張 哲

0 引言

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是小型水源熱泵空調(diào)機組的一種應用形式,其機組分散布置在用戶末端,由公共水環(huán)路將各個末端機組并聯(lián)在一起,用以排除熱泵機組所產(chǎn)生的冷熱負荷。該系統(tǒng)在20世紀60年代出現(xiàn)在美國的加利福尼亞州,故也稱為加利福尼亞系統(tǒng),至今已有將近50年的歷史,是一套非常成熟的空調(diào)系統(tǒng)。

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中,因為建筑內(nèi)區(qū)全年需要供冷,內(nèi)區(qū)的熱泵機組吸收室內(nèi)熱量向公共水環(huán)路釋放。在冬季其熱量被外區(qū)供熱機組吸收,此時只需向公共水環(huán)路補充二者熱量之差,即可保證系統(tǒng)的能量平衡。由于內(nèi)區(qū)余熱及各機組壓縮機耗電所轉換的熱量融入公共水環(huán)路后被有效回收,又因為水環(huán)熱泵機組是利用公共環(huán)路中低品位的常溫水進行供冷或供熱,所以該系統(tǒng)在適合的場所下應用,有較好的節(jié)能和環(huán)保效果。

筆者通過溫泉鎮(zhèn)工業(yè)用地北地塊創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)的設計選用分析,介紹了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計的原理和特點,闡述了水環(huán)熱泵和傳統(tǒng)風機盤管空調(diào)系統(tǒng)在設計中的區(qū)別,并在若干方面做出對比,總結了幾點設計經(jīng)驗,僅供同行參考。

1 項目概況

北京溫泉鎮(zhèn)工業(yè)用地北地塊創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園項目位于北京市海淀區(qū)北清路溫泉鎮(zhèn),包括展示中心,33棟辦公樓,13棟住宅樓,1棟配套用房,總建筑面積為247 406.87 m2,地下1層、地上2層～4層,建筑總高度均為15 m。

2 辦公建筑特性

本項目的展示中心建筑結構緊湊,除一層和二層主要為辦公和接待外,其余房間多為休閑、娛樂等盈利性場所,各樓層均無大面積空調(diào)機房位置。展示中心內(nèi)房間功能多,各房間營業(yè)時間不同,要求空調(diào)系統(tǒng)具有很高的靈活性。其他單體辦公建筑主要為租售用途的大開間辦公樓,對空調(diào)系統(tǒng)的舒適度要求較高。系統(tǒng)要求實現(xiàn)一年四季全年空調(diào),滿足在過渡季工況條件下,不同人員同時供冷或供熱的需求;在冬季工況條件下北向房間供熱的同時,內(nèi)區(qū)和許多南向的房間供冷的需求。要求機組運行穩(wěn)定,維修方便,不會影響其他業(yè)主正常的工作和生活。

此外,本項目無市政熱力接口;通過試驗井測試,其土壤源熱泵參數(shù)并不理想;目前北京市嚴重缺水,利用地下水的系統(tǒng)審批越發(fā)困難。綜上所述,為同時滿足上述靈活性和舒適性的要求,本項目辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)選擇水環(huán)熱泵系統(tǒng)是較為理想的方案。

3 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)原理

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)即用公共水環(huán)路將多個水環(huán)熱泵機組并聯(lián)在一起,形成一個封閉環(huán)路。典型的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由三部分組成:1)室內(nèi)水環(huán)熱泵機組;2)公共水環(huán)路(15℃～40℃);3)輔助設備(室外冷卻塔和輔熱鍋爐)。

室內(nèi)水環(huán)熱泵機組由全封閉壓縮機,制冷劑/空氣熱交換器,制冷劑/水熱交換器,四通換向閥,節(jié)流裝置,風機和空氣過濾器等組成。其工作原理如圖1,圖2所示。

