谈水环热泵空调系统在办公建筑中选用的优势

张 哲

0 引言

水环热泵空调系统是小型水源热泵空调机组的一种应用形式,其机组分散布置在用户末端,由公共水环路将各个末端机组并联在一起,用以排除热泵机组所产生的冷热负荷。该系统在20世纪60年代出现在美国的加利福尼亚州,故也称为加利福尼亚系统,至今已有将近50年的历史,是一套非常成熟的空调系统。

水环热泵空调系统中,因为建筑内区全年需要供冷,内区的热泵机组吸收室内热量向公共水环路释放。在冬季其热量被外区供热机组吸收,此时只需向公共水环路补充二者热量之差,即可保证系统的能量平衡。由于内区余热及各机组压缩机耗电所转换的热量融入公共水环路后被有效回收,又因为水环热泵机组是利用公共环路中低品位的常温水进行供冷或供热,所以该系统在适合的场所下应用,有较好的节能和环保效果。

笔者通过温泉镇工业用地北地块创意产业园办公建筑空调系统的设计选用分析,介绍了水环热泵空调系统设计的原理和特点,阐述了水环热泵和传统风机盘管空调系统在设计中的区别,并在若干方面做出对比,总结了几点设计经验,仅供同行参考。

1 项目概况

北京温泉镇工业用地北地块创意产业园项目位于北京市海淀区北清路温泉镇,包括展示中心,33栋办公楼,13栋住宅楼,1栋配套用房,总建筑面积为247 406.87 m2,地下1层、地上2层～4层,建筑总高度均为15 m。

2 办公建筑特性

本项目的展示中心建筑结构紧凑,除一层和二层主要为办公和接待外,其余房间多为休闲、娱乐等盈利性场所,各楼层均无大面积空调机房位置。展示中心内房间功能多,各房间营业时间不同,要求空调系统具有很高的灵活性。其他单体办公建筑主要为租售用途的大开间办公楼,对空调系统的舒适度要求较高。系统要求实现一年四季全年空调,满足在过渡季工况条件下,不同人员同时供冷或供热的需求;在冬季工况条件下北向房间供热的同时,内区和许多南向的房间供冷的需求。要求机组运行稳定,维修方便,不会影响其他业主正常的工作和生活。

此外,本项目无市政热力接口;通过试验井测试,其土壤源热泵参数并不理想;目前北京市严重缺水,利用地下水的系统审批越发困难。综上所述,为同时满足上述灵活性和舒适性的要求,本项目办公建筑的空调系统选择水环热泵系统是较为理想的方案。

3 水环热泵空调系统设计

3.1 系统原理

水环热泵空调系统即用公共水环路将多个水环热泵机组并联在一起,形成一个封闭环路。典型的水环热泵空调系统由三部分组成:1)室内水环热泵机组;2)公共水环路(15℃～40℃);3)辅助设备(室外冷却塔和辅热锅炉)。

室内水环热泵机组由全封闭压缩机,制冷剂/空气热交换器,制冷剂/水热交换器,四通换向阀,节流装置,风机和空气过滤器等组成。其工作原理如图1,图2所示。

机组供冷时,“空气—制冷剂”热交换器作为蒸发器从空调房间吸取热量从而达到为空调房间制冷的效果。制冷剂挟带从房间吸取的热量通过“水—制冷剂”热交换器将热量传递给公共水环路,以水为排热源;此时“水—制冷剂”热交换器作为空调系统的冷凝器。机组供暖时,通过四通换向阀使制冷剂系统反向循环,“制冷剂—水”热交换器作为蒸发器从公共水环路吸收热量,“空气—制冷剂”热交换器作为冷凝器向空调房间释放热量,从而达到为空调房间供暖的效果。

当水环热泵空调系统制热运行的吸热量小于制热运行的放热量时,公共水环路中的水温度升高,到一定程度时利用冷却塔放出热量;反之公共水环路中的水温度降低,到一定程度时通过辅助加热设备吸收热量。只有当水环热泵机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时,公共水环路中的水才能维持在一定温度范围内,此时系统高效运行。

3.2 系统特点

1)利用低品位能源,系统高效节能环保。2)无需制冷机房,节省投资。3)分户计量,使用灵活。4)具有回收建筑物余热的特有功能。5)运行可靠,维修简单。6)安装形式可灵活选用。

4 温泉项目设计经验

4.1 解决高大空间空调气流组织问题

本项目各建筑物内的高大空间,均要求空调系统的末端机组具有较高的机外余压,这样经末端处理后的空调风才能够满足高大空间送风的气流组织要求,尤其在冬季运行工况送热风的条件下。

末端使用风机盘管的传统空调系统,即使是高静压机型,其风机盘管机外余压最大只能达到50 Pa,无法满足上述要求;而本项目采用的水环热泵系统,末端机组的机外余压最大可达到160 Pa,完全能够解决上述问题。

4.2 解决冬季大量日射得热量导致南向房间过热和过渡季工况空调需同时供冷供热的问题

北京地区,过渡季工况时,在南向房间仍需供冷的情况下,北向房间已经需要同时供热了;而冬季工况晴天时,由于太阳高度角比夏季时低,阳光直接照射进房间的面积要远大于夏季,产生大量的日射得热量,导致南向房间过热,需要供冷才能满足舒适性要求。末端使用风机盘管的传统空调系统,通常为两管制系统,系统只能同时供冷或同时供热,无法满足上述要求;而本项目采用的水环热泵系统,很好地解决了上述问题。

4.3 节省日常运行费用

末端使用风机盘管的传统空调系统,其冷热量均由集中制冷机房内的冷水机组或水源热泵机组提供。在本项目初期部分区域投入使用时的低负荷运行工况,或是将来全部投入使用时因不同使用时段而产生的低负荷运行工况,都会出现冷水机组或集中水源热泵机组低负荷运行的情况。通常冷水机组或集中水源热泵机组的负荷调节性能为25%,50%,75%,100%四挡调节,在低负荷运行工况下,最低只能在25%负荷条件下输出,从而造成大马拉小车的现象,显然不节能,造成浪费;即使将冷水机组或集中水源热泵机组配置为无级调节的机型,最低的安全运行负荷率也在20%,仍然会产生大马拉小车的运行工况,不利于节能运行,从而造成日常运行费用的增加。

本项目采用的水环热泵系统,运行方式类似于变频多联的VRV系统,各末端机组能够独立控制,根据用户需求随时开启或关闭,从而实现空调系统的高效运行、节能控制,降低日常运行成本。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2008:5.

[2]陈海涛.空调系统节能措施浅析[J].山西建筑,2009,35(24):241-242.

[3]GB 50189-2005,公共建筑节能设计标准[S].

[4]DBJ 01-621-2005,公共建筑节能设计标准[S].