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图书馆空调系统

水源热泵系统设计说明书

1水源热泵中央空调系统特点

1.1简介

水源热泵中央空调系统的构思，最早是1961年由美国加州热泵公司提出的。

实际上，它是以一个双管封闭的水系统连接建筑中全部水源热泵机组，从而构成一个中央空调系统。

地球表面浅层水源，如深度在1000m以内的地下水以及地表的河流、湖泊和海洋，吸收了大量的太阳辐射能量，从而使水源的温度稳定在一定的范围内（如湖南地区地下水温维持在15～20℃）。

水源热泵机组工作原理就是采用地下水源作为蓄冷或蓄热体，在夏季将建筑物中的热量取出释放到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量；在冬季通过载热媒介从地下水源取热，提高温度后，供给建筑物室内。

采暖[1]。

通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量，机组性能系数COP高。

水源热泵系统可同时实现供暖、制冷及供应生活热水，一机多用，具有较高的设备利用率。

特别是对于同时有空调供冷、暖要求以及集中供应卫生热水的建筑物，有着明显的优势。

目前，水环热泵由于有一定的节能和节约机房面积的特点，在近几年有长足的发展。

水环热泵的优点是：

对于内区需要供冷，外区同时需要供热的大面积建筑可以同时实现制冷和制热，有热回收功能；其次是省去了冷热源机房，节省了初投资；且可以独立安装电表，便于分户计量。

水环热泵机组较传统中央空调系统节能，节能率在17%以上[1]。

然而，水环热泵应用于不同类型建筑时节能率不同。

对于宾馆，负荷波动比较大，使用水环热泵空调系统，节能效果最为显著，节能率为26.20%；对于办公楼，建筑物空调负荷大都集中在40%~80%之间，传统中央空调系统在此负荷率段系统能效比较高，使用水环热泵空调系统节能效果没有宾馆那样显著。

对于住宅楼，节能效果居于前二者之间。

1.2水环热泵系统的组成

水环热泵空调系统由四部分组成：

室内水源热泵机组（水/空气热泵机组）、水循环环路、辅助设备（冷却塔、加热设备、蓄热装置）、新风与排风系统。

1.3水源热泵的工作原理

水环热泵空调系统是指用水环路将水/空气热泵联成一个封闭的水环路。

以建筑物内部余热为低位热源的热泵系统，其原理如图1所示，在制热时,以水为加热源，在制冷时以水为排热源。

机组供冷运行时，水侧热交换器作为冷凝器用，风侧热交换器作蒸发器用；机组供热运行时，二者作用恰好相反，若空调房间达到设定温度时，热泵中的压缩机就停止工作，机组既不供冷也不供热。

当水源热泵空调机组制冷运行的放热量大于制热运行的吸热量时，环路中水的温度上升，当超过一定值时,通过冷却塔将热量放出，反之则环路中水的温度将下降，当其低于一定值时，通常使用加热装置对循环水进行加热。

