談水環熱泵空調系統在辦公建筑中選用的優勢

張 哲

0 引言

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

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

筆者通過溫泉鎮工業用地北地塊創意產業園辦公建筑空調系統的設計選用分析,介紹了水環熱泵空調系統設計的原理和特點,闡述了水環熱泵和傳統風機盤管空調系統在設計中的區別,并在若干方面做出對比,總結了幾點設計經驗,僅供同行參考。

1 項目概況

北京溫泉鎮工業用地北地塊創意產業園項目位于北京市海淀區北清路溫泉鎮,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機房位置。展示中心內房間功能多,各房間營業時間不同,要求空調系統具有很高的靈活性。其他單體辦公建筑主要為租售用途的大開間辦公樓,對空調系統的舒適度要求較高。系統要求實現一年四季全年空調,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,內區和許多南向的房間供冷的需求。要求機組運行穩定,維修方便,不會影響其他業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,其土壤源熱泵參數并不理想;目前北京市嚴重缺水,利用地下水的系統審批越發困難。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系統選擇水環熱泵系統是較為理想的方案。

3 水環熱泵空調系統設計

3.1 系統原理

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

室內水環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”熱交換器作為蒸發器從空調房間吸取熱量從而達到為空調房間制冷的效果。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路,以水為排熱源;此時“水—制冷劑”熱交換器作為空調系統的冷凝器。機組供暖時,通過四通換向閥使制冷劑系統反向循環,“制冷劑—水”熱交換器作為蒸發器從公共水環路吸收熱量,“空氣—制冷劑”熱交換器作為冷凝器向空調房間釋放熱量,從而達到為空調房間供暖的效果。

當水環熱泵空調系統制熱運行的吸熱量小于制熱運行的放熱量時,公共水環路中的水溫度升高,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,公共水環路中的水才能維持在一定溫度范圍內,此時系統高效運行。

3.2 系統特點

1)利用低品位能源,系統高效節能環保。2)無需制冷機房,節省投資。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 溫泉項目設計經驗

4.1 解決高大空間空調氣流組織問題

本項目各建筑物內的高大空間,均要求空調系統的末端機組具有較高的機外余壓,這樣經末端處理后的空調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空調系統,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熱泵系統,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需同時供冷供熱的問題

北京地區,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空調系統,通常為兩管制系統,系統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熱泵系統,很好地解決了上述問題。

4.3 節省日常運行費用

末端使用風機盤管的傳統空調系統,其冷熱量均由集中制冷機房內的冷水機組或水源熱泵機組提供。在本項目初期部分區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生的低負荷運行工況,都會出現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節性能為25%,50%,75%,100%四擋調節,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象,顯然不節能,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節的機型,最低的安全運行負荷率也在20%,仍然會產生大馬拉小車的運行工況,不利于節能運行,從而造成日常運行費用的增加。

本項目采用的水環熱泵系統,運行方式類似于變頻多聯的VRV系統,各末端機組能夠獨立控制,根據用戶需求隨時開啟或關閉,從而實現空調系統的高效運行、節能控制,降低日常運行成本。

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

[2]陳海濤.空調系統節能措施淺析[J].山西建筑,2009,35(24):241-242.

[3]GB 50189-2005,公共建筑節能設計標準[S].

[4]DBJ 01-621-2005,公共建筑節能設計標準[S].