水环热泵空调系统课件

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。1 1A A水环热泵空调系统Water-Loop Heat Pump 水环热泵的本质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。2 2A A水环热泵的本质水环热泵系统的出现、存在、发展，其生命力在于具国内外研究国内外研究现状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。3A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，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：4A1990年，美国的Zaidi,J.H.和Howell,R.H（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。5A（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。6AMcQuay和TRANE等美国公司也对水环热泵空调系统的性能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。7A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。8A重庆大学的刘宪英教授通过对水环热泵空调机组的实测，对水环热泵水水环热泵空空调系系统及其及其评价价n n水水环热泵环热泵空空调调系系统统的的组组成成 n n1、室内水源热泵机组（水/空气热泵机组）n n2、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 n n3、辅助设备（冷却塔、加热设备、蓄热装置等）n n4、新风与排风系统（通常采用独立新风）9 9A A水环热泵空调系统及其评价水环热泵空调系统的组成 9A典型的水典型的水环热泵空空调系系统原理原理图（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）1010A A典型的水环热泵空调系统原理图（1-水/空气热泵机组；2-闭式运行特点（运行特点（5种运行工况）种运行工况）1111A A运行特点（5种运行工况）11An n（1 1）所有）所有热泵热泵机机组组都都处处于制冷工况，向于制冷工况，向环环路中路中释释放放热热量，冷却塔全部运行，将冷凝量，冷却塔全部运行，将冷凝热释热释放到大气放到大气中，使水温下降到中，使水温下降到3535以下。以下。n n（2 2）大部分）大部分热泵热泵机机组组制冷，使循制冷，使循环环水温度上升，水温度上升，达到达到3232时时，部分冷却塔运行。，部分冷却塔运行。n n（3 3）当周）当周边边区的区的热负热负荷与内区的冷荷与内区的冷负负荷比例适当荷比例适当时时，排入水，排入水环环路中的路中的热热量与从水量与从水环环路中提取的路中提取的热热量相当，水温量相当，水温维维持在持在13133232范范围围内，冷却塔内，冷却塔和和辅辅助加助加热热装置停止运行，考装置停止运行，考虑虑到从内区到从内区转转移到移到周周边边区的区的热热量不可能每量不可能每时时每刻都平衡，因此，在每刻都平衡，因此，在系系统统中中设设有蓄有蓄热热容器，容器，暂暂存多余存多余热热量。量。n n（4 4）大部分机）大部分机组组制制热热，循，循环环水温度下降，达到水温度下降，达到1313时时，投入部分，投入部分辅辅助加助加热热器。器。n n（5 5）所有）所有热泵热泵机机组组都都处处于制于制热热工况，从水工况，从水环环路中路中提取提取热热量，量，这时这时，全部，全部辅辅助加助加热热器投入使用，使器投入使用，使循循环环水温度不低于水温度不低于1313。1212A A（1）所有热泵机组都处于制冷工况，向环路中释放热量，冷却塔全水环热泵空调系统的特点n n水环热泵空调系统具有回收建筑内余热的功能。n n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1313A A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n n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。n n设计简单，安装方便n n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:2.764.16,COP:3.35.0;螺杆式冷水机组：EER:4.885.25）n n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。1414A A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几种空调系统技术经济指标值的比较n n投投资费资费用：一般来用：一般来说说，水水环热泵环热泵空空调调系系统统的的投投资费资费用既低于四管用既低于四管制制风风机机盘盘管系管系统统，又，又低于双低于双风风道中央空道中央空调调（供冷供（供冷供热热）系）系统统。