只有当水源热泵空调机组制冷运行的放热量和制热运行的吸热量基本相同时，环路中的水温才能维持在一定范围，此时,既不开启冷却塔，也不启动加热装置，系统高效运行。

而只有当建筑物内有大量余热且外区需要热量时，通过水环热泵空调系统将建筑物内的余热量转移到需要热量的区域，才能够收到良好的节能效果。

1.4水环热泵系统的运行优点

根据空调场所的需要，水环热泵可能按供热工况运行，也可能按供冷工况运行。

夏季，各热泵机组都处于制冷工况，向环路中释放热量，冷却塔全部运行，将冷凝热量释放到大气中，使水温降到35℃以下。

当大部分热泵机组制冷使循环水温上升并达到32℃时，部分循环水流经冷却塔。

在过渡季节，当周边区的热负荷与内区的冷负荷比例适当时，排入水环路的热量与从环路中提取的热量相当，水温维持在13~15℃范围内，冷却塔和辅助加热装置停止运行。

当大部分机组制热使循环水温度下降并达到13℃时，投入部分辅助加热器。

在冬季可能所有的水源热泵机组都处于制热工况，从环路循环水中吸取热量，这时全部的辅助加热器全部投入运行，使循环水水温不低于13℃

①节省能源

水源热泵机组具有比风冷热泵机组高的效率，故可降低电耗。

水源热泵可与用户的单独电表连接而由用户自己负担空调的电费，减低业主用电负荷，特别适合于出租办公楼及出租公寓，更能使用户养成节约能源的习惯。

当整幢建筑中只有部分房间使用时，只需开启个别分区的热泵机组及循环水系统。

另外可以同时供冷和供热，实现系统内部能量平衡，减少了冷却塔和加热设备的运行时间，达到节能目的。

②无需集中机房，投资较低

水源热泵系统化整为零，投资与传统的中央空调系统大致相当。

但无需集中制冷机房、锅炉房、空调机房，减少了设备间的面积。

所需要的风管少，降低了楼层高度。

无保温的水管系统减少了材料费。

热泵机组在工厂预先组装，减少了在工地的装配工作。

温度自控装置亦组合于热泵机组中，无需另设控制中心或控制室。

③应用灵活

此种热泵系统适用于各式新建或改建的建筑。

新建大楼可先安装水源热泵的主管及支管，热泵机组则可在装修时按用户实际需要来配置。

对于改建工程，采用水源热泵系统则更为方便，它可以省去用户新建制冷机房的麻烦。

④满足用户的各种需要

用户可根据不同季节或实际需要来选择供暖或制冷，或部分供暖部分制冷，这在两管制风机盘管系统中是难以实现的。

而且系统热效率不会受室外温度变化的影响。

夜间或周末任何用户都可随意进行房间的供暖或供冷调节，此时由于循环水的蓄热（冷）量，往往不需运行加热或冷却系统（即能维持水温在巧一35℃范围内）。

不受大楼中央空调系统关闭的限制，或因一两户的使用而要启动整个中央空调系统，浪费能源。

热泵机组选用的设备均衬有吸声材料，运转噪声较低;体积小，可隐藏在如吊顶空间内，而不占室内空间。

⑤运行维修简便

由于系统设备简单，安装方便，启动调整容易，分区设计灵活，故障非常少，不需配备熟练的工程师。

即使一台热泵出故障也不会影响大楼其它用户。

⑥设计简捷

由于本系统控制装置少，风管压力低且水路配管简单，故设计周期通常只有常规空调系统之一半。

这种系统的不足之处是:

①在过渡季不能最大限度地利用新风;②空气净化、加湿措施略为复杂

2投资费用分析

2.1工程概述

盐城工学院（新校区）图书馆大楼。

盐城工学院新校区图书馆总建筑面积约为37200平方米。

其中，地上九层，建筑面积约为33600平方米；地下车库一层（人防），建筑面积约为3600平方米，其中空调面积为2.9万平方米。

主要功能布局简表

楼层

B区

D区

8

档案馆办公区

校史馆

7

化工纺织学科文献室

自然科学学科文献室

6

人文社科平台

社会科学学科文献室

5

语言数理化学科文献室

电气自动化学科文献室

4

经济管理学科文献室

机械建筑学科文献室

3

文艺史地学科文献室

电子阅览室

2

读者协会

考研自修室

1

24小时自修室

文献资源建设部

-1

地下室

备注

总借书台（2楼）

总还书台（2楼）

2.2传统初步中央空调系统方案

地下室一层设中央空调冷冻站，冷冻站面积为300平方米，安装合众开利公司离心式冷水机组3台，每台制冷量1000kw，总装机容量3000kw（或者安装2台1000kw的离心式冷水机组，加1台1000kw的多机头活塞式冷水机组）。

3台配置可使全年的运行调节方便，适应不同季节冷负荷的要求并节约能源。

采用3台冷冻水泵并联运行，互为备用。

在顶层平台上设3座低噪声横流式冷却塔，每台250t/h，采用3台冷却水泵并联运行。

顶层采用低速送风的全空气处理系统，分别采用通惠开利公司的39F空气处理机组，表冷器内冷冻水由地下室总冷冻机房供给，处理后的冷风经送风管由散流器或条形风口送入室内。

1层至8层的办公室和商务套房均采用风机盘管加新风系统，风机盘管为上海新晃公司生产的ECR型，新风机组为通惠开利公司的39F型，风机盘管位于房间的吊顶内，卧式暗装。

