住宅小区水源热泵设计总结

一、总体设计原则

⒈一般情况下按空调冷负荷确定机组型号，对于热负荷高的地区要校核采暖负荷。

传统的系统——用较大的热负荷或冷负荷选择系统。以出水温度35℃的制冷量或以出水温度18℃的制热量作为选择水源热泵机组的依据。

⒉无锅炉系统——用冷负荷选择水源热泵机组，房间的热损耗需用足够能量的电加热型加热器加以抵消。

⒊水系统进水温度选定原则：一般制冷为15～35℃，制热为10～32℃，国标规定制造商参数标定按制 冷进出水温度30/35℃，热泵制热进出水温度20℃。

⒋水量及风量确定原则：一般每KW的水流量为0.19m3/h，风量为140～250m3/h。

⒌实际制冷量及制热量会因室内设计干、湿球温度的不同而有所变化，应根据室内设计干、湿球温度进 行修正。

二、循环水系统设计

水环系统通常有冷却塔、换热器、蓄热箱、辅助加热器、泵及相应管路组成。水环水温控制范围一般为15～35℃，在此温度范围内，一般不需要开冷却塔或辅助加热器。

三、系统水流量设计

水源热泵系统夏季需冷量的计算方法与其它系统相同。根据需冷量和所需的冷却水温差，各台水源热泵装置的循环水量即可求出，在考虑到装置的同时使用系数，即可得到整个系统所要求的夏季总冷却循环水量。

一般来说，单一性质的建筑同时使用系数较高，综合性建筑则低一些。另水源热泵装置的数量越多，同时使用系数越小，反之则越大。同时使用系数可按以下原则来确定：

⒈循环水量小于36 m3/h时，同时使用系数取0.85～0.9

⒉循环水量为36～54 m3/h时，同时使用系数取0.85～0.85

⒊循环水量大于54 m3/h时，同时使用系数取0.75～0.8

以上原则中所提到的循环水量是指各装置所需水量的累计值，把此值乘以同时使用系数即可得到系统实际所需的总循环水量，并以此作为循环水泵、冷却塔的选型参数以及循环水总管径确定的依据。

四、系统形式

水源热泵水路系统通常采用一次泵系统，运行简单、管理也比较方便。考虑到整个系统的运行可靠，系统中必须设置备用泵。

水系统的循环泵建议多台并联。

为保证每一台水源热泵机组都得到所需水流量，其水系统一般建议采用同程式；每一个分支管路上最好加上平衡阀。考虑到建筑物的特点，为了配管方便，有时也可采取直接回水的异程式方案。

五、循环水管设计

⒈确定循环水管的管径时，需要保证能输送设计水流量，使摩擦损失和水流噪音最小，以获得经济合理的效果。

⒉循环管径越小，流速越高，相应摩擦损阻力变大，水流噪音也大。

⒊当确定管径时，对于50mm直径的水管，极限水流速度为1.5～2 m/s，在极限水流速以下时，可以减小水泵扬程和水流噪音。

⒋水流速度的低限为0.45～0.6 m/s时，水流速度过低时，不便于带走水中的空气。

⒌循环水管可选用焊接钢管、铜管、PVC塑料管，PVC塑料管具有不受腐蚀，易加工安装，节省投资，易清洗的优点，但具有热膨胀系数高及不耐高温的缺点，需要设置较多的支吊架。

六、循环泵

循环水泵的选择必须注意以下几点：

⒈必须满足预先确定的流量、扬程和功率要求。

⒉要有备用泵，并设自动程序控制，以减小水系统流量降低而产生的问题。

⒊设断路继电器，以便在水系统产生水流故障时关闭热泵机组。

⒋计算水泵扬程时，必须考虑冷却塔、锅炉或加热器、水过滤器、水源热泵、管道和零配件（例如阀门）等的摩擦阻力。

⒌水泵的功率根据整个系统流量和水泵扬程确定，公式为：

扬程（m）×流量（L/S）×r(kg/L)

水泵轴功率（KW）= ──────────────── r –流量的容量，kg/L

102×水泵效率

若循环水中加入防冻剂时，水泵轴功率将会增加。

七、冷却塔

水源热泵循环水系统一般做成密闭式系统，不直接与大气接触。采用封闭式蒸发冷却塔是一种较好的选择。

选择闭式冷却塔，必须已知所需冷却水的水量和水源热泵冷却水的进出水温度，以及冷却塔安装地点的空调设计室外湿球温度。

选型程序：

⒈确定冷却水温度；

⒉确定进出水温度差和空气湿球温度；

⒊求出排热系数；

⒋计算排热系数；

⒌求出修正后负荷；

⒍按照流量查找等于或大于排热能力的机型，确定何种型号闭式冷却塔。

另一种冷却装置是开放式冷却塔加热交换器（通常采用板式换热器），用热交换器把冷却水与循环水分开。为了保证热交换器能正常工作，一般来说至少应采用两台以上并联运行。

八、板式热交换器选用

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，冷却水的供水温度要比当地的夏季空调湿球温度高4～6℃，冷却水的温差为4～6℃，循环水的出水温度比冷却水的供水温度高2℃左右，循环水温度取5℃左右。

