翡翠山城中央空调系统及泳池热水的水源热泵应用

　 摘 要：以水源热泵在翡翠山城项目中的具体设计为例，介绍水源热泵系统与中央空调系统及泳池供热系统在实际中的结合应用情况。
　　 关键词：水源热泵；空调；采暖；泳池
　　 0 引言
　　20世纪90年代我国引进水源热泵，其已广泛应用于国内众多的空调领域。水源热泵是利用地球表面浅层水如地热水、地下水、地表水、海水及湖泊水中吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能资源，通过输入少量的高品位电能，实现低品位热能向高品位热能转化的装置。由于其取水温度在夏季比室外温度低，冬季比室外空气温度高，因而能够作为理想的热泵空调用冷热源，具有节能环保、运行稳定、控制简单、结构紧凑等优点。本文以水源热泵在翡翠山城项目中的具体设计为例，介绍水源热泵系统与中央空调系统及泳池供热系统在实际中的结合应用情况。
　 　1 建筑概况
　　翡翠山城项目位于广东省惠州市，为惠州市高档原生态别墅社区之一，本次空调系统设计范围为其会所部分1层及地下层。
　　地下2层为泳池，地下1层为健身房，1层为办公及会议等用房。其中，1层大部分为大厅，其他小部分为办公室；泳池部分负1层和2层中空，健身房为夹层。
　　该建筑物周围20 000 m2人工湖，为采用水源热泵空调系统提供了得天独厚的天然地理条件，建议该项目采用中央空调系统水源热泵形式。
　　 2 水源热泵介绍
　　水源中央空调系统是一种从湖水资源中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热（冷）系统。该系统是应用成熟的热泵技术，在相对稳定的水体温度下高效、稳定、经济的运行。
　　水源中央空调系统由末端（室内空气处理末端等）系统、水源中央空调主机（又称为水源热泵）系统和水源水系统3部分组成。为用户供热时，水源中央空调系统从湖水中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机（热泵）“泵”送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源中央空调系统将用户室内的余热通过水源中央空调主机（制冷）转移到湖水中，以满足用户制冷需求。
　　水源热泵系统的特点是环保清洁、节能经济、灵活安全、运行可靠，在适当的条件下能够达到很好的节能效果，在现代空调系统中是一个节能型的环保空调系统。
　　 3 室外空气设计参数
　　夏季：大气压力：100 460 Pa；空调室外点：DB=34 ℃，WB=27.9 ℃；通风室外点：DB=31.7 ℃，RH=67%；空调室外日平均温度：30 ℃。
　　冬季：大气压力：102 007 Pa；空调室外点：DB=5.6 ℃，RH=75%；通风室外温度：10.6 ℃。
　　 4 负荷计算
　　会所夏季空调平均设计冷负荷为200 W/m2；冬季采暖平均设计热负荷为80 W/m2。 [NextPage]
　　5 泳池计算
　　5.1 游泳池厅空气设计参数
　　夏季DB=29 ℃，冬季DB=29 ℃，相对湿度RH≤70%。
　　5.2 游泳池厅基本参数
　　游泳池厅基本参数如表1所示。

名称	池水温度 /℃	池水面积 /m2	池边面积 /m2	池水体积 /m3	池厅面积 /m2	池厅体积 /m3
室内游泳池 及按摩池	28	312.5	200	468.75	900	6 450

