空氣源熱泵在泳池加熱上的應用與分析

陳 浩 羅海強 代京京 李德亮

上海中建海外發展有限公司 上海 200125

為滿足游泳池的水溫標準，需要對泳池循環水進行熱量補充，目前燃油或燃氣鍋爐等加熱方式，在經濟和環保方面缺陷明顯，因此越來越多的人選擇了空氣源熱泵。空氣源熱泵作為一項極具開發和應用潛力的高效節能、環保新技術，具有廣闊的實用價值[1-3]。

1 空氣源熱泵的實際應用情況

1.1 項目游泳池加熱系統設計概況

毛里求斯綜合體育場項目的泳池加熱系統選用了16套KFRS-Y96SM/NaAS型號的泳池用空氣源熱泵，分別供給競賽池（10套）和熱身池（6套）使用，用于全年的泳池供熱。競賽池和熱身池加熱系統各自配有一套熱水循環泵。

1.2 熱泵制熱水流程

壓縮機吸入低壓過熱制冷劑蒸汽，經壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽，進入水側換熱器給泳池水加熱，從而冷凝成飽和或過冷的制冷劑液體。經過電子膨脹閥節流后，進入翅片換熱器吸收環境的熱量汽化蒸發，進入汽液分離器，再被壓縮機吸入壓縮，進行下一次循環（圖1）。

圖1 熱泵制熱水流程

1.3 運行工作原理

本項目泳池用熱泵熱水機組采用模塊化安裝（圖2）。

圖2 模塊化安裝原理

機組通過水泵使泳池的水經過機組中的套管換熱器循環加熱，當進水溫度設定為45℃時，在機組進水溫度＜42℃時，壓縮機啟動工作。當泳池的水溫上升到設定溫度45℃時，壓縮機停止工作。本項目未設置輔助電加熱。

1.4 實際運行狀態分析

1.4.1 運行故障

根據試運行階段對泳池加熱系統的運行狀態監測，發現存在如下問題：

1）以競賽池為例，正常運行情況下，機組進出水溫差在3～6 K之間較好，夏季不超過7 K，冬季不超過4 K。運行階段，機組進出水溫差常出現大于7 K的情況，或顯示水流開關保護的錯誤。出現這種情況，說明系統內水流量偏小，原因有水過濾器堵塞、空氣未排凈、管路系統阻力過大等。通過對系統的檢查，逐一排除可能的原因，最后確認原因是一次側熱交換器（由業主指定的泳池專業廠家提供）的交換流量過小（只有12.5 L/s）。單臺熱水機組的循環水流量為4.54 L/s，10臺機組同時開啟的情況下，總流量將遠超過12.5 L/s，熱交換器的交換能力遠不能達到空氣源熱泵機組的流量要求。

2）在原設計工況下，10臺機組同時開啟，2臺熱水循環泵工作（第3臺備用）。根據對熱泵機組實際運行的數據記錄，機組加熱達到設定出水溫度的時間一般為10 min。在壓縮機停止工作約30 min，機組進水溫度＜42 ℃時，壓縮機將再次啟動工作。壓縮機出現啟停過于頻繁的情況。產生原因主要有水系統管路循環不良、水系統堵塞或有空氣等。在檢查水泵、閥門、管路或排凈空氣后，仍然存在此問題。在協同機組廠家人員分析排查后，確認主要的原因仍是一次側熱交換器的交換流量過小。

1.4.2 解決措施

最佳的解決措施是更換熱交換器，選擇滿足空氣源熱泵交換流量的熱交換器。但由于一次側熱交換器由業主方指定的泳池專業分包負責，且受現場賽事需要，因此該措施暫不考慮。

為使整套泳池加熱系統達到最佳的運行狀態，結合試運行階段的調試數據，對設備的運行工況進行了調整，具體采取的措施如下[4-6]：

1）競賽池系統。按熱泵機組的編號，開啟1#～3#的3臺機組，其他7臺機組關閉。同時進機組的閥門需全部關閉，保證管網系統水流量。熱水循環泵的運行模式調整為用戶設置模式，由變頻調整為共頻，頻率設置為80%，數量為兩用一備。熱泵機組和水泵的運行可每隔一個周期（自主選擇，以周、月計），手動開關設備進行輪換運行，以確保各臺設備運行狀況良好。

2）熱身池系統。按熱泵機組的編號，開啟1#～3#的3臺機組，其他3臺機組關閉。同時進機組的閥門需全部關閉。熱水循環泵的運行模式調整為用戶設置模式，由變頻調整為共頻，頻率設置為80%，數量為兩用一備。熱泵機組和水泵的運行可每隔一個周期（自主選擇，以周、月計），手動開關設備進行輪換運行。

