热泵能量回收系统在游泳馆空调系统设计中的应用研究
1 背景
随着人们生活水平的提高，游泳已经不仅仅是一项比赛项目，越来越多的人们加入到了游泳健身的行列。随之而来，游泳馆的暖通空调设计也变得十分重要。游泳馆的建筑类型属于高大空间建筑物，它的空调设计除了要达到基本的温度要求外，通风是游泳馆空调设计的主要任务。
通风的主要作用是解决除湿,除氯或溴（池水消毒液的挥发物）,人员所需新风这三大任务。馆内相对湿度高，空气含湿量大，水蒸汽分压力大，露点温度较高，很容易造成维护结构内表面结露，导致维护结构的腐蚀及墙体保温层的破坏。池水消毒灭菌通常要加消毒剂，如氯气。因此，池水内挥发出的有毒气体也是通风的一个主要因素。工程实例显示，这三部分中，除氯所需通风量一般占有最大的份额。为了达到通风要求，通常的做法是加大通风量，并且采用除湿机（如固体除湿,溶液除湿等）。这种做法虽然可以达到除湿的目的，但是在武汉室外温度很低（一般取－5℃），室内要求的室温很高（游泳馆室温通常取28～30℃）的情况下，把新风加热到送风温度需要消耗很大能量（将近60％），即冬季补风所需热量占到建筑物所需总热量的60％左右。为了解决这个问题，我们采用热泵能量回收系统，实现节能和环境保护。
2 热泵能量回收系统的原理及其优势
2.1 原理
热泵能量回收系统是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，它可以从自然界中的低位热源或余热资源吸热从而获得比输入能更多的输出能量，目前很多国家推广热泵作为减少二氧化碳的一种手段[3]。热泵种类很多，暖通空调及工业过程中使用最多的是蒸汽压缩型热泵，其原理是利用低沸点的介质吸收低温热源的热量，经压缩机压缩提高压力和温度，高温高压的介质在冷凝器内释放出热量为用户供热。在游泳馆空调系统设计中，我们采用热泵能量回收系统，充分吸收室内游泳馆中的热湿空气中的热能。这样不仅能节省大量能源，同时使室内空气达到除湿的目的。
游泳馆热泵空调能量回收系统的原理如图1所示，该系统是专门针对室内泳池开发的集除湿,水加热,空调为一体的热泵能量回收系统。其工作原理是：室内热湿空气（indoor humid air ）首先经过热交换器与室外新风进行热交换，变成暖湿空气（humid air inlet，温度控制到24℃左右），然后经过蒸发器(evaporator)温度下降，，水汽凝结成水滴（drain）从空气中分离出来（减湿过程），或者排到建筑物外，或者通过一个过滤器返回到泳池中；同时，池水（pool water）（泳池要不断换水以维持水的清洁），吸收了热湿空气冷却过程中释放出的热能, 即池水表面蒸发潜热。池水（pool water）吸收的热能，首先经热交换器加热池水，实现池水加热功能；余热经热交换器上部，加热冷却的空气，实现空气保温功能。
图1 游泳馆热泵系统运行原理图
当冬季热泵回收的热能不足以满足要求时，由辅助空气加热器补充提供室内热空气所需的热能。热泵只需提供其本身的运行电能，即能按上述工作程序不断循环运行，以较低的能耗，实现池水加热,空调,除湿三大功能。
目前热泵技术已经相当成成熟，如E-TECH(易达)泳池热泵是专门针对室内泳池开发的产品，它集除湿,水加热,空调于一体，通过回收室内泳池湿热空气中的能量，用于加热池水,空气同时达到除湿的目的。
2.2 优势
2.2.1 节能方面
热泵技术将低温热源的热量品位提高，需要耗用一定的高品位能量。因此，热泵的能耗是一个重要的技术经济指标，工程上常用热泵特性系数COP值来表示：
式中： — 热泵从低位热源吸收的能量（制冷剂的制冷量）；
— 外界输入的机械力。
很显然，热泵特性系数COP值是恒大于 1的。从定义式中可看出，热泵的节能效果很大程度上取决于从低温热源吸取的热量。低温热源的温度越高对热泵越有利。按逆卡诺循环工作的热泵的制热系数（即COP值）亦可表示为：COP= ，其中 , 分别为高温热源,低温热源的温度。当游泳馆的设定温度为 ＝28℃，低温热源（暖湿空气）的温度 取24℃ 时，从理论上可得到其COP＝ ＝7，可见,采用热泵能量回收系统具有明显节能效果。