機組供冷時,“空氣—制冷劑”熱交換器作為蒸發(fā)器從空調(diào)房間吸取熱量從而達到為空調(diào)房間制冷的效果。制冷劑挾帶從房間吸取的熱量通過“水—制冷劑”熱交換器將熱量傳遞給公共水環(huán)路,以水為排熱源;此時“水—制冷劑”熱交換器作為空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器。機組供暖時,通過四通換向閥使制冷劑系統(tǒng)反向循環(huán),“制冷劑—水”熱交換器作為蒸發(fā)器從公共水環(huán)路吸收熱量,“空氣—制冷劑”熱交換器作為冷凝器向空調(diào)房間釋放熱量,從而達到為空調(diào)房間供暖的效果。

當水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱運行的吸熱量小于制熱運行的放熱量時,公共水環(huán)路中的水溫度升高,到一定程度時利用冷卻塔放出熱量;反之公共水環(huán)路中的水溫度降低,到一定程度時通過輔助加熱設備吸收熱量。只有當水環(huán)熱泵機組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時,公共水環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi),此時系統(tǒng)高效運行。

3.2 系統(tǒng)特點

1)利用低品位能源,系統(tǒng)高效節(jié)能環(huán)保。2)無需制冷機房,節(jié)省投資。3)分戶計量,使用靈活。4)具有回收建筑物余熱的特有功能。5)運行可靠,維修簡單。6)安裝形式可靈活選用。

4 溫泉項目設計經(jīng)驗

4.1 解決高大空間空調(diào)氣流組織問題

本項目各建筑物內(nèi)的高大空間,均要求空調(diào)系統(tǒng)的末端機組具有較高的機外余壓,這樣經(jīng)末端處理后的空調(diào)風才能夠滿足高大空間送風的氣流組織要求,尤其在冬季運行工況送熱風的條件下。

末端使用風機盤管的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng),即使是高靜壓機型,其風機盤管機外余壓最大只能達到50 Pa,無法滿足上述要求;而本項目采用的水環(huán)熱泵系統(tǒng),末端機組的機外余壓最大可達到160 Pa,完全能夠解決上述問題。

4.2 解決冬季大量日射得熱量導致南向房間過熱和過渡季工況空調(diào)需同時供冷供熱的問題

北京地區(qū),過渡季工況時,在南向房間仍需供冷的情況下,北向房間已經(jīng)需要同時供熱了;而冬季工況晴天時,由于太陽高度角比夏季時低,陽光直接照射進房間的面積要遠大于夏季,產(chǎn)生大量的日射得熱量,導致南向房間過熱,需要供冷才能滿足舒適性要求。末端使用風機盤管的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng),通常為兩管制系統(tǒng),系統(tǒng)只能同時供冷或同時供熱,無法滿足上述要求;而本項目采用的水環(huán)熱泵系統(tǒng),很好地解決了上述問題。

4.3 節(jié)省日常運行費用

末端使用風機盤管的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng),其冷熱量均由集中制冷機房內(nèi)的冷水機組或水源熱泵機組提供。在本項目初期部分區(qū)域投入使用時的低負荷運行工況,或是將來全部投入使用時因不同使用時段而產(chǎn)生的低負荷運行工況,都會出現(xiàn)冷水機組或集中水源熱泵機組低負荷運行的情況。通常冷水機組或集中水源熱泵機組的負荷調(diào)節(jié)性能為25%,50%,75%,100%四擋調(diào)節(jié),在低負荷運行工況下,最低只能在25%負荷條件下輸出,從而造成大馬拉小車的現(xiàn)象,顯然不節(jié)能,造成浪費;即使將冷水機組或集中水源熱泵機組配置為無級調(diào)節(jié)的機型,最低的安全運行負荷率也在20%,仍然會產(chǎn)生大馬拉小車的運行工況,不利于節(jié)能運行,從而造成日常運行費用的增加。

本項目采用的水環(huán)熱泵系統(tǒng),運行方式類似于變頻多聯(lián)的VRV系統(tǒng),各末端機組能夠獨立控制,根據(jù)用戶需求隨時開啟或關閉,從而實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高效運行、節(jié)能控制,降低日常運行成本。

[1]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:5.

[2]陳海濤.空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施淺析[J].山西建筑,2009,35(24):241-242.

[3]GB 50189-2005,公共建筑節(jié)能設計標準[S].

[4]DBJ 01-621-2005,公共建筑節(jié)能設計標準[S].