1.4.3 采取措施后的效果

通過上述的調整措施，可最大限度地增大水流量，將機組進出水溫差控制在合理范圍內，減少了壓縮機啟停的頻率，在現有情況下能確保系統達到最佳運行狀態。

2 效益分析

2.1 社會效益評估

每年空氣源熱泵提供可利用的熱量＝1 764 MJ/h× 24 h×365＝1.55×107MJ（其中1 764 MJ/h為熱水設計耗熱量）。

空氣源熱泵熱水系統的環保效益體現在因節省常規能源而減少了污染物的排放，主要指標為CO2的減排量。將系統壽命的節能量折算成標準煤，然后將標準煤中碳的含量折算成CO2，即為空氣源熱泵熱水系統CO2的減排量。經計算可知，空氣源熱泵系統每年可減少CO2排放量約為1 660 t。

2.2 經濟效益評估

毛里求斯屬亞熱帶海洋性氣候。全年分夏、冬兩季，每年的11月份到次年的4月為夏季，平均氣溫23～33 ℃。每年的5月份到10月份為冬季，平均氣溫17～24 ℃。

以加熱100 t的50 ℃熱水為例，經計算，電鍋爐全年所需費用約為264.4萬元，空氣源熱泵全年所需費用約為58.34萬元，即空氣源熱泵全年的運行費用約只有電鍋爐的1/4.5，大大節約了電力的消耗。

綜上所述，空氣源熱泵具有初期投入低、高效節能、零污染排放、系統運行費用相對較低、適用范圍廣、供熱時間長、可實現全天候運行、受天氣和氣候影響較小等特點。將空氣源熱泵應用在毛里求斯綜合體育場項目泳池系統上，在實現功能的前提下，充分發揮了其社會效益和經濟效益[7-9]。

在全球變暖日益嚴重的今天，選用更加清潔、能效高的空氣源熱泵，從長遠來看，值得優先選擇。

3 系統設計和施工上存在的不足

3.1 設計上的不足

一方面，原設計空氣源熱泵機組所在屋面空間局促，空調機組、管線、橋架等排布非常緊湊，管道翻彎較多，雖經過深化設計，對各專業管線也進行了優化排布，但仍存在初期管道系統內排氣不暢的問題，且缺少必要的檢修通道，給后期的運營維護帶來一定的困難。

另一方面，進出水熱泵機組的閥門均為機械閥門，非電磁閥，BMS遠程選擇熱泵機組臺數開啟時，為保證水系統流量，在無法自動關閉進水閥門的情況下，只能通過人工手動操作關啟閥門，設計上存在一定的缺陷。

3.2 施工上的不足

泳池加熱水系統使用的黑鋼管采用焊接方式連接，在系統閉式循環沖洗管道時，焊渣無法完全清洗排走。在試運行期，雖然在熱水循環泵和熱泵機組進水口均增加了過濾器，以防止雜質進入設備中，對設備造成損壞，但在對系統沖洗多次、目測出水清澈的情況下，仍然導致一臺熱水循環泵的機鋒被擊穿。通過開機檢查，發現水泵內存在大量細小的焊渣粉末。經排查發現，過濾器的孔徑偏大，導致雜質流入泵體內[10-13]。

4 系統改進方案

空氣源熱泵作為泳池加熱系統中重要的一部分，為達到設備運行的最佳狀態，需要充分考慮與系統中其他設備的配合，特別是涉及BMS方面。通過運行觀察，不斷調整，最終選擇適合本項目的設備運行參數。在現場安裝過程中，總結出如下的改進方案：

1）在系統按設計圖紙安裝的前提下，要預先考慮到設備運行監測的需求，對原設計一次側熱交換器的交換流量進行校核。在熱泵機組進出水口處須安裝壓力表和電磁閥，用以檢測水流量。在水系統的最高點或管道爬坡凸起處安裝自動排氣閥，保證管道內空氣順利排出。

2）水泵進水口前須安裝過濾器（30目，即孔徑600 μm），以防止機組內套管換熱器的堵塞，同時，要定期清洗。

3）在水泵進出水口、一次側熱交換器進水口上，除安裝溫度傳感器和壓力傳感器外，還需要安裝物理溫度計和壓力表，用以比較和校準傳感器的讀數（圖3）。

圖3 競賽池一次側熱交換器

傳感器取源部件的預留在管道試壓前應完成，要事先與弱電專業溝通確認好預留的數量和部位。

5 結語

毛里求斯綜合體育場項目采用的泳池用空氣源熱泵，運行時高效節能，匹配優化的制熱系統和可靠的控制技術，確保機組在各種環境狀況下運行時均具有良好的效率，同時兼具環保、節省費用的特性。在實際應用上，為使加熱系統能充分發揮其效率，需要和其他專業相協調，在優化設計、保證施工質量的基礎上，調整運行參數至合理的運行范圍。通過本文對室外游泳池加熱系統采用空氣源熱泵的實際應用與運行分析，可為類似工程的加熱方式選擇提供一定的參考。