n n运行运行费费用：取决于当用：取决于当地气象条件，建筑物地气象条件，建筑物内外区面内外区面积积大小，建大小，建筑物功能等因素。筑物功能等因素。美国几种空调系统的相对造价1515A A几种空调系统技术经济指标值的比较投资费用：一般来说，水环热泵水环热泵循环水温范围n n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。n n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。1616A A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制冷能效比随循环水温的变化1717A A制冷能效比随循环水温的变化17A制热性能比随循环水温的变化1818A A制热性能比随循环水温的变化18A由由图图可知，整个水可知，整个水环热泵环热泵空空调调系系统统的效率与能耗与循的效率与能耗与循环环水温水温之之间间存在着函数关系。可以通存在着函数关系。可以通过优过优化化环环路循路循环环水温来降低水水温来降低水环热泵环热泵空空调调系系统统的全年运行能耗。的全年运行能耗。n n美国学者美国学者J.A.PietschJ.A.Pietsch进进行行专专题题研究，得到在冬研究，得到在冬季运行季运行时时，水，水环热环热泵泵系系统统中供中供热负热负荷荷和制冷和制冷负负荷的比荷的比值值与与环环路水温之路水温之间间存存在着的关系：在着的关系：1919A A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n n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1535或1635之间，而国外一般为1632，但相差不大。n n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。2020A A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，水环热泵的适用性n n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。2121A A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n n（1 1）从地理位置看，水）从地理位置看，水环热泵环热泵系系统统最适用于适中的气候，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，往往向阳房往向阳房间间需供冷，背阳房需供冷，背阳房间间却需供暖的地方。却需供暖的地方。n n（2 2）从建筑）从建筑规规模看，建筑模看，建筑规规模宜大些，核心区面模宜大些，核心区面积积要大要大于周于周边边区，或相当；核心区的区，或相当；核心区的总总冷冷负负荷最好与周荷最好与周边边区区热负热负荷相当，且荷相当，且这这种冷种冷热负热负荷平衡的荷平衡的时间时间越越长长越好。越好。n n（3 3）从建筑）从建筑负负荷特点与建筑荷特点与建筑类类型看，水型看，水环热泵环热泵系系统统最适最适用于冬季核心区内用于冬季核心区内热负热负荷荷较较大的商大的商场场与与办办公楼，可利用内公楼，可利用内热负热负荷来抵消周荷来抵消周边边区区热损热损失的失的时间时间越越长长，数量越大，数量越大，则则越越经济经济。n n（4 4）对对于全年只有冷于全年只有冷负负荷没有荷没有热负热负荷的南方湿荷的南方湿热热地区的地区的空空调调建筑，和全年只有建筑，和全年只有热负热负荷没有冷荷没有冷负负荷的北方荷的北方严严寒地区寒地区的空的空调调建筑，采用水建筑，采用水环热泵环热泵系系统进统进行空行空调调，在技，在技术术上上虽虽是是可行的，但从可行的，但从经济经济上分析，是极不合理的，故上分析，是极不合理的，故应应列列为为不适不适用的范用的范围围之内。之内。2222A A（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23A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，太阳能水环热泵空调系统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）24A太阳能水环热泵空调系统闭式太阳能水环热泵空调系统原理24A土壤源水环热泵空调系统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）25A土壤源水环热泵空调系统土壤源水环热泵空调系统图示25A井水源水井水源水环热泵空空调系系统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）26A井水源水环热泵空调系统井水源水环热泵空调系统闭式图示26A双双级耦合水耦合水环热泵空空调系系统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）27A双级耦合水环热泵空调系统双极耦合水环热泵空调系统图示27A集成集成创新水新水环多多联机机热泵系系统v 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。v系系统组成成v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。