冷水热泵热水系统的实例应用

　　摘要:本文笔者根据自己多年从事暖通设计的工作经验，结合实例论述冷水热泵热水系统在实例中的应用。
　　关键词:冷水热泵热水系统；制冷；供暖；用电分析；控制模式
　　1概述
　　1.1热回收技术
　　水冷冷水机组不仅提供冷水，同时还产生高温冷却水。一般通过冷却塔散热，把空调系统中的热量传递到大气中，造成热量散失。若回收此散失的热量，用于空调水或风的预热、工业用水加热等。既可节约能源，又可减少冷却塔的运行噪声。此技术适用于同时需要冷量和热量的项目。
　　1.2冷水热泵热水系统
　　冷水热泵热水系统整合了风冷涡旋主机和水冷涡旋主机并应用热回收技术：夏天供冷，同时热回收，免费提供生活热水。冬天供暖，同时制取生活热水。
　　2工程项目应用
　　2.1工程概况
　　某医院建筑共14层,地上13层,地下室1层,总建筑面积约为22541m2,其主要作医院功能，分为病房、手术室、门诊、办公、NICU、产房等;根据使用单位要求,按夏季空调设计制冷主机总冷负荷约为2250kW（640冷t）(实际负荷以施工图为准),冬季设采暖，并附设提供每天45t的热水系统。
　　2.2系统配置
　　根据本项目的规模和功能,选择分层、区域集中控制、管理。可实现各区域末段对主机（水泵）的启动、关闭。这就意味着：可以根据使用率的状况随时调整主机负荷，这样在使用率大时节省大笔的电费。
　　因此将本建筑的空调系统共分为3个系统，两套舒适性空调系统采用特灵整合式冷水热泵热水系统，洁净空调系统则采用风冷涡旋机组。三套系统之间装设后备连接管路连接，当任何一套主机系统故障需要停机检修时，仍可借用其余两套系统的冷冻水满足临时应急供冷要求。各系统相应配备冷冻（冷却）水泵和冷却塔，制冷机组、冷冻（冷却）水泵、冷却塔均置于天面：
　　（1）适性空调系统I:包括2层及8～11层，制冷主机冷负荷共1000kW，系统选用2台制冷量为352kW的水冷涡旋热泵机组（其中一台水冷涡旋热泵机组带热回收装置）和1台制冷量为304kW的风冷涡旋热泵机组（配备热水热交换器）。
　　（2）适性空调系统II:包括1、4、6、12、13层及3、5、7层局部，制冷主机冷负荷共1000kW，系统选用2台制冷量为352kW的水冷涡旋热泵机组（其中一台水冷涡旋热泵机组带热回收装置）和1台制冷量为304kW的风冷涡旋热泵机组（配备热水热交换器）。
　　（3）净化空调系统III:包括3、5、7层局部（面积约1962m2），制冷主机冷负荷为374kW，系统拟选用1台制冷量为304kW的风冷热泵机组。
　　热水系统（设计标准45t/d）：
　　①夏天：利用2台带热回收装置的水冷涡旋热泵机组制取免费的55℃～60℃生活用热水；
　　②过渡季节和冬天利用两台风冷涡旋热泵机组（配备热水热交换器）制取55℃～60℃生活用热水。
　　选型表
　　系统分类 系统分类服务区域 计算冷
　　负荷kw 计算热
　　负荷kw 主机类型 备注 台
　　数 额定制冷量kw 总制冷
　　量kw 总制热
　　量kw
　　舒适性空调系统I 2层及8～11层 
　　1000 
　　400 水冷涡旋热泵机组 其中一台带热回收 22 351.6 1007 1255
　　    风冷涡旋热泵机组 带热水热交换器 1 304  
　　舒适性空调系统I 1、4、6、12、13
　　层及3、5、7层局部 
　　1000 
　　400 水冷涡旋热泵机组 其中一台带热回收 2 351.6 1007 1255
　　    风冷涡旋热泵机组 带热水热交换器 1 304  
　　净化空调系统III 3、5、7层局
　　部 
　　374 
　　150 风冷涡旋热泵机组  1 382 382 418
　　合计  2374 950   7  2396 2928
　　2.3系统使用模式
　　2.3.1夏季制冷