九、蓄热装置

为了缩小辅助热源的容量，充分利用夜间廉价的电力，也为克服内、外区的水源热泵之间热量转移的不平衡性，保证水温的稳定，还可采用蓄热装置。蓄热水箱的容积以每KW总冷负荷10～20升容积来计算。

一般来说，对于夏季需作蓄冷水箱的，不宜保温；对于专供冬季使用的低温蓄热水箱，其保温后的传热系数应低于0.5W/m2. ℃;对于冬季使用的高温蓄热水箱，其保温后的传热系数应低于0.2 W/m2. ℃

十、辅助热源的选用

水源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15℃，无需热源投入运行。当水温低于15℃时，机组的供热量会下降较快，故对于气温较低、采暖时间较长得地区，辅助热源需投入工作，以维持循环水温在15℃以上。

热源形式可以多种多样，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。

辅助加热量的计算公式如下：

Gf=Gz－Gr－Gs－Gn

当运行的机组都处于制热状态时，Gr=0,

则上式， Gf=Gz－Gs－Gn=Go－Go/COP

其中，Gf— 辅助加热量（KW）

Gz— 总耗热量（KW）

Gr— 制冷机组总排热量（KW）

Go— 总热负荷（KW）

Gs— 室内散热量（KW）

Gn— 输入功率（KW）

十一、新风处理

按照卫生标准，室内必须保持一定的新风量，一般可采取如下方式：

⒈采用水源热泵新风机组，直接从室外引入新风，减少设备投资费用。

⒉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混合，水源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。

十二、噪声控制

⒈分体水源热泵机组本身的降低噪音措施

A、压缩机外部增设钢板为1.5mm并内附汉堡式材料的消音装置,汉堡式材料为两边为LC消音材料、夹层为橡胶复合材料,隔离压缩机低频声音的向外传递。

B、消音装置外部采用横梁加固，减少消音装置振动

C、机组外壳L型加强筋更改为T型加强筋,减少外壳振动产生的声音

D、机组外壳吸音棉改为橡胶复合材料,隔离机组内部低频声音的向外传递

E、机组底盘增加加强横梁,吊装孔设置在加强横梁两边,减少机组振动的传递

F、低频噪音降低8dBA，机组整体噪音降至40dBA以下，实际测量值为38.5dBA

⒉正确地设计与安装分体式水源热泵机组和整体式水源热泵机组

吊装机组、吊架需加减震弹簧，送回风口连接软性接管，主风管的风速低于5m/s,送回风管最好做90度的弯头；送风管与送风口的连接最好用软性连接；安装时需要加减震装置。

十三、工程案例

1、水源冷热水机组选用

地下水在夏季和冬季的实际需要量，与空调系统选择的水源冷热水机组性能、地下水温度、建筑物内循环温度和冷热负荷以及热交换器的型式、水泵能耗等有密切关系。电脑软件选型分析及实际工程使用结果表明地下水使用温差较大时，水源冷热水机组的能效比较高，地下水的使用量较小，其配套井水泵的功率也较小。因此，在实际选用水源热泵系统时，应尽可能加大地下水的使用温差，减少地下水用量，这对提高水源热泵系统的能效比和减少地下水量的开采，保护水资源都是极为重要的，如此合理高效地利用地下水资源才能产生最好的节能环保效益。经过多方技术论证，设计中最后选用xx公司生产的水—水螺杆冷热水机组3台，因地下水氯离子含量偏高（84.72mg/l），为防止水源冷热水机组被腐蚀和泥沙堵塞，地下水抽取后先进入板式换热器，设计中选用的板式换热器为xx公司的板式换热器。板式换热器采用小温差（对数温差2K）设计，制冷时地下水进/出口温度为18/32℃，进入机组温度为20/34℃；制热时，地下水进/出口温度为18/10℃，进入机组温度为16/8℃，每台机组地下水冬夏季的使用量均为80m3/h。采用板式热交换器间接换热，水源冷热水机组的能效比约降低5%左右，但能保护机组稳定正常运行，提高机组的使用寿命。

2、空调系统形式

水源热泵空调系统水环路的设计与常规冷水机组水系统的设计略有差异，必须根据各生产厂家的技术要求进行考虑。用户侧及地下水侧空调循环水泵与水源冷热水机组均采用先并后串的方式，循环水泵既可与冷热水机组实现“一对一”供水，又可互相调节互为备用。对于水源冷热水机组来说其实现夏冬季节制冷供暖的转换，是通过水路系统阀门的转换来进行的，夏季用户侧通过蒸发器回路供应冷冻水，冬季用户侧则通过冷凝器回路供应供暖热水。因此夏冬季节水环路转换阀最好采用调节灵活、性能可靠的电动阀，采用普通蝶阀时也一定要采用关断灵活、密闭性好的阀门。地下水井抽水泵可采用深井潜水泵，潜水泵下放深度应在动水位之下5m处，安装要平稳，泵体要居中。一般依据井管内径、流量和扬程要求，根据生产厂家提供的样本选配合适的水泵，再根据所需电功率选择电机及配套电缆。潜水泵的扬程应包括井内动水位至机房地面高度，管道及板式换热器阻力，水泵管道阻力及回灌余压。地下水回灌管道设计应根据各回灌井的距离进行阻力平衡计算，以保证各灌井流量的均衡。

