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对水环热泵空调系统的节能分析与优化设计

2009年08月12 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：介绍了水环热泵空调系统的组成、工作原理，并对水环热泵空调系统作了节能分析，总结出该系统的适应性、经济性，最后提出了水环热泵空调系统的优化设计方法。

1 引言

随着经济建设的快速发展和人们生活质量的不断提高，空调的应用日益广泛和普及，空调系统的能耗也逐年增加。目前，空调系统耗能已占到整个建筑耗能的60％以上。建筑节能、改善生活环境的可持续发展对空调方式提出了更高的要求。水环热泵空调系统是一种以回收建筑余热为目的、具有节能和环保意义的空调形式，受到了越来越多的关注。

2 水环热泵空调系统的组成及工作原理

2.1系统的组成

闭式水环热泵（Water Loop Heat Pump）系统简称水环热泵系统（WLHP)。它是由数量众多、型号各异的水源热泵空调机组（WSHP)，通过双管闭合水环路并联的空调系统。系统正常运行时，热泵水循环系统的运行温度在15-35℃。在冬季为了使热泵入口水温维持在最低温度以上，根据情况，如需要向系统加入热量，则系统中需设辅助加热装置。在夏季，如果水系统热泵入口水温升到35℃以上时，则部分热量需要通过排放设施或冷却塔排放到室外，以降低入口温度。综上所述，水环热泵空调系统一般是由开式冷却塔、换热器、双管封闭水系统、热泵机组、循环泵和辅助加热装置等组成。系统组成如图1所示。

2.2系统的工作原理

水源热泵机组将循环水作为冷、热源。通过四通换向阀改变制冷剂的流动方向来实现制冷工况与制热工况的转换。在制冷工况时，利用制冷剂蒸发将空调房间中的热量取出，传入封闭环路的循环水中；制热工况时，利用制冷剂蒸发吸收封闭环路中循环水的热量，而在冷凝器中放热到空调房间以实现供暖。从而形成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵供暖、供冷的空调系统。

3水环热泵空调系统的节能性分析

水环热泵空调系统利用两方面的节能手段：(1)利用废气、废热加热循环水作为冬季供暖的补充热源；(2)利用室内余热，当建筑物内有多余的热量或同一时间内部分区域需要制冷、部分区域需要制热时，部分热泵机组处于制冷工作状态，向循环水放热；另一部分机组处于制热工作状态，从循环水中吸收热量。这样，建筑物内冷热负荷可以在内部消化掉一部分，从而达到节能的目的。冬季使用时，有辅助热源加热的问题，但该热源只是提供10%-30%的热负荷热量，主要的热负荷由一部分制冷方式运行的机组回收冷凝热来抵消或采用其它的余热、废热来解决。

水环热泵空调系统是一种能充分利用低位热能的高节能空调系统。春秋季节运行时，系统有40%制冷、60％制热，供冷机组排出的热量近似等于供热机组所需的热量，整个系统基本处于热平衡状态，既不需要外加热量也无热量排出，无需开动加热设备或冷却塔，减少其运行时间，达到节能的目的。当冬季运行时，内区利用空调机制冷，周边区利用内区房间放出的热量加热循环水，由循环水加给周边房间，其不足部分再开动加热设备加以补充，从而减少能耗。因为热泵空调器其性能系数COP高、能耗低，供冷时COP可达3.6-4.3，供热时COP为3.1-4.7，比常规风冷系统节能15%- 20%。美国电力公司对不同空调系统的用电情况调查结果如表1所示，水环热泵空调系统是耗电量最少的系统。

水环热泵空调系统的节能性还表现在部分负荷的节能上。目前使用的传统中央空调系统一般只有1-2台或3-4台主机，部分负荷时也需开1台主机，即使能量调节，最少也要达到总容量的25%，故浪费了大量能源。而水环热泵空调系统是由单个的水源热泵机组组成的，且分散在各个房间，在部分负荷时只有所需房间的热泵机组和循环水运行，因此能耗可大大降低。对于空调建筑，全年有75％的时间系统运行负荷不到设计负荷的一半，仅有5％的时间在设计负荷下运行，传统的制冷、制热、循环水系统长期在低效率下工作，能耗损失大。而水环热泵空调系统则可视使用情况决定开机多少，达到节能效果。

水环热泵空调系统中的水源热泵机组是独立的制冷制热装置，本身带有安全保护和温度控制装置，它能够提供全年性的非集中控制的空调服务。用户可根据需要，自行调节控制互不干扰，不受时间限制。机组用电与用户电表连接，分户计费，利于用户节约用电。

4水环热泵系统的适应性、经济性分析

4.1适应性分析

从水环热泵空调系统的节能性可以看出，水环热泵空调系统并不是在任何情况下都适用。对于某一特定建筑，必须根据建筑物的冷热负荷曲线，使用情况，建筑物功能，所处环境等诸多因素综合评价使用该系统是否节能、合适。根据其回收功能及国内外已有工程的应用经验，总结出其适用范围如下：

(1)建筑物内有低品位废热可供利用；

(2)从地理位置看，适用于冬季不太冷的地区；

(3)从建筑规模看，建筑物体型大、有明显的内区和外区的划分，同时需要制冷和制热，而且排出的热量与需要的热量相近时最合适；

(4)制冷量不大，且需要独立计量，个别房间或区域经常需在夜间或假日独立使用的建筑；

(5)适用于冬季内区热负荷较大的商场与办公楼，可利用内区热负荷来抵消外区热负荷，时间越长、数量越大、经济性能越好。

4.2经济性分析

(1)投资成本低。水环热泵系统化整为零，比传统中央空调系统经济，没有集中制冷机房、锅炉房、空调机房，减少了占地面积；所需风管少；水管无保温系统，节省了材料费；温度装置在热泵机组中，节省控制室的投资。

(2)节省能源。水源热泵机组同非水源热泵机组相比具有效率高、电耗低、可同时供冷、供热的优点，可实现系统内部能量平衡，达到节能的目的。 (3)维修成本低。由于设备简单，所以故障率低。