浅谈水环热泵中央空调系统的适用性研究

浅谈水环热泵中央空调系统的适用性研究
摘要：本文介绍了水环热泵中央空调系统的组成、原理、特点，分析了水环热泵系统在不同类型建筑应用中的优势，探讨了该系统在建筑物余热不足、机组性能系数不高、水环路水力不平衡、增加供配电系统投资等方面存在的一些问题。

强调必须根据不同类型建筑的特点和物业运行模式，综合分析和判断是否适合采用水环热泵中央空调系统。

关键词：水环热泵空调系统适应性空调系统节能
1 引言
所谓的水环热泵中央空调系统是指小型的水/空气热泵机组的一种应用形式，该系统利用水环路将众多单一的水/空气热泵机组并联在一起，并借助一定的冷热源（冷却塔、锅炉、地源或水源等）辅冷补热，形式一个封闭环路，构成一套以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵制冷、供暖的中央空调系统[1]。

2 水环热泵中央空调系统的组成和基本原理
2.1 系统组成
典型的水环热泵中央空调的系统组成主要有以下三部分：
分散、独立的小型水/空气热泵机组；
水循环管路、循环水泵；
辅助热泵设备（如冷却塔、锅炉、地源、水源、蓄能装置等）。

2.2 基本原理
水环热泵中央空调系统的基本工作原理是以环路中的冷却水为载体，在小型水/空气热泵机组制热时，以水载体为加热热源，热泵机组通过获得水环路中的热量来得到制热的目的；机组制冷时，热泵机组则以冷却水为排热热源，从而达到制冷的效果。

典型水环热泵中央空调系统的工作原理如图1所示。

图1 水环热泵空调系统工作原理图
3 水环热泵中央空调系统存在问题探讨
随着越来越多应用水环热泵中央空调系统的项目投入使用，该系统在使用过程中也暴露出一些问题，笔者以为值得研究和探讨。

3.1 建筑物余热不足的问题
水环热泵中央空调系统是利用建筑物内部余热的典型系统，对于有大量余热的建筑物，水环热泵系统可以利用水环路轻易地将内区的余热转移到需要热量的外区，从而达到系统高效运行，节约能源的目标。

然而如果建筑物的余热不足，而需要锅炉这样的辅助热源时，应用水环热泵中央空调系统就失去经济性了。

3.2 热泵机组的性能系数不高
一般的小型水/空气热泵机组的制冷能效比EER为2.8～4.2之间，而螺杆式冷水机组的制冷能效比一般可以达到4.9～5.3之间，有的可以高达5.5～5.8，离心式冷水机组的制冷能效比也可以达到5.0～6.4之间。

对于一年当中大部分时间只需要制冷的建筑，如超市、百货大楼、烧烤店、火锅店等，应用小型的水/空气热泵机组的经济性就不如使用大型的冷水机组。

3.3 水环路水力平衡问题
与常规的风机盘管机组相比，水环热泵机组对水环路中的水流量平衡性要求更高，一旦水管路中的水流量小于机组要求，必然会导致机组跳机，不工作。

而为了保证各机组流量达到相应要求，需要加大系统流量，带来运行能耗的增加。

水环热泵系统的这一显著特点对水管路的施工要求很高，管内有杂物未清理干净；应该使用三通的支管没有使用三通，而是直接焊接；水管路的上下翻越，弯头数量增加等，均有可能造成水管路系统不平衡。

3.4 增加供配电系统成本投资
水环热泵中央空调系统的能耗主要是大量的小型水/空气热泵机组，而这些机组分散在建筑的各个房间或商铺内，每台热泵机组的功率在1～4Kw之间，这势必增加末端的耗电量。

与传统的大型冷水机组，供配电系统将大量的电能供应到制冷机房不同，采用水环热泵系统的建筑物，其供配电系统需要将大量的电能分散地分配到各个房间或商铺，大量的电缆需要敷设到房间或商铺内，从而增加成本投资。

4 水环热泵中央空调系统在不同类型建筑物的应用分析
4.1 办公楼、公寓等建筑的应用
办公楼、公寓等建筑如果采用传统的中央空调，其运行费用较大，存在按面积公摊空调费用的问题。

而且大楼内上下班时间不同，个别办公室可能深夜加班，导致空调主机开启时间难以控制，空调费用的公摊也容易引起纠纷。

如果采用空
气源VRV机组，则存在机组综合能效比不高，空气源机组冬季制热效果差，容易结霜等问题。

此类建筑物采用水环热泵中央空调系统，每个租户安装电表，可以方便地计量电费，中央空调综合能效比也较空气源机组高，另外，某些房间的空调主机发生故障时，也不会影响到相邻房间空调的正常使用。

4.2 大型商业建筑的应用
大型的商业综合体建设量越来越大，许多功能混杂其中，而且商业建筑负荷分布严重不均衡，同一栋建筑中极有可能出现外区和朝北房间需要制热的同时，内区和朝南房间需要制冷的情况，建筑物内部存在大量的余热。

如果采用传统的中央空调系统，则需要必须采用四管制空调水管才能满足空调使用要求，投资高、水力平衡也难以控制。

大型商业建筑中有大量的承租商铺，通常由商家承担商铺内部的各种能源使用费用，采用水环热泵中央空调系统，可以很好地解决中央空调运行费用难以公平分摊的问题，避免管理上的矛盾[3]。

对于分批投入使用的商业建筑，应用水环热泵中央空调系统，还可以在设备投资上分批进行，缓解一次性投入的资金压力。

空调使用过程中，多少商铺开业，就使用多少商铺内的水环热泵机组，不造成额外的能源浪费。

4.3 宾馆、酒店、医院建筑的应用
此类建筑物内部没有大量的余热，冬季也需要长时间制热，而且电费基本上由业主方自行负责，不需要按房间分户计量，因此，此类建筑物使用水环热泵空调中央系统的经济性和实用性不是很好。

考虑到各个房间空调开启的时间过于自由，难以掌握，如果使用中央空调，需要保持制冷主机24小时开机（水环热泵系统需要循环水环24小时开启），运行费用高的特点，目前这类建筑物一般选用的是分体式空调。

4.4 超市、百货大楼等建筑的应用
此类建筑物一年当中绝大部分时间只需要制冷，建筑物内部余热不足，同时小型水/空气热泵机组的制冷能效比也较大型冷水机组低，所以此类建筑物较为适合采用大型冷水机组和全空气系统的组合，采用水环热泵中央空调系统的经济性不是很好。

5 总结
水环热泵中央空调系统属于典型的热回收系统，随着人们环保和节能意识的增强，经济的发展，合理正确地选用水环热泵中央空调系统，充分发挥其高效、节能、灵活性好等优点，可以取得良好的使用效果。

参考文献：
[1]姚杨，姜益强，马最良，等.水环热泵空调系统设计（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]林振华.水环热泵系统应用探讨[J].广东土木与建筑，2008，6，26-29.
[3]李杨德，余效恩，付衡.水环热泵空调系统在大型商业建筑中的适应性研究—以南京水游城项目为例[J].华中建筑，2012，30（2）：41-43.。