　　5.3 室内散湿量计算
　　游泳池厅散湿主要由池水和池边以及人员的散湿量组成。
　　5.3.1 游泳池水散湿量
　　W1＝（0.017 4Vf＋0.022 9）（Pb－Pq）×F池×760/B
　　＝（0.017 4×0.2＋0.022 9）×（28.29-20.98）×312.5×760/754
　　＝60.7 kg/h
　　式中 W1——泳池水面散湿量（kg/h）；
　　Vf——池水面上的风速，取0.2 m/s；
　　Pb——与池水温28 ℃相等的饱和蒸空气的水蒸气压力，取28.29 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）；
　　Pq——29 ℃/RH70％池周围空气的水蒸气压力，取20.98 mmHg；
　　F池——室内池水面面积，为312.5 m2；
　　B——当地大气压，754 mmHg。
　　5.3.2 池边散湿量
　　W2=0.017 1（t干-t湿）Fn=0.017 1×（29-24.6）×587.5×0.2=8.8 kg/h
　　式中 W2——散湿量（kg/h）；
　　t干——室内空调计算干球温度，取29 ℃；
　　t湿——室内空调计算湿球温度，取24.6 ℃（设计相对湿度70％）；
　　F——池边面积，本工程按587.5 m2计；
　　n——润湿系数，一般按20％～40％计算，本工程取n=20％。
　　5.3.3 人体散湿量
　　W3＝0.001n n′g＝0.001×60×0.92×120＝6.6 kg/h
　　式中 n′——群集系数，取0.92；
　　g——人体散湿量，取120 g/人；
　　n——泳池综合服务人数，按游泳池内0.2人/m2计算，池边人数同池内人数，本工程n＝F池/S＝312.5×0.2＝62.5人，本工程取n=60人。
　　5.3.4 新风引入散湿量
　　本工程拟定活动人员为60人，每人按新风量50 m3/h计算，最小新风量约为3 000 m3/h。
　　根据《游泳馆空调设计》规定，为消除池面有害气体引入新风量18 m3/h，新风量取人员新风和消除池面有害气体新风量两者大值，新风量为18×312.5＝5 625 m3/h。故本工程新风量确定为6 000 m3/h。室内按照干球温度：29 ℃，相对湿度70％，焓湿量17.67，室外干球温度：34 ℃，湿球温度27.9 ℃，焓湿量为21.39 g/kg，带入的散湿量为：
　　W4＝Lρ×（dn-dw）＝6 000×1.2×（21.39-17.67）/1 000＝26.8 kg/h
　　5.3.5 总散湿量
　　总散湿量为：W=W1＋W2＋W3＋W4=60.7＋8.8＋6.6＋26.8=102.9 kg/h。
　　5.4 通风量计算
　　由于室外空气含湿量dw是个变数，随着室外气温的升高、相对湿度的升高而升高。由于冬季室外温度较低，空气比较干燥，所以除湿能力较大，一般按照过渡季节计算通风量（此时不需空调和采暖）。根据相关文献以及实际应用范例，本工程以室内空气露点温度Tnl（通过室内温度29 ℃，相对湿度为70％，计算得出露点温度Tnl=23 ℃）作为过渡季节室外空气平均计算温度，这也和惠州市历年各站点平均气温相对湿度统计（1997—2003年）相一致（摘自《惠州统计年鉴2004》）。此时平均气温为23 ℃，相对湿度为76％，则含湿量dw=13.36 g/kg。同时通过计算，室内设计含湿量dn=17.67 g/kg。
　　按消除余湿计算方法，通风量：
　　L＝W/ρ×（dn-dw）＝102.9×1 000/[1.2×（17.67-13.36）]＝19 896 m3/h
　　同时，为了控制游泳池空气中的氯气含量，根据《体育建筑空调设计》规范中表4-1查得，我国游泳馆采用的换气次数为2～4次/h。通过计算，本工程通风换气次数为19 896/6 450≈3.1次/h，满足规范要求。本工程通风量确定为20 000 m3/h。
　　5.5 泳池空调设备选型
　　本工程空气处理设备循环风量为20 000 m3/h，新风量为6 000 m3/h。
　　本工程选用美国美意空调箱产品MAH1502，风量：20 000 m3/h，制冷量202 kW。
　　 6 空调设备及辅助设备选型
　　空调设备及辅助设备选型如表2所示。

序号	型号	制冷量	制热量	水流量	台数	备注
kW	kW	m3/h
1	MWH030CB	103.5	120.98	-	2	主机，其中1台热回收
2	MWH020CB	69	80.7	-	1	主机
3	MAH1520	202	-	-	1	泳池除湿空调采暖
4	冷冻水泵(负载侧)	流量55 m3/h，扬程28 m	2	1用1备
5	冷却水泵（源水侧）	流量85 m3/h，扬程28 m	2	1用1备
6	过滤沙缸	85 m3/h	1	1用
7	取水泵	流量100 m3/h，扬程47 m	2	1用1备
8	全程处理仪	85 m3/h	1	1用

