水环热泵空调系统

• McQuay和TRANE等美国公司也对水 环热泵空调系统的性能进行了研究，并 分别编写了《水环热泵空调系统设计手 册》，给水环热泵空调系统在实际工程 中的应用提供了参考。
国内对水环热泵空调系统的研究 相对来说起步比较晚，但也取得 了一定的成果
• 哈尔滨工业大学的马最良教授等通过对水环热 泵空调系统的静态分析和动态模拟，并综合分 析了建筑所处地理位置、建筑类型、加热器型 式等对水环热泵空调系统节能效果的影响，得 出了水环热泵空调系统适合使用的条件。 • 同济大学的于航教授对水环热泵空调系统设计 和应用中的问题进行了探讨，并给出了设计方 法和工程实例。
几种空调系统技术经济指标值的比较


投资费用：一般来说， 1.6 水环热泵空调系统的 1.4 1.2 整体屋顶冷风机组 投资费用既低于四管 1 水环热泵系统 制风机盘管系统，又 0.8 末端整体空调器 二管制风机盘管 低于双风道中央空调 0.6 双管制变风量 （供冷供热）系统。 0.4 四管制风机盘管 0.2 运行费用：取决于当 0 地气象条件，建筑物 相对造价 内外区面积大小，建 美国几种空调系统的相对造价 筑物功能等因素。
• 1990年，美国的Zaidi,J.H.和 Howell,R.H.两位学者就水环热泵空调 系统（WLHP）、变风量空调（VAV）、 定风量空调系统（SZR）和风机盘管空 调系统（FCU）四种空调系统在美国5 个不同城市、不同类型建筑应用时的节 能性进行了模拟研究，并得出了如下结 论：
• （1）总的来说，水环热泵空调系统的全年能 耗最低，与其它几种空调系统相比，全年运行 节电率在28%以上，最高可达76%； • （2）在温暖气候条件下，水环热泵空调系统 与其它形式的空调系统相比，节能率更高； • （3）对于大型的建筑物，内区负荷与外区负 荷比值越大，使用水环热泵空调系统的节能率 越高； • （4）当围护结构得热引起的冷负荷越小，内 热源越大时，使用水环热泵空调系统的节能率 越高。
水环热泵空调系统及其评价





水环热泵空调系统的组成 1、室内水源热泵机组（水/空气热泵机组） 2、水循环环路（定压装置、排水放气装 置、补水及水处理装置、水泵及附件等 3、辅助设备（冷却塔、加热设备、蓄热 装置等） 4、新风与排风系统（通常采用独立新风）
典型的水环热泵空调系统原理图
（1-水/空气热泵机组；2-闭式冷却塔；3-加热设备；4-蓄热容器；5-水 环路的循环水泵；6-水处理装置；7-补给水箱；8-补给水泵；9-定压装置； 10-新风机组；11-排风机组；12-热回收装置）
运行特点（5种运行工况）




（1）所有热泵机组都处于制冷工况，向环路中释 放热量，冷却塔全部运行，将冷凝热释放到大气 中，使水温下降到35℃以下。 （2）大部分热泵机组制冷，使循环水温度上升， 达到32℃时，部分冷却塔运行。 （3）当周边区的热负荷与内区的冷负荷比例适当 时，排入水环路中的热量与从水环路中提取的热 量相当，水温维持在13℃～32℃范围内，冷却塔 和辅助加热装置停止运行，考虑到从内区转移到 周边区的热量不可能每时每刻都平衡，因此，在 系统中设有蓄热容器，暂存多余热量。 （4）大部分机组制热，循环水温度下降，达到 13℃时，投入部分辅助加热器。 （5）所有热泵机组都处于制热工况，从水环路中 提取热量，这时，全部辅助加热器投入使用，使 循环水温度不低于13℃。
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内区
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水环多联机热泵空调系统图示
（1-水环多联机主机；2-室内机；3-水环路循环水泵；4-空气/水热泵；5-冷 却塔）
水环多联机系统的特点：