28A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（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）29A（1-水环多联机主机；2-室内机；3-水环路循环水泵；4-空水水环多多联机系机系统的特点：的特点：v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。v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。v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。v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。v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。v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。30A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工程工程实例（南京和园例（南京和园饭店水店水环热泵空空调）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 3131A A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空调系统对改造目的的符合性比较3232A A空调系统对改造目的的符合性比较32A工程工程总总冷冷负负荷荷为为1744.2KW1744.2KW，总热负总热负荷荷为为1046.5KW1046.5KW。选选用的水用的水环热泵环热泵空空调调系系统统的的组组成：成：1 1、选选用用150150台深圳麦克台深圳麦克维尔维尔空空调调公司生公司生产产的分体式水源的分体式水源热热泵泵机机组组，将水源，将水源热泵热泵的主机装在的主机装在卫卫生生间间的吊的吊顶顶内。内。2 2、保留原有空、保留原有空调调系系统统的冷却塔作的冷却塔作为热泵为热泵空空调调系系统统的排的排热热设备设备，由于原冷却塔，由于原冷却塔为为开式冷却塔，故又开式冷却塔，故又选选用一台用一台40m240m2阿法拉伐板式阿法拉伐板式换热换热器，使开式冷却塔与水器，使开式冷却塔与水环环路采用路采用间间接接连连接方式。接方式。3 3、选选用用320m320m2 2的清的清华华阳江太阳能阳江太阳能热热水器、水器、热热水箱和格水箱和格兰兰富循富循环泵环泵作作为为水水环热泵环热泵空空调调系系统统的加的加热设备热设备。4 4、选选用一台菲斯曼用一台菲斯曼1.25t/h1.25t/h的燃油蒸汽的燃油蒸汽锅锅炉，作炉，作为为太阳能太阳能不足不足时时系系统统的的补热设备补热设备。5 5、保留原有新、保留原有新风风系系统统，选选用空气源用空气源热泵热泵冷冷热热水机水机组组作作为为新新风风系系统统的冷的冷热热源。源。6 6、选选用一套中央自控系用一套中央自控系统统，可，可远远程控制各房程控制各房间间的水源的水源热热泵泵机机组组、锅锅炉、水炉、水泵泵、冷却塔、冷却塔设备设备的启停，的启停，记录记录、显显示各示各设备设备的运行情况、能耗、故障以及的运行情况、能耗、故障以及设备设备安全运行保安全运行保护护，打，打印各印各设备设备的能耗。的能耗。3333A A工程总冷负荷为1744.2KW，总热负荷为1046.5KW。本工程投本工程投资资340340万元，其中万元，其中设备费设备费用用170170万元，平均万元，平均每平米建筑面每平米建筑面积积空空调调造价在造价在200200元左右。在美国，一元左右。在美国，一个个设备齐设备齐全的水全的水环热泵环热泵空空调调系系统统的一次投的一次投资为资为32593259美元美元/m/m2 2 改造后空调系统的评价节约能耗费用，全年空调能耗费用可节省50%。机房面积减小。管理人员减少。对城市环境的影响变小。改造或空调效果好。3434A A本工程投资340万元，其中设备费用170万元，平均每平米建筑前景与任前景与任务1 1、水、水环热泵环热泵空空调调系系统统与其他空与其他空调调系系统统相比，具有相比，具有许许多多优优越性，是一种具有越性，是一种具有节节能与能与环环保意保意义义，灵活而，灵活而实实用的空用的空调调系系统统，在国内被，在国内被许许多工程成功采用。因此，它在多工程成功采用。因此，它在2121世世纪纪将会将会有广有广阔阔的的发发展前景，我国暖通空展前景，我国暖通空调领调领域域应应大力研究与大力研究与发发展展水水环热泵环热泵空空调调系系统统。3535A A前景与任务1、水环热泵空调系统与其他空调系统相比，具有许多优2、国内应大力开发与研究水/空气热泵机组，提高产品质量，降低噪声，为我国推广与应用水环热泵空调系统提供必要的条件。3、水环热泵空调系统时回收建筑物余热的系统，它的节能效果和环保效益与气象条件、建筑物特点及辅助热源形式（电、燃煤锅炉等）等因素有关。我国地域辽阔，东西地区、南北地区气候条件相差很大，各地实际的建筑形式与特点也各不相同，不对系统作出运行能耗的评价，就在全国各地采用水环热泵空调系统将会具有一定的盲目性，缺乏理论指导。3636A A2、国内应大力开发与研究水/空气热泵机组，提高产品质量，降低