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。
关键字：水环热泵 负荷计算冷却塔
水环热泵系统设计主要包括负荷计算、机组选择、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：
QE——外区热负荷，KW；
QI——内区热负荷，KW；
QL,E、QG,E ——外区热损失、外区得热，KW；
QL,I、QG,I——内区热损失、内区得热，KW；
QR,E——外区热泵吸热量，KW；
QA,I——内区热泵放热量，KW；
COPE——冬季工况下水环热泵机组制热系数；
COPI——冬季工况下水环热泵机组制冷系数；
PR,I——冬季工况下水环热泵机组制热输入功率，KW；
PA,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
排热设备可为开式加水-水板式热交换器或密闭式。确定水系统设计温度，应尽量提高进出水温度及进出水温降，以减小型号，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，采用密闭式时的系统设计水温建议见按表2-1选取，采用开式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 ts1（℃） |
出水温度t2（℃） |
循环水温差 ΔT= t1- t2（℃） （同时使用系数0.8） |
冷幅差 ΔtA （℃） |
每KW水流量（L/s） |
|
18 |
32 |
7 |
14 |
0.043 |
|
21 |
32 |
7 |
11 |
0.043 |
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23 |
32 |
7 |
9 |
0.043 |
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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 选型
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确定进水温度t1,求出冷却温差△t= t1 -t2以及冷幅差△tA= T12 –ts1
(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型号，计入板式换热器传热温差可以确定开式型号。
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qR与所有以供冷方式运行的机组向水环路排放的热量qA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(COPE-1)/COPE，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QS（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QF(KW)
（4-2）
式中COPH ---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，从而降低了和水加热器的年耗能量。但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。
5 循环泵选择
5.1 循环泵流量
水环热泵系统在计算循环流量时与风机盘管系统存在本质上的差异。风机盘管系统中，循环水是冷（热）负荷的载体，其所携带的负荷仅与循环水流量与供回水温差有关，理论上该负荷应等于建筑物冷（热）负荷。在水环热泵系统中，循环水并不直接输送负荷，其所携带的能量只有通过水环热泵机组压缩机作功才能提供建筑物所需的冷（热）负荷，系统提供的冷（热）负荷与循环水温度、流量以及进风的干、湿球温度等均有关系，一般水环热泵机组均要求循环水在恒定的流量下工作。由于水环热泵系统中存在同时制冷、制热的状况，水环热泵机组有的可能按制冷工况选择，有的可能按制热工况选择，总的循环流量按风机盘管系统的确定方法也难以计算，一般应以所有同时工作的水环热泵机组的额定流量绝对值之和作为整个系统的循环流量，估算时可按表2－1的推荐值确定。
2)循环泵扬程及功率
与普通空调水系统相同，仅需注意一点，当系统有特殊需要，循环水添加乙二醇防冻液时，应计入因流体密度增加对扬程及功率的影响。
6 水环热泵系统安装
6.1 机组安装
6.1.1 安装在吊顶空间内的水环热泵机组避免安装在人员工作或生活区上部，要尽量放在过道、贮藏间、卫生间及其它不经常使用的房间吊顶内。
6.1.2 机组安装时应留有一定的检修空间，以便于接管、接线，检修空气过滤器、风机叶轮、盘管、电机、压缩机，清洁集水盘等，并应在机组附近的吊顶留有大小适当的检修孔。
6.1.3 两个机组之间的最小距离为2.5米，以防止噪声叠加。
6.1.4 机组应避免安装在有二面或二面以上的反射面的位置，防止产生二次噪声，机组的位置最好使噪声作球状传播。
6.1.5 吊顶机组的正下方应设吸声板，吸声板面积应大于机组底部面积的二倍，吸声板厚度25mm，如图3-1。
6.1.6 建筑各楼层的热泵机组，尽量安装在相对应的位置，以便节省水管、电气导管和新风管道的安装费用，同时也便于检修。
6.1.7 安装机组的房间，吸声系数不应低于0.20。影响吸声系数的因素有：墙体材料（混凝土、钢架、砖、石等）；顶棚的结构和材料；室内的家具和摆设；墙体保温材料；地板（或地毯）等。