水系统采用两管制。

冷冻水循环流量600t/h，冷冻水为一次泵系统。

冷冻水从冷冻站分4路供出，一路供地下1层至2层低区空调机组;第二路供3至4层高区新风机组，第三路供5层至6层低区风机盘管，第四路为7层至8层高区风机盘管供水。

整个大楼设中央控制系统，全面控制制冷、空调、通风系统。

在送回风空调机组和新风机组设机组的自控装置。

房间风机盘管水量由室温控制器调节回水管上的电动二通阀来控制，风量由三速调节器按需要由人工调节

2.3初步水源热泵中央空调系统方案

地下一层设热交换站，热交换站面积为150平方米，共安装3台循环水泵和3台冷却水泵，每台水泵流量为250m3/h，扬程32m。

热交换站内还安装4台板式换热器，每台换热面积100平方米，在四层平台上设3座低噪声横流式冷却塔，每台250t/h。

地下一层至二层设置VARI型大型集中热泵机组，通过风管分别将冷热风送至地下室1层2层借书台，2层至8层的新风用wE型水一水热泵机组进行处理;2层至8层的办公室和阅览室采用HS型卧式热泵机组，该机组安装在房间的吊顶内，通过小型软风管连接送回风口。

水源热泵冬季供热时，需要辅助热源，以维持循环水温高于巧℃。

通常，辅助加热量约为供暖热负荷的30%。

水系统实际上为双管系统。

循环水流量600m3/h，循环水从热交换站分三路供出，一路供地下1层至3层低区空调热泵机组;二路为4至6层高区新风热泵机组;三路为7至8层房间吊顶内卧式热泵机组。

热泵系统的自动控制。

整个大楼的热泵系统由中央控制室的微机和DDC系统进行运行和优化控制;热泵机组保护均由设备自带;办公室和商务套房热泵机组的出风温度和冷热转换由恒温器根据室温调节，风量由三速调节器按需要人工调节

2.4方案选择

两种方案除了主要设备不同外，其余设备如冷冻水泵（或热泵方案中的循环水泵）、冷却水泵、冷却塔及水系统设备，风机、风口以及防火排烟系统设备基本是相同的。

其他如设计费、调试费、综合费用等可认为是相同的。

由此可以认为水源热泵中央空调系统的投资费用，与传统中央空调系统相当，所以选择水源热泵。

3水环热泵系统设计

3.1机组容量的确定

首先确定水源热泵的机组运行的基本参数，即机组进风干、湿球温度。

环路水温在13~35℃之间，冬季进水温度宜控制在13~20℃,当水温低于13℃时，辅助加热投入运行；夏季供水温度一般按照当地夏季空气调节室外计算湿球温度加3~4℃考虑。

然后确定机组空气处理过程，选择合适的水源热泵机组形式与品种。

选定机种后，根据机组送风足以消除室内的全热负荷（含潜热、显热和新风部承担室内负荷时）的原则来估计机组的风量范围，再由风量和制冷量的大致范围预选机组的型号和台数。

每个建筑分区内的机组台数不宜过多，对于大的开启式办公室，若选用十几台小型机组，不但会增加投资，而且会使水系统复杂和噪声增大。

所以，在一些大的开启式的空间选用大型机组比较合适。

但是，对周边区的空调房间来说，水源热泵机组应同时满足冬、夏季设计工况下的要求。

对内区房间来说，水源热泵机组按照夏季设计工况选取。

根据水源热泵机组的实际运行工况和工厂提供的水源热泵机组特性曲线或者性能表，确定水源热泵机组的制冷量、排热量、吸收热量、输入功率等性能参数。

将修正后的总制冷量及显制冷量与计算总制冷量和显制冷量相比较，如果其差值小于10%左右，则认为所选热泵机组是合适的。

设计选型原则如下:

①一般情况下按空调冷负荷确定机组型号。

②水系统进水温度一般为巧一35℃。

对特殊情况也可应用一4℃乙二醇溶液。

③水量及风量确定原则。

一般每kw的水流量为0.19m3/h，风量为145一253m3/h。

④实际制冷量及制热量要根据室内设计干、湿球温度进行修正。

⑤最后选型时应选取比计算冷负荷小（比如小10%）的机组型号。

机组选型

①设计参数

室内设计干球温度26.7℃，湿球温度17.8℃;