　　舒适性空调系统优先启动水冷涡旋机组，当负荷超过水冷涡旋机组供冷量时才启动风冷涡旋机组空调，以保证空调系统使用于较为节能的状态。热水全部由水冷涡旋机组的热回收器免费产生。洁净空调由一台风冷涡旋机组进行供冷。
　　2.3.2过度季节
　　由于在过渡季节气温跨度较大，部分时间仍需要空调系统进行空气调节（特别是现在秋天时段广东地区气温较高，空调基本仍需供冷；而在春天段也需要空调进行抽湿）；而部分功能区域基本全年均需要空调系统恒温（如手术室、实验室等）。舒适性空调系统基本采用带热回收的水冷涡旋机组基本可以满足所需空调负荷。洁净空调由一台风冷涡旋机组使用六分之一到三分之一负荷状态基本可以满足空调负荷。热水大部分可以由水冷涡旋机组的热回收器免费产生（因为涡旋机组在部分负荷下的热回收率可与部分负荷率成正比，所以只要空调系统使用相当于单台制冷量为352kW的水冷涡旋热泵机组满负荷运行7h就可以提供足够的生活热水），而风冷2.3系统使用模式
　　2.3.1夏季制冷
　　舒适性空调系统优先启动水冷涡旋机组，当负荷超过水冷涡旋机组供冷量时才启动风冷涡旋机组空调，以保证空调系统使用于较为节能的状态。热水全部由水冷涡旋机组的热回收器免费产生。洁净空调由一台风冷涡旋机组进行供冷。
　　2.3.2过度季节
　　由于在过渡季节气温跨度较大，部分时间仍需要空调系统进行空气调节（特别是现在秋天时段广东地区气温较高，空调基本仍需供冷；而在春天段也需要空调进行抽湿）；而部分功能区域基本全年均需要空调系统恒温（如手术室、实验室等）。舒适性空调系统基本采用带热回收的水冷涡旋机组基本可以满足所需空调负荷。洁净空调由一台风冷涡旋机组使用六分之一到三分之一负荷状态基本可以满足空调负荷。热水大部分可以由水冷涡旋机组的热回收器免费产生（因为涡旋机组在部分负荷下的热回收率可与部分负荷率成正比，所以只要空调系统使用相当于单台制冷量为352kW的水冷涡旋热泵机组满负荷运行7h就可以提供足够的生活热水），而风冷热泵带热水热交换机组只是热泵带热水热换机组只是在高峰用水阶段起辅助补充作用。
　　2.3.3冬季供暖
　　由于深圳及附近地区冬天温度较高，在负荷计算上其需热负荷大约为供冷负荷的30%～40%左右。因此舒适性空调系统在冬季空调热水整合系统的使用中首先使用风冷热泵带热水热交换机组，边制热水边供暖，既首先保证冬季的热水供给又能供暖；当需热负荷超过风冷热泵带热水热交换机组供热量时，启动一台水冷涡旋机组辅助供暖。洁净空调由一台风冷涡旋机组使用三分之一到二分之一负荷
　　状态基本可以满足空调供暖负荷。系统图如下：
　　图1空调水系统原理图
　　2.4系统全年用电量分析
　　2.4.1主机运行费用
　　夏季用电分析
　　空调系
　　统划分 供冷量
　　（kW） 机组名称 台数 每台用电功率（kW） 系统总功率合计kW 平均开
　　启系数 供冷运行小时数 运行用电量（°）
　　I 
　　1000 水冷涡旋热泵机组（其中一台带热回收） 
　　2 
　　75.49 
　　271 
　　0.6 
　　1440 
　　234559
　　  风冷涡旋热泵机组（带热水热交换器） 1 105    
　　  水泵 2 5    
　　  冷却塔 1 5.5    
　　II 
　　1000 水冷涡旋热泵机组（其中一台带热回收） 2 105 
　　271 
　　0.6 
　　1440 
　　234559
　　  风冷涡旋热泵机组（带热水热交换器） 1 105    
　　  水泵 2 5    
　　  冷却塔 1 5.5    
　　III 390 风冷涡旋冷水机组 
　　1 
　　138 
　　138 
　　138 
　　1440 
　　119232
　　计算方法：
　　（1）供冷周期共计6个月，使用空调30d/月，每天开启空调8h，空调平均开启度K=0.6。
　　（2）供冷运行小时数=30×6×8=1440h。
　　（3）空调系统I总功率=空调系统II
　　总功率=2×75.49+105+2×5+5.5=271kW。