空调室外水环路和室内立管均采用机械密闭同程式系统，每个户型由上至下均设有空调供回水管井，下供上回，户内空调水管路为异程式。每户供水管上设有分户计量装置，回水管上设有流量平衡阀。户内空调末端设备均为卧式暗装风机盘管，根据装修布置情况顶送顶回或侧送底回。风机盘管及户内连接水管的布置均根据户型设置情况尽量利用走道、进门过道，卫生间、厨房等对房间使用功能影响较小的位置，做到隐蔽、美观并与室内装修融为一体。空调室内供回水管保温采用难燃橡塑管套，室外空调供回水水管采用聚氨脂现场发泡保温直埋管，并作五层防水防腐保护层和玻璃钢护壳，穿越马路的直埋管增设钢套管，并保证埋设深度在1m以上。

3、空调自控及减振

xx水源冷热水机组采用CVM300电脑微处理器，功能齐全，可自动调温，调节流量、故障报警、记录及自诊断功能，可进行联网监控，实现无人值守。多机控制系统除具备单机自动化配置及功能外，还具备显示多机组运行情况，根据回水温度电脑自动判断空调系统是部分机组运行还是全部机组运行。机组根据负荷侧回水温度进行逻辑计算，控制机组的运行状态及启停机，每台机组采用无级能量调节实现机组的高效节能运行。机组还具备控制多台压缩机的均衡运行功能，能控制调整每台压缩机的运行时间，确保压缩机的长期高效运行。

水源冷热水机组压缩机的下面设置弹簧减振器，减振效率在85%以上，即振动传递率小于0.15，降低了机组的振动及系统的振动，从而降低了机组的运行噪声。空调水泵、机组进出口均采用橡胶接头软性连接，冷水机房内的空调水管均采用减振支吊架，避免因机组、水泵及管径系统的振动而产生的噪声。

4、设计总结

香榭里花园水源热泵空调系统于2002年11月竣工投入使用，经过系统调试和一个完整的空调制冷供暖季运行检验，空调使用效果良好，达到了预期的设计目的。对今年6、7月份中央空调用电的运行记录进行分析，可以看到6月份日均用电量为4970Kw，按小区建筑面积40856m2计算，每平方米建筑面积空调耗电0.122Kw/d，电费支出0.064元/d；7月份因连续高温日均用电量略有上升，达到6342Kw，每平方米建筑面积空调耗电0.155Kw/d，电费支出0.082元/d。以户均面积200m2计，一户日均空调电费支出为12.8元，月支出为384元，相当于一台2匹空调的费用支出，可以看出其运行费用是很低的，既低于常规冷水机组中央空调系统，更低于户式中央空调系统。郭鹏学暖通进一步的分析可以看到，水源热泵中央空调系统运行费用之所以如此低廉，除水源热泵空调系统较常规冷水机组中央空调系统能源利用效率高，中央空调系统在大面积居住小区中使用较户式中央空调具有更大的负荷调节性和节能性，居住小区面积越大其用户空调的同时使用率就越低，其负荷的参差性就越大，中央空调系统满负荷运行的时间就越短，其优越性和节能性就越显著。按以上6、7月份的运行数据折算，6月份的中央空调系统每天满负荷运行时间为5.24小时，7月份的每天满负荷运行时间也仅为6.68小时，远低于户式中央空调系统和分体式空调器的满负荷运行时间。

香榭里花园中央空调系统设计时，风机盘管采用了电动二通阀的变流量系统，热泵机组主机供回水总管上设压差旁通控制。因住宅小区空调同时使用率较低，其节能效果应是非常显著的，遗憾的是其主在后期因为控制整个投资成本，而砍掉了电动二通阀的节能控制系统，否则此中央空调系统节能效果应更优于现在的实际运行情况。另外，从实际运行情况来看，空调水泵的能耗占到系统总能耗的32%以上，因为住宅的同时使用率较低，空调负荷的变动性较大，通过空调水泵的联控和变频改造以适应空调负荷的变化，降低空调水泵的运行费用，其节能效果也将是较为可观的。

由此可见，在住宅小区中采用水源热泵中央空调系统在有可长期利用的地下水源的条件下是确实值得大力推广的，其节能环保效益是显而易见的，在解决了投融资及物业管理的问题后，其给住户带来的舒适的中央空调系统和合理的运行费用及给开发商带来的良好经济效益和超卓的楼盘形象，都将会是不言而喻的。