水环路的引入使水冷热泵多联机的制冷剂管路由庞大而复 杂变得简单而短小。 建筑物内多套多联机系统规模变小，从而解决了传统多联 机系统制冷剂管路的配管过长，高差太大，回油困难等问 题。 为大型公共建筑、高层建筑空调工程设计、系统布置等带 来方便。 水环路可使用大量的钢管或塑料管，从而节省传统多联机 系统中的部分制冷剂铜管管路。 由于水冷热泵式多联机并联在水环路上，而水环路的大小 可根据建筑规模设置，因此，其系统规模不再受传统多联 机系统的制冷剂管路的配管要求的限制，而能更适于大型 公共建筑、高层建筑。 该系统的主机可设在小型独立机房内，而室内机设在室内， 解决了传统水环热泵设在室内而引起噪声大的问题。
工程实例（南京和园饭店水环热泵空调）
• 改造前为风机盘管加新风系统，空调冷源
为一台1160KW和1台580KW蒸汽型双效溴 化锂吸收式冷水机组，热源为2台4t/h燃煤 蒸汽锅炉。机组经过几年运行出现的问题： • 1、溴化锂吸收式冷水机组冷量衰减。 • 2、设备陈旧老化。 • 3、运行费用高，维修工作量大。 • 4、空调水系统每年需要清洗费用
空调系统对改造目的的符合性比较
工程总冷负荷为1744.2KW，总热负荷为1046.5KW。 选用的水环热泵空调系统的组成： • 1、选用150台深圳麦克维尔空调公司生产的分体式水源热
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泵机组，将水源热泵的主机装在卫生间的吊顶内。 2、保留原有空调系统的冷却塔作为热泵空调系统的排热 设备，由于原冷却塔为开式冷却塔，故又选用一台40m2 阿法拉伐板式换热器，使开式冷却塔与水环路采用间接连 接方式。 3、选用320m2的清华阳江太阳能热水器、热水箱和格兰 富循环泵作为水环热泵空调系统的加热设备。 4、选用一台菲斯曼1.25t/h的燃油蒸汽锅炉，作为太阳能 不足时系统的补热设备。 5、保留原有新风系统，选用空气源热泵冷热水机组作为 新风系统的冷热源。 6、选用一套中央自控系统，可远程控制各房间的水源热 泵机组、锅炉、水泵、冷却塔设备的启停，记录、显示各 设备的运行情况、能耗、故障以及设备安全运行保护，打 印各设备的能耗。
可再生能源水环热泵空调系统
• 众所周知，只有建筑内有大量余热时，通过水环热泵空调 系统将建筑物内的余热转移到需要热量的区域，才能收到 良好的节能效果，目前，我国各类建筑物内部负荷不大， 建筑物的内区面积小，而且常规空调热源又常用燃煤锅炉。 由于这两种情况，制约了传统的水环热泵空调系统在我国 的应用。解决这个问题的途径，就是由建筑物外部引进可 再生能源，以补充冬季建筑物内的不足余热量。 • 几种形式： • 太阳能水环热泵空调系统 • 土壤源水环热泵空调系统 • 井水源水环热泵空调系统 • 双级耦合水环热泵空调系统
井水源水环热泵空调系统
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井水源水环热泵空调系统闭式图示 （1-小型水/空气热泵机组；2-水环路循环水泵；3-定压装置；4-补 水系统；5-板式换热器；6-抽水井群；7-回灌井群）
双级耦合水环热泵空调系统
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双极耦合水环热泵空调系统图示 （1-小型水/空气热泵机组；2-补给水泵；3-定压装置；4-补水系统；5电动三通调节阀；6-蓄热水箱；7-空气/水热泵机组；8-冷却塔；9板式 换热器）
水环热泵的适用性

水环热泵空调系统是一种热回收系统，当 建筑物内有大量余热，而部分空调区域需 要供热时，通过水环热泵空调系统可将建 筑物内余热转移到需要热量的区域，水环 热泵空调系统可取得良好的节能效果。由 于我国幅员辽阔，地区差异较大，具体应 用时应根据当地气象条件、建筑形式、内 部负荷等因素作具体的经济分析与比较， 才能确定有效方案，以发挥水环热泵系统 的节能效果。
集成创新－水环多联机热泵系统


因为在大型建筑、高层建筑应用多联机系统时，会 因制冷剂管路配管过长，高差太大，变制冷剂流量 等因素而限制其使用，为保持多联机系统优点的前 提下解决掉上述问题，通过系统的集成创新，提出 供大型建筑、高层建筑应用的新型多联机系统形式。 系统组成 水环多联机热泵空调系统中采用小型水冷变频变容 热泵式多联机（水/空气热泵中的一种）替代传统水 环热泵空调系统中的室内小型水/空气热泵机组。其 它设备同传统水环热泵。