　　（4）夏季供冷，优先开启高效能的水冷涡旋热泵机组。
　　过渡季节用电分析：
　　过渡季节共计3个月，需冷量按夏季供冷量的20%计算。因此主机每月的用电负荷按夏季每月用电负荷的20%计算。夏季用电量为9.8万度/月,过渡季节每月用电量按夏季的20%计算，得9.8×20%=1.96万度/月。
　　计算方法：
　　（1）深圳及附近地区设计热负荷一般为冷负荷的40%左右，
　　（2）供暖周期共计3个月，使用空调30d/月，每天开启暖气8h计算，供暖运行小时数=30×3×8=720h。
　　冬季用电分析
　　空调系统划分 供热量
　　（kW） 机组名称 台数 每台用电功率（kW） 系统总功率合计kW 供冷运行小时数 供冷季节运行用电量（°）
　　I 
　　400 水冷涡旋热泵机组（其中一台带热回收） 1 96.62 
　　107 
　　720 
　　77126
　　  水泵 1 5   
　　  冷却塔 1 5.5   
　　II 
　　400 水冷涡旋热泵机组（其中一台带热回收） 1 96.62 
　　107 
　　720 
　　77126
　　  水泵 1 5   
　　  冷却塔 1 5.5   
　　III 150 风冷涡旋冷水机组 1 77.6 77.6 720 55872
　　合计 950 冬季（3个月）主机用电量为21万度，折算为7万度/月。
　　2.4.2生活热水费用分析
　　（1）夏季（按6个月计算）：
　　两台水冷涡旋机组热回收机组免费提供60℃热水。进出水温度30/60℃,温差△T=30℃。
　　两台水冷涡旋机组满负荷运行下提供的热水量：16t/h。
　　其计算如下：
　　热回收台数×(制冷量kW×换热效率×860kcal/kW)/(1000kg/m3×1kcal.℃/kg×△T)=2x(352kW×80%×860kcal/kW)/(1000kg/m3×1kcal.℃/kg×30℃)=16t/h
　　医院每天需要45t生活热水，则两台水冷涡旋机热回收机组只需满负荷运行45/16=2.8h，即可满足要求。
　　热水费用：0°。
　　（2）过渡季节（按3个月计算）：过渡季节的冷负荷为夏季冷负荷的20%，因此制冷主机开度只为满负荷的20%。生活热水一半由水冷涡旋的热回收装置免费提供，一半由风冷热泵提供。
　　过渡季节热水费用：0.5×110kW×7.47h×3月×30日=36976°。
　　（3）冬季（按3个月计算）：
　　冬季同样采用一台制冷量为304kW的风冷涡旋热泵机组（一用一备）提供60℃生活热水，满负荷运行下其出热水量为：
　　制冷量kW×换热效率×860kcal/kW)/(1000kg/m3×1kcal.℃/kg×△T)=315kW×860kcal/kW)/(1000kg/m3×1kcal.℃/kg×45℃)=6.02t/h。
　　风冷机组运行7.47g，即可每天产45t生活热水。采用一用一备的设计，当尖峰负荷时，可以启用备用机组，达到6×2=12t/h，出生活热水的要求。
　　冬季热水费用：110kW×7.47h×3月×30日=73953°。
　　2.4.3整合式冷水热泵热水系统全年用电量汇总
　　总用电量（万度）
　　生活热水用电量 空调主机用电量
　　夏季 过渡季节 冬季 夏季 过渡季节 冬季
　　6个月 3个月 3个月 6个月 3个月 3个月
　　0 3.69 7.39 58.8 58.8 21
　　11.08 85.68
　　合计：96.76万度
　　2.5PLC智能自动控制系统控制
　　2.5.1本工程智能自动控制概述
　　大楼空调系统分为3个单元（见图2）：
　　图2