空调总负荷5744W;显热负荷4348W;进风干球

温度26.7℃;进风湿球温度17.8℃。

②选取水、风系统参数

进水温度32.2℃，水流量0.28L/s（考虑6.7

℃的温升）;风量330L/s。

③初步选7kw（ZUSrt）的HS（）24热泵机组，其

对应设计水量和进水温度的总制冷量和显热制冷量

如下:

总制冷量5878W;显热制冷量4534W;总供

热量7603W。

④在室内设计干湿球温度下，总制冷量、显热制

冷量和总供热量的修正。

在水源热泵样本中[2]查得湿球温度修正系数和

风量修正系数。

修正后的总制冷量=5878X0942X0.991

=5487W

修正后的显热制冷量=4534XI.118XO.898

=4552W

修正后的总供热量=7603大0.952X0.989

=7158W

⑤将修正后的总制冷量及显热制冷量与计算总制冷量和显热制冷量相比较，其差值小于10%，因而认定所选热泵机组是合适的

3.2冷却系统

①热泵机组在夏季工作时，全部机组处于制冷工况，当循环水温度超过35℃时，需要进行冷却。

由于循环水直接流经热泵机组的热交换器（供冷工况，即冷凝器），所以应该采用闭式冷却水塔。

目前国内已有一些闭式冷却塔产品，但闭式冷却塔使用大量的铜管，价格较高，一般为开式冷却塔的2一3倍。

另外重量大，是开式冷却塔的4倍左右，给建筑结构设计带来困难。

在我国目前经济状况下，普遍使用还较困难。

②当采用开式冷却塔时，建议用板式热交换器将冷却水和循环水分开，以保证循环水系统水质干净及压力平衡。

③板式热交换器设计参数的选用板式热交换器冷却水、循环水进出口水温的确定，要根据当地的气象条件（主要指夏季空调湿球计算温度）及一次投资和运行费用的比较来定。

一般情况下，冷却水的供水温度tLI要比当地的夏季空调湿球计算温度高4一6℃，冷却水的温差为4一6℃，循环水的出水温度tK，比冷却水的供水温度气，高2℃左右，循环水温差取5℃左右。

3.3热源系统

①当热泵机组在冬季工作时，全部机组处于，制热工况，对于气候温和地区，室内传递给循环水的热量可以保持其水温不低于巧℃，此时无需热源投入运行。

当然对于气温较低、供暖时间较长的地区，热源需投入工作，以维持循环水温超过15℃。

循环水温度也不是必须保持巧℃以上，当低于巧℃时，机组的供热量会下降，如果机组供热量较富裕时，也可降低循环水温度，比如保持10℃以上，这样可以大大减少（甚至不需要）热源投入运行的时间。

此外，

低温型的水源热泵，其循环水温度可降至4℃。

②热源型式可以多种多样，视具体情况而定。

如热水（或蒸汽）加热，电加热，燃油加热，燃气加热，或者太阳能集热器、废热等。

③热泵系统的辅助加热量，要视具体地区、具体建筑而定，一般情况，热泵系统辅助热源的容量为计算供暖热负荷的1/3左右。

3.4控制系统

水源热泵空调系统控制可分为下列四种型式:

①热泵机组控制:

