1.同济大学机械与能源工程学院 上海 200092；
2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092
摘要：本文利用DEST软件计算某恒温游泳池全年动态空调负荷，并模拟三集一体热泵全年空气处理过程及运行能耗，通过与传统方案进行比较，阐明三集一体热泵在室内恒温游泳池应用的节能性、经济性。
关键词：三集一体热泵；游泳池；能耗；热回收
Annual Energy Consumption Analysis of an Indoor Swimming Pool Based on Three-in-one Heat Pump
Xu Ye1，Wang jian2
（1.College of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai，China；2.Tongji Architectural Design（Group）Co.，Ltd.，Shanghai，China）
Abstract：In this paper，DEST software is used to calculate the annual air conditioning load of an indoor swimming pool，and simulate the air treatment process and running energy consumption of the three-in-one heat pump for one year.By comparing with the traditional scheme，the energy saving and economy of the three-in-one heat pump in the indoor swimming pool are clarified.
Key words：three-in-one heat pump，swimming pool，energy consumption，heat recovery
引言
随着人们生活水平的提高和全民健身运动的兴起，国内相继兴建了许多大型室内恒温游泳池。传统的游泳池供热空调方案，空气处理和池水加热系统独立分散，运行费用高。近年来，随着国外泳池专用热泵机组的引进以及国内除湿热泵技术的发展，一些室内游泳池已经采用了三集一体热泵系统来维持泳池运行。范晴等[1]介绍了三集一体热泵在现代游泳馆中的应用，重点阐述了热泵参数确定、馆内温/湿度控制和池水、淋浴水加热、设备选型等方面的内容。居里[2]介绍了三集一体热泵的特点和系统设计，通过室内参数的计算与常规系统进行经济性比较。但是，目前缺乏对采用三集一体热泵的室内游泳池全年能耗的分析。本文利用DEST软件动态分析泳池全年运行期间的空调热湿负荷，并在此基础上模拟三集一体热泵全年空气处理过程及运行能耗。
1.三集一体热泵工作原理
三集一体热泵的设计理念基于热回收的概念，热泵在冷却除湿过程中回收空气中的蒸发潜热，将热量转移到池水和空气中，弥补池水和空气的热损，同时实现空调、除湿、泳池加热功能。其工作原理图见图1
图1 游泳池专用空调工艺流程图
泳池回风和新风混合后在经过蒸发器时被冷却和除湿。风中的显热和潜热被蒸发器中的低压液态制冷剂吸收，使液态制冷剂变为低压气态制冷剂。低压气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气态制冷剂，高温高压气态制冷剂通过电磁阀控制优先进入空气再热冷凝器加热空气，热量有富余时再进入池水加热冷凝器加热池水，当池水温度达到或超过设定值时，系统将控制电磁阀将多余的高温高压气态制冷剂送入辅助风冷或水冷冷凝器。回收的热量首先是用来维持游泳池空间的温度，次优先权为保持游泳池水温，所有剩余的热量最后才被送到辅助冷凝器。
2.工程概况
本文所研究的室内恒温泳池设置在无锡锡东高中体艺馆