（1）从地理位置看，水环热泵系统最适用于适中的气候， 冬季不太冷而又需要供暖的地区，在温暖的冬季白天，往 往向阳房间需供冷，背阳房间却需供暖的地方。 （2）从建筑规模看，建筑规模宜大些，核心区面积要大 于周边区，或相当；核心区的总冷负荷最好与周边区热负 荷相当，且这种冷热负荷平衡的时间越长越好。 （3）从建筑负荷特点与建筑类型看，水环热泵系统最适 用于冬季核心区内热负荷较大的商场与办公楼，可利用内 热负荷来抵消周边区热损失的时间越长，数量越大，则越 经济。 （4）对于全年只有冷负荷没有热负荷的南方湿热地区的 空调建筑，和全年只有热负荷没有冷负荷的北方严寒地区 的空调建筑，采用水环热泵系统进行空调，在技术上虽是 可行的，但从经济上分析，是极不合理的，故应列为不适 用的范围之内。
• 重庆大学的刘宪英教授通过对水环热泵空调机 组的实测，对水环热泵机组的安装位置、噪音 和水系统型式等问题进行了分析 。 • 天津大学的李新国学者分析了水环热泵空调系 统的热学特性及其节能效果，提出了优化方法。 • 中国建筑科学研究院空调研究所的汪训昌教授 从工程设计角度，对水环热泵空调系统的热回 收特性及其使用场合作了全面阐述，并对设计 中常遇到的一些问题进行了讨论。
太阳能水环热泵空调系统
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闭式太阳能水环热泵空调系统原理 （1-小型水/空气热泵机组；2-闭式冷却塔；3-太阳能集热器；4-太 阳能加热器；5-太阳能热水循环泵；6-辅助加热器；7-水环路循环 水泵）
土壤源水环热泵空调系统
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土壤源水环热泵空调系统图示 （1-小型水/空气热泵机组；2-环路的循环水泵；3-定压装置；4-补水系统； 5-蓄水罐；6-地下埋管环路循环泵；7-地下埋管换热器）
水环热泵空调系统 Water-Loop Heat Pump System
• 定义： • 水环热泵空调系统是指小型的水/空气热 泵机组的一种应用方式，即用水环路将小 型的水/空气热泵机组（水源热泵机组）并 联在一起，构成一个以回收建筑物内部余 热为主要特征的热泵供暖、供冷的空调系 统。
水环热泵的本质
水环热泵循环水温范围


水环热泵空调系统的节能效果受到各种因 素的影响，包括建筑所处的气候类型、建 筑形式、建筑内部负荷以及环路循环水温。 在其他条件不变的情况之下，循环水温是 水环热泵机组运行能耗的决定性因素。 循环水温升高，制热工况下运行的水环热 泵机组的蒸发温度升高，其制热性能系数 （COP）增大。而此时，制冷工况下运行的 水环热泵机组的冷凝温度升高，其制冷能 效比（EER）减小。
制冷能效比随循环水温的变化
制热性能比随循环水温的变化
由图可知，整个水环热泵空调系统的效率与能耗与循环水温 之间存在着函数关系。可以通过优化环路循环水温来降低水 环热泵空调系统的全年运行能耗。

美国学者 J.A.Pietsch进行专 题研究，得到在冬 季运行时，水环热 泵系统中供热负荷 和制冷负荷的比值 与环路水温之间存 在着的关系：
• 水环热泵系统的出现、存在、发展，其生 命力在于具有热回收功能，其最主要、最 本质的优点是可以利用制冷空调房间排放 的冷凝热来加热供热空调房间，从而提高 了建筑物内部的能源利用系数。
国内外研究现状
• 水环热泵系统早在1955年就在美国申请 了专利，并于20世纪60年代在美国加尼 利福亚州出现，故也被称为“加利福尼 亚系统”；该系统在20世纪70年代进入 日本，并有很多工程实例的应用；80年 代以来进入我国，早期在深圳、上海、 北京等城市有一些工程实例。


关于水环热泵空调系统的循环水温范围， 国内外的标准不完全一样，国内多为15～ 35℃或16～35℃之间，而国外一般为16～ 32℃，但相差不大。 之所以这样取值，一方面是根据我国具体 气候条件，较大的温度范围可以减少冷却 塔和辅助加热设备的开启时间，另一方面 是因为与室温接近的循环水温热损失较小， 水环循环管路无需保温，而且不会造成管 道表面结露。
水环热泵空调系统的特点
水环热泵空调系统具有回收建筑内余热的 功能。 水环热泵空调系统具有灵活性： (1)室内水/空气热泵机组独立运行的灵活性 (2)系统的灵活扩展能力 (3)系统布置紧凑，简洁灵活 (4)运行管理的方便与灵活性 (5)调节的灵活性




水环热泵空调系统中虽然水环路是双管系 统，但与四管制风机盘管系统一样，可达 到同时供冷与供热的效果。 设计简单，安装方便 小型的水/空气热泵机组的性能系数不如大 型冷水机组（小型：EER:2.76～ 4.16,COP:3.3～5.0;螺杆式冷水机组： EER:4.88～5.25） 由于水环热泵空调系统采用单元式水/空气 热泵机组，小型制冷压缩机设置在室内 （除屋顶机组外），其噪声一般来说会高 于风机盘管机组。