最基本的自控器件是恒温器，它安装在墙上，可以手动或自动，可以每台机组安装一个，也可以多台热泵机组由一个恒温器控制，还可特选厂家提供的DDC中央控制系统。

②循环水温的控制水源热泵空调系统一般在循环水温15一35℃之间运行，在此温度范围内，既不需要辅助加热，也无需冷却。

当水温低于巧℃时需要加热，超过35℃时需要冷却。

因此，必要的控制只不过是按需要开启加热器或冷却塔。

作为工程实践的应用，建议在达到上述运行极限之前就应开始逐步加热或冷却。

循环水水温控制设备既可选用厂家生产的专用

控制器，也可按上述控制步骤由电气工程师进行设计。

③机组的安全控制

机组的安全控制是每台热泵机组自身配置的安全装置，有高温停机、过载限制控制等。

④特选的控制设备

如带有低温限制的夜间设定控制;非工作时间控制;升温循环及无水流控制。

3.5机组风道的设计

水源热泵机组均为余压型的水－空气热泵机组，所以无论是立式还是卧式机组都接有送风风管及送风口，将符合卫生标准的空气送至工作区和活动区。

首先，热泵机组必须在建议的最低风量以上运行，送风管和回风管都应该保持最短长度，为防止结露，送风管应该保温。

风管上应该加装消声器降低噪声，风管中的风速不宜过大，一般应为2~3m/s。

热泵机组应用于建筑物内，主要解决供暖热负荷及空调冷负荷。

按卫生标准，必须保持一定的新风量。

夏季可由专门设置的水源热泵直接处理新风。

而冬季，考虑到热泵进风参数不宜低于巧℃，因此要有特有的新风处理方式。

需要指出的是不同地区新风处理方式不尽相同。

这里有种新风处理方案。

①应用水一水热泵处理新风。

②应用空气一空气热泵将室内的排风冷（热）量转移到新风中。

③应用全热交换器进行排风和新风的热交换，以达到预热（冷）新风及热回收的目的。

④回风与新风混合，室外新风通过风道与每台热泵机组的回风进行混合，热泵机组承担新风负荷，或与热回收方式相结合，先回收，后混合。

3.6水循环管路

根据资料显示，在水环热泵空调系统中，通过水循环管路来确保流过各台水源热泵机组的循环水量达到设计流量，以确保机组的正常运行，同时，水循环管路的造价占水环热泵空

调系统总造价的25%~30%，因此，合理布置管道与正确的选择管径十分重要。

管道的布置尽可能选择同程式系统，虽然初投资略有增加，但易于保持环路的水力稳定性，如果采用异程式系统，在各个支管上要设置平衡阀，才能达到各支管间的压力平衡。

补水点和定压点设在循环水泵的吸入段。

确定水循环管的管径时，应保证能够输送设计流量并使阻力损失和水流噪声最小，以获得经济合理的效果。

水环热泵机组在夏季运行时对空气冷却除湿会产生凝结水，必须及时地排走凝结水。

根据经验数据，每千瓦的冷负荷每小时产生0.4kg的凝结水。

在高湿地区，每千瓦的冷负荷每小时产生0.77kg的凝结水。

凝结水管的管径根据凝结水量计算。

7噪声控制

①机组本身的降低噪声措施，主要有:

压缩机装有专门的消震弹簧;机箱内侧全部贴有特殊的吸声及保温材料;风机与压缩机的空间分隔开，以避免压缩机的噪声及发热量进入风系统;对于出力S000W以上机组，压缩机处设置专用消声器。

此外，立柱式热泵机组内部采取了吸声措施，并且出风路径设计成S型，机组运行噪声只有35dB（A）。

对于会议室等要求非常宁静的房间，ClimateMaster公司还生产一种分体卧式水源热泵机组。

将压缩机与室内盘管分开，这样压缩机部分可置于走道吊顶上或其它机房内，室内机可置于吊顶上，其运行噪声只有36一38dB（A）。

②正确的设计与安装

对于卧式吊装机组，其吊架要装减震弹簧;机组的底部安装吸声板（有的热泵机组自带）;送回风口连接软性接管，主风管的风速低于sm/s;送风管最好做90‘的弯头;送风支管与送风口的连接最好用软风管。

对于落地式机组的安装，底座要加隔振橡胶;回风格栅应尽可能远离热泵机组;机组进出口一定要软连接。

参考文献

【1】郎四维徐伟冯铁栓.水源热泵中央空调系统设计应用若千问题探讨.中国建筑科学研究院空气调节研究所.1997

【2】蒋向红.水环热泵的工作原理与设计.北京太平洋建筑设计2006.12

【3】向宏.水源热泵中央空调系统设计及经济性分析.中机国际工程设计研究院.2011年11期

【4】龚明启冀兆良宋玮.水环热泵型空调系统设计及工程实例分析.广州大学土木工程学院.2005.3