复合源水环热泵空调系统的分析研究

谭效锐

摘要：空调冷、热源设备的种类多种多样，无论哪种制冷或供暖方式均会受到能源、环境、成本以及工程功能等各方面因素的影响而体现出不同的特点。在进行空调系统的设计时，要结合工程实际，综合比较各种冷热源设备的性能、经济性与能耗，最终确定出适用的冷热源形式。本文所探讨的是复合源水环热泵空调系统。

关键词：空调冷热源；复合源；水环热泵空调系统

Abstract: the air conditioning cold, heat source equipment types varied, no matter which kind of cooling or heating are will be affected by energy, environment, and the engineering cost function and so on various aspects of the influence of the factors exhibit different characteristics. In the design of the air conditioning system, practical project, a comprehensive comparison of all kinds of cold and heat sources equipment performance, economy and energy consumption, and finally confirmed the applicable cold/heat source form. This paper explores the composite source water loop heat pump air conditioning system.

Keywords: cold and heat source; Composite source; Water loop heat pump air conditioning system

中图分类号：TU831.3+5文献标识码：A 文章编号：

一、复合源水环热泵空调工作原理

复合源水环热泵空调工作原理如下：系统冷热源包括两个部分，即空气源热泵机组与电加热装置机组，其中电加热装置机组是水环热泵的辅助热源，二者组成水环热泵空调系统的冷热源。夏天室内的空气源泵机组按照制冷状态运行，将冷凝热释放入环路中，再由机组中的冷却塔将其释放到空气中。在春秋季节，边区部分的空气源热泵机组以制热与制冷相结合的方式运行，内区机组则以制冷工况运行，如果冷热负荷达到平衡状态，环路供水温度可以保持一定的水平，则室外的空气源热泵同组与冷却水系统均处于停运状态。进入冬季后周边区的空气源热泵全部或者大部分以供热工况运行，内区机组则以制冷工况运行，循环水温有所降低，室外空气源热泵机组要向水环路进行热量的供给，因此要全部投入运行。正常情况下电加热设备处于停运状态，如果空气源热泵机组需要融霜时，电加热设备才会启动，以弥补环路内水温短时间无法满足融霜要求的不足，保证水环路的温度保持在一定的水平。

二、复合源水环热泵空调系统的性能

（一）复合源水环热泵空调与传统锅炉水环热泵空调能耗比较

分析复合源水环热泵空调系统的性能，可以与传统的锅炉水环热泵空调系统相比，二者的能耗计算过程如下：

设冬季室的温度分别为-10、-5、0、5与10℃，循环水温为10~32℃；室内水环热泵机组的数量为100台，额定制热量均为5. 6kW，额定制冷量则为5. 5kW，所有机组的运行状态均不超出额定工况。计算取值如下：制冷工况下，蒸发温度（to）——5℃，消耗指示功率用N1表示；供热工况下，冷凝温度（tk）——50℃，蒸发温度（to）——-5℃，消耗指示功率用N2表示；在室内水环热泵机组的进口处，系统循环水的温度不变，此时水环热泵机组从循环水中吸收和总热负荷与空气源热泵机组的供热负荷是相等的，机组风侧传热温差——10℃，水侧传热温差——5℃，用Q3表示此种工况的供热负荷，消耗指示功率用N3表示；循环过热度——5℃，过冷度——3℃，指示效率（ηi）——0.8，机械效率（ηm）——0.9，火电站的发电效率（η1）——0.3，输配电的效率（η2）——0.9，发电总效率（ηd）——0.27；用于比较的传统水环热泵空调系统的一次能耗取值为：电锅炉热效率（ηb1）——1.0，折算为一次能源为ηb1ηd=0. 27，燃煤锅炉的热效率（ηb2）——0.7，则计算如下：

空气源水环热泵复合空调一次能耗：

N=(N1+N2+N3) /(ηmηd)

传统采用电锅炉水环热泵空调一次能耗：

N=(N1+N2) /(ηmηd)+Q3/(ηb1ηd)

传统采用燃煤锅炉水环热泵空调一次能耗：

N=(N1+N2) /(ηmηd)+Q3/ηb2

（二）建筑内外区冷热负荷比不同时空调性能

假设建筑内区基于制冷状态运行的水环热泵为20台，建筑外区基于供热状态运行的水环热泵为80台，则内外区的冷热负荷比即2: 8；制冷状态运行水环热泵为40台，则供热状态运行台数为60台，内外区的冷热负荷比为4:6，选择上述两个比值对复合源水环热泵空调系统的一次能耗进行计算，再比较传统水环热泵空调的一次能耗。通过计算比较可以得知，相同条件下复合源水环热泵与传统水环热泵空调系统的总能耗比有着较大的差异，水环热泵需外界的补充热量越大，复合源水环热泵空调系统的节能效果越明显。

（三）室外温度、内外区冷热负荷比不同情况下室外机的能耗

室外温度不同、内外区冷热负荷比不同，复合源水环热泵空调系统室外机的能耗比也不同。负荷比与1：1越接近，则室外机组的能耗比就越小，由此可见，水环热泵空调系统可以回收建筑内部的热能；内外区冷热负荷比与1：1越接近，所需外界补充的热量就越少。所以建筑物内外分区或者供热与制冷同时存在时，可以采用节能性比较好的复合源水环热泵空调系统。冷热负荷比、循环水温均相同的情况下，室外温度越高，室外机的能耗就越低，证明空气源热泵性能的好坏决定了复合系统的节能效果。

三、复合地源热泵空调系统的设计实例

工程概况：某建筑总面积为38 089 m2，分别为地下1层，地上8层，占地面积为近7000 m2，环绕该建筑有一条天然与一个人工湖，湖深4m，可利用湖水面积在17 800 m2左右。第一，机组的选型：在选择机组的型号时，要将空调负荷、地埋管换热系统以及地表水换热系统的特点与水环热泵机组的特点相结合进行综合考虑，本设计方案选择三台制冷量为1070.3kW的热泵机组，在夏天要满足最大的冷负荷需求要三台全开，而冬季只需全开两台即可满足最大热负荷需求。第二，设计供回水工况：夏天设计工况供回水温度为6℃和12℃，冬季则为45℃和39℃。第三，利用可再生能源的设计方案：本建筑附近有一个人工湖，湖水的深度相对较浅，如果室外温度比较低，对于空调系统的供暖相对不利；而在夏天由湖水的温度与地源热泵的工况比较适应，并且湖面蒸发散热大大提高了机组的散热性能，所以本方案设计冬季供暖的主要热源利用地埋管来实现，湖水为辅助热源；而夏天则要求地表水换热器与地埋管换热器同时运行，不仅系统的安全性得到了保证，而且地下土壤的热平衡也可以满足，系统成本也有所降低。

经过一段时间的运行，该系统稳定、节能，基本满足了工程设计要求。

参考文献：

[1] 马最良,姚杨,杨自强等.水环热泵空调系统设计[M].北京:化学工业出版社, 2005

[2] 吴薇.空气源-水源热泵复合热泵循环系统的性能研究[D].南京:东南大学, 2005

[3] 李飞,徐晓蕾,陈瑾. 某高校图书馆复合地源热泵空调系统应用研究[J].江苏建筑,2011(10)

[4] 吴业正,韩宝琦.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社, 2007

[5] 马最良,曹源.对闭式环路水源热泵空调系统运行能耗影响因素的分析[J].暖通空调,2007(4)

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。