　　各系统独立进行供冷，为满足节能的要求，系统内各机组根据空调负荷需求容量的变化逐台增加开启。主机会自动根据供冷负荷程度来判断使用多少空调主机进行制冷。当温度接近设定温度的时候，主机会自动逐台减少空调主机的数量，从而达到节能的效果。按设定的次序运行主机：系统会自动开始逐个启动空调主机，避免机组同时启动对电网造成冲击，减少电压波动；并根据负荷需求逐步增加空调主机的数量直至满足要求为止，并随时根据负荷需求的变化实时控制调整开启空调主机的数量，可以贴近负荷需求，避免浪费用电，延长设备的使用寿命。三套系统之间装设连接备用管路连接，当任何一套主机系统故障需要停机检修时，仍可借用其余两套系统的冷冻水满足临时应急供冷要求。
　　编程智能控制系统必须能根据使用模式进行自动运行控制，要求应包括供冷运行控制、供暖运行控制、远程控制（三、五、七层）、故障切换控制、卫生热水控制。
　　2.5.2供冷运行模式
　　系统I和系统II都是先启动2#机，当负荷超过2#机容量时再启动3#机，当负荷超过2#和3#机的容量时最后才启动1#机。系统III先启动2#机，当负荷超过2#机容量时再启动1#机。卸载顺序与开启顺序相反。
　　2.5.3供暖运行模式
　　系统I和系统II都是先启动1#机，当负荷超过1#机容量时再启动2#机，当负荷超过1#和2#机的容量时最后才启动3#机。系统III先启动1#机，当负荷超过1#机容量时再启动2#机。卸载顺序与开启顺序相反。
　　2.5.4远程控制模式
　　系统III需在三楼、五楼、七楼分别装设一个远程控制面板，控制本楼层空调的开关以及跟主机的联锁动作，远程控制面板上必须显示系统主机电源开关状态。当主机电源接通后，各远程控制面板即可控制本楼层空调的开关。各远程控制面板与主机的联动模式为：开启--当第一个远程控制面板开启（即系统中的第一个空调负荷开启时），系统主机启动；关闭--当最后一个远程控制面板关闭（即系统中的空调负荷全部关闭时），系统主机关闭。
　　2.5.5故障应急切换控制模式
　　当三个系统中任何一个系统因发生故障必须进行停机检修时，启动故障切换模式，自动将故障系统的主机管路全部关闭，并应急开启系统之间的连接备用管路开关（F1#、F2#、F3#、F4#），借用其余两套系统的冷冻水满足临时应急供冷要求。当故障排除后，关闭故障切换模式，关闭系统之间的连接备用管路开关（F1#、F2#、F3#、F4#），开启系统主机管路正常供冷。
　　2.5.6卫生热水控制模式
　　热水系统控制流程图如下：
　　图3热水系统控制流程图
　　自来水补水由循环水箱液位控制，当水位满时关闭补水开关；加热系统开启、加热水泵、输送水泵和加热管路电动阀由循环水箱水温控制，低于55℃时加热系统开启、加热水泵回路开启将水进行循环加热、输送水泵回路关闭；达到60℃时加热系统和加热回路关闭、输送水泵开启将热水送至保温水箱。回送水泵回路由主水管末端温度和保温水箱温度控制，当任一项水温不足时开启此项回送水泵回路将水回送至加热系统加热。生活用水水泵由主水管压力控制，当生活用水水压不足时开启进行增压。
　　2.5.7主机热水加热系统控制模式
　　热水由带热回收热交换器的空调主机进行加热，供冷状态下主要以k1-2#、k2-2#机热回收方式进行加热，k1-1#、k2-1#机热回收方式辅助补充；当过渡季节k1-1#、k2-1#机不开启制冷时，当高峰用水时如果热回收水量不足时，关闭k1-1#、k2-1#机的冷冻水回路，k1-1#、k2-1#转换为热泵模式通过热交换器加热卫生热水。供暖状态下以热泵方式加热，主要以k1-1#、k2-1#机进行加热。
　　3结论
　　本工程现已验收并交付业主使用，用户各项技术需求均能满足要求。空调热回收技术是空调工程节能的重要措施，在环保、节能的领域里有着重要的意义，在能源紧张的今天，他带来了可观的经济效益和社会效益，符合国家提倡的“节能减排”政策，应大力推广。

《冷水热泵热水系统的实例应用》

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文章名称： 冷水热泵热水系统的实例应用

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