6.1.8 机组本身应有如下降低噪声的措施：
压缩机应装设专门的减震弹簧；
机箱内侧全部贴有专门的吸声及保温材料；
风机与压缩机的空间分开，以避免压缩机噪声传至室内。
6.2 风管、风口安装
6.2.1 机组进出口要装设一段内贴吸声材料的风管，不应在机组进出口直接安装风口，防止噪声反射到房间内。吸声材料一般采用超细玻璃棉，厚度25mm，按消声器标准制作。
6.2.2 机组进出风口与风管之间采用软接头连接，防止机组振动直接传到风管上。
6.2.3 主风管内风速应低于5m/s，接近送风口处的风速不应超过2.5m/s。
6.2.4 送风机出口要保持气流的畅通，避免阻力的增加和产生二次噪声。
6.2.5 送风口应避免直接开在主风管上，尤其是风管较短时。可接一个90o弯头出风。
6.2.6 当采用软性支风管连接送风口时，支风管长度应不小于3倍支风管直径。
6.2.7 回风口位置距离机组不应小于2米。
6.2.8 安装于小室内的机组，应防止噪声从回风口传播至空调房间，应在回风口处装设吸声板。
6.2.9 采用90o直角弯头和导向叶片，可有效降低噪声对空调房间的影响，
6.2.10 弯头、三通和阀门等风管管件之间应有4～5倍风管直径或风管长边边长的距离，以使气流平稳。散流器、格栅和调节阀也应保持适当距离。
6.2.11 送回风管道穿过防火墙时，应按照消防要求设置防火阀。
6.3 水管安装
6.3.1 连接机组的水管和电线导管要用软接头或软管，防止振动传播。
6.3.2 机组集水盘的凝水排水管应装置50mm高的存水弯，有的热泵机组凝水口在正压区则无需存水弯。
6.3.3 安装水管和电线导管时，不要阻碍机组各部位的检修。
6.4 减震
6.4.1 风管、水管均采用软连接。
6.4.2 吊装机组应采用减震吊架。
6.4.3 落地式机组的基座应装设10～15mm厚的橡胶隔震垫。
6.4.4 顶棚的吊架不应与风管相碰。所有顶棚、风管、管件和机组，都应设有单独的吊架。
7 水环热泵系统控制
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，可分成以下三部分：
(1) 热泵机组控制：包括机组的运行、控制和机组的安全控制；
(2) 循环水系统控制：包括排热设备、辅助加热设备以及循环泵的控制；
(3) 中央控制：对整个系统进行集中控制。
7.1 热泵机组控制
热泵机组一般均自带一套完善的控制系统，其基本的功能为温度控制和风量调节。水环热泵机组的出风温度和冷、热转换根据室内温控器设定自动调节，风量由三速调节器手动调节。机组自身还配置一些安全保护装置，如高温停机、过载限制、缺水停机等。热泵机组的控制可由厂家选配直接数字式（DDC）控制系统，通过通讯线路，把信息送至中央控制室，可以检测每台机组的运行状态如压缩机状态、送风机状态、换向阀位置、区域温度、送风温度、出水温度、高压限制等，还可以控制每台机组的运行方式如启停控制、温度设定、夜间设定控制、早晨预热（冷）控制等。
7.2 循环水系统
为了保证水环热泵系统可靠运行，循环水系统应确保两点：一是环路的水温在允许范围内，二是连续而稳定的流量。主要是通过检测两个控制点：环路的感温器和水流开关。感温器一般设在循环水泵进口处，并与锅炉或换热器保持一定的距离。感温器探测出水温度或锅炉（换热器）后的混合水温，由控制系统根据设定值对风机、水泵或锅炉的运行及换热器热媒的供给。表7-1为一个采用闭式的系统水温控制实例。
|
水温℃ |
14 |
15～20 |
24 |
29 |
31 |
32 |
34 |
40 |
|
控 制 要 点 |
报警 |
加热设备开启 |
中点 |
阀门开启 |
淋水泵开启 |
第一台风机开启 |
第二台风机开启 |
报警 |
|
冷却设备运行 |
||||||||
当采用开式时，温度传感器检测换热器循环水出水温度，随温度升高，依次启动第一台冷却水泵、第一台风机、第二台冷却水泵、第二台风机。控制同普通空调水系统，可参有关内容。
水流开关用来检测系统流量，当循环泵发生故障，循环水停止流动，应停止所有水环热泵机组运行，在水流量恢复正常前，任何水环热泵机组不得启动。
循环泵的控制主要指备用泵自动投入运行，以及水泵按时间运行、多泵并联运行、变频调速运行等，任何形式的变水量运行都要以末端热泵机组水路电磁（电动）阀的开关控制为前提。
当冬季仍可能启用冷却设备时，必须采取防冻措施，可以采用闭式在室内布置，或在循环水中添加乙烯乙二醇防冻液等。
循环水设备也可采用DDC控制，与中央控制系统接驳。
7.3 中央控制系统
根据工程具体情况设置DDC中央控制系统，采用DDC控制可以加强中央控制系统与个别机组的配合，除前述对每台机组的控制之外，其功能还可增加：
1) 夜间回调和设定；
2) 长期运行记录；
3) 水泵循环（工作或非工作）；
4) 系统水温度记录。
5) 系统水流检测：系统水流、水质、缺水、高水温、低水温、供热设备水流、排热设备水流和循环泵水流等；维修报告：水环热泵机组的高低压、出水温度、空气过滤器状况、送风温度等。
水平所限，文中不当之处，欢迎指正。
参考文献
1. 李向东编著．现代住宅暖通空调设计．北京：中国建筑工业出版社，2003
2. 郎四维．水环路热泵空调系统的特点和设计方法．暖通空调，1996（６）
3. 叶瑞芳．水环热泵中央空调系统在某工程中的应用．暖通空调，1997（６）
4. 美国公司．水源热泵空调系统设计手册．
5. 蒋能照主编．空调用热泵技术及应用．北京：机械工业出版社，1997
