，就必須投入加熱設(shè)備，將熱量補(bǔ)充到水環(huán)路。為此，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用輔助加熱設(shè)備。

輔助加熱方式有兩種，一是采用各種水加熱設(shè)備，將熱量補(bǔ)充到循環(huán)水管路中；二是采用空氣加熱器（一般為電加熱器），將熱量直接加入室內(nèi)循環(huán)空氣中。采用電加熱器的前提是保證環(huán)路循環(huán)水的溫度在許可的范圍之內(nèi)，否則仍要采取循環(huán)水加熱設(shè)備。一般采取后一種方式。

輔助加熱設(shè)備可選用電熱熱水鍋爐、燃油（氣）熱水鍋爐、水-水或汽-水換熱器等。輔助加熱設(shè)備的加熱量，同系統(tǒng)的運(yùn)行方式如是否采用夜間降溫早晨預(yù)熱、是否設(shè)置蓄熱水箱有關(guān)。

蓄熱水箱

在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中常設(shè)置低溫（13～32℃）或高溫蓄熱水箱（60～82℃），以改善系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)水環(huán)路實(shí)現(xiàn)了熱量的空間轉(zhuǎn)移（如從內(nèi)區(qū)轉(zhuǎn)向周邊區(qū)），然而，每時(shí)每刻內(nèi)需要轉(zhuǎn)移的熱量與周邊所需要的供熱量之間很難平衡，為此，水環(huán)路可設(shè)置一個(gè)低溫蓄熱水箱，這樣水系統(tǒng)又實(shí)現(xiàn)了熱量的時(shí)間上的轉(zhuǎn)移。也就是說(shuō)，內(nèi)區(qū)制冷的機(jī)組向環(huán)路中釋放的冷凝熱與周邊區(qū)制熱的機(jī)組從環(huán)路吸取的熱量可以在一天內(nèi)或更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱量的平衡。可以降低早晨預(yù)熱所需的輔助加熱設(shè)備的容量，降低用電負(fù)荷，從而降低了冷卻塔和水加熱器的年耗能量。但冷卻塔和水加熱器的容量不能減少，這是因?yàn)榭紤]惡劣天氣（嚴(yán)寒、酷暑）可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，要求冷卻塔或水加熱器必須按zui大負(fù)荷運(yùn)行。

高溫蓄熱水箱用于采用電輔助加熱設(shè)備的水環(huán)熱泵系統(tǒng)中，作用是利用夜間電力低谷時(shí)段將水加熱后蓄存起來(lái)，白天電力高峰時(shí)段供給系統(tǒng)使用，在有峰谷分時(shí)電價(jià)的地區(qū)，可以降低輔助加熱設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)。高溫蓄水箱與環(huán)路并聯(lián)，通過(guò)三通混合閥把環(huán)路水溫維持設(shè)計(jì)溫度。