　　7 系统设计思路
　　在进行空调设计的过程中了解到，会所的空调系统要求较高，在采暖和空调能够满足的情况下，也要满足泳池的冷热需求和热水恒温需要。空调采暖系统采用空调采暖主机+风机盘管系统。该空调设备系统由热泵主机集中提供冷热量，同时满足所有其末端设备所在空间的制冷、制热需求。在夏季，水源热泵机组还可以在制冷时提供全热回收免费制取热水。冷热源部分采用水源中的湖水源。系统图如图1所示。


　　夏季运行时3台全开，其中全热回收机组回收热水满足淋浴及泳池恒温需求。此时热水是“免费”的。
　　冬季运行时，全热回收机组制取热水满足淋浴及泳池恒温需求。其他机组满足室内采暖使用。 [NextPage]
　　 8 源水选择
　　根据该项目的特点，现可以利用湖泊水水源作为此项目的空调源水，以达到节能、环保、高效的空调效果。会所南面湖面积为20 000 m2，平均水深约3.5 m。经过详细的温度变化计算，本项目基本可以满足大部分系统运行时间的冷热源需求，部分时间可结合其他冷热源。
　　根据本项目水温情况，取4 ℃温差取水，选择取水水泵流量100 m3/h。根据项目取水位置到机房的相对高差和距离，选择取水泵，扬程47 m。
　　取水位置对于水源热泵系统来说是关键的一步，一般来说，取水口的位置应选择在长期稳定的河床上，具体如下：
　　（1）在弯曲河段，宜在凹岸“顶冲点”（水流对凹岸冲刷最强烈的点）下游处设置取水口。
　　（2）在顺直河段，宜在主流近岸处设置取水口。
　　（3）取水口应选在地形地质良好、便于施工的河段。
　　（4）一般情况下，应尽量避免在河流交汇处设置水口。如必须设置，应通过实地考察和资料分析，确定泥沙、淤泥的影响范围，继而将取水口设置在影响范围外。
　　（5）在分叉河流处取水时，应注重调查研究，掌握河叉的水特性及河道演变规律，将取水口位置选在发散的汊道上。
　　（6）避免在游荡性河段及湖岸浅滩处设置取水口。
　　（7）送取水口和取水构筑物应注意下述影响因素：1）泥沙、水草等杂物会使取水头淤积堵塞，阻断水流；2）河流历年的径流资料及其统计分析数据是设计热泵站取水构筑物的重要依据；3）注意人为因素对河床稳定性的影响等。
　　回水口的设置原则是离取水口越远越好，但考虑到成本问题，只要满足不与取水管短路的要求即可，以不小于100 m为准。
　　为了保证水温恒定，设计取水点位置在水面2.5～3 m以下。距离河底也应有适当距离以免抽取到河底泥沙。当冬季湖水低于5 ℃时，启动辅助加热设备。
　　根据河岸的形式取合适的取水构建物形式。本项目河岸较短，河岸较陡，水质清澈，可用直接取水的形式进行取回。取水应用如图2所示。


　　直接取水的形式需配合相应的防护网措施，并树立警示标识以免过往船只碰撞。取水头部处理为带防护过滤功能的取水头部。对于取水区域定期进行清理。
　 　9 项目运行情况
　　本工程交付使用后，空调系统运行良好。水源热泵技术的应用已经相当成熟，作为一种节能手段在合适的条件下应用会有良好的效果。
　　 10 结语
　　（1）水源热泵系统初期设计阶段应进行细致的水文勘察工作及详细的取热、排热计算，以保证热量的平衡。
　　（2）在进行详细的前期水文情况调查后，如何结合现场情况进行取水是水源热泵系统实现的关键步骤。结合给排水专业的给水设计是项目成功的保证。
　　（3）采用水源热泵给泳池水供热的系统中，采用全热回收的热泵形式可以更好地实现节能。
　　（4）泳池空调采暖与水源热泵的紧密结合是可行的。
　　在有条件的情况下合理地使用水源热泵系统，是节能减排的好方法。