表Ⅰ列出了日本政府资助的超级热泵[2]研究已得出的结果：
表1 超级热泵的性能系数
项目 输出温度 ℃ 热源温度 ℃ COP
目标值 试验值
高效型 供热 85 65 50 35 8.0 8.0 8.0 8.2
供热与制冷 45 7 10 32 6.0 7.0 6.2 7.1
高温型 低温热源 150 150 50 95 ＞3 5.0 3.0 6.0
高温热源 300 300 100 200 ＞3 6.0 3.0 6.0
由表中数值可以看出热泵在高的输出温度和高的性能系数方面的优势。在不同的
高温热源和低温热源之间，热泵的性能系数可达到COP＝3～8。即意味着消耗1KW的能量，可获取3～8KW的热量，可见其节能效果相当显著。
2.2.2 环境保护方面
国际能源署（IEA）热泵中心对采用热泵所带来的减少CO2排放造福于地球环境进行了评估（见图2）。评估结果显示，若市场上目前的热泵如果全部投入使用，则能减少全球CO2排放量6％（12亿吨）。
图2 各种采暖装置的相对排放量
由此可见，在空调领域，利用热泵空调系统取代燃煤（油）锅炉供热，不仅具有明显节能效益，同时在环境保护方面有着巨大的潜力。据统计，与燃煤锅炉相比，热泵平均可减少30%的CO2排放量，与燃油锅炉相比，CO2排放量减少68％[7]。同时也减少大量热的排放，这对于有效降低城市环境污染,减少温室效应具有积极作用。
3 应用实例
实例1：桂林市体育馆室内游泳馆设计[5]主要包括：馆内温/湿度控制和池水,淋浴水加热。选用HDCP三合一体除湿热泵和WH气源热泵。三合一体热泵对泳馆池厅进行除湿,空调和池水加热，采用空气源热水热泵对淋浴用水加热。该系统自2003年9月运行至今，设备运行达到设计要求，符合比赛游泳场馆标准，并且比传统锅炉＋冷水机组节省了2/3 的运行费用，收到了良好的经济效益。
实例2：美国新罕布什尔州的一个游泳馆修建了三年后，由于没有注意除湿通风，木质壁板，窗台，门/窗框,以及漂亮的泳池都腐蚀的不得不进行全面维修了。大部分灯具由于铜金属受腐蚀都脱离了墙面，松懈了。少数还能正常工作的灯具由于绝缘性能差也变得不安全。木质窗台上面很多凝结水坑，窗台因为很容易成雾，外面什么也看不到。通常情况下，水蒸气中的氯或溴的混合物会阻止孢模的生长，但是由于泳馆空调设计差，反而很容易在角落,瓷瓦连接处等形成凝水坑，使孢存活一段时间。 物主也看到了由于隔热性能变差所造成的能耗大幅增长。
通过例2，我们看出游泳馆在空调设计方面如果只注重温度要求，而忽略了湿度要求，所带来的严重后果：建筑物被腐蚀，节露，隔热性能变差，最终导致建筑能耗变大。最后建筑物不得不进行全方面得维修。例1告诉我们空调系统中应用热泵能量回收系统，除了可以达到空调温/湿度要求外，它的节能效果和减少环境污染是显而易见的。
4 总结
热泵能量回收技术是一项集节能与环保为一体的系统工程。在游泳馆空调系统中应用该项技术可取得明显的节能效果和环境效益。这也充分证实了利用热泵技术回收低焓能低热资源，对改善能源消耗结构，节省常规能源和保护环境等方面均具有重要意义。
参考文献
（1）虞霞,赵磊.娱乐性游泳馆的空调设计. 制冷空调,2005,103(26).
（2）国际能源署热泵中心专稿：J.W.J.Bourna.热泵技术的国际发展趋势.
（3） <<第八届全国余热制冷和热泵技术学术会议>>译稿：高田秋一.热泵技术的最新发展和进步.1997年
（4）Anonymous.Natatorium Dehumidification System Goes Beyond Humidity Control. HPAC,Jan 2004.
（5）范晴,陆本度,钱东郁.热泵在现代游泳馆的应用. 给水排水,Vol.30,No.9 2004.
（6） Robert O Smith. Designing Natatorium to Prevent Humidity Damage. HPAC, Sep 2004.
（7）徐玉党,雷飞,王凡.低热源热泵空调系统的技术经济分析. 应用科技版,2003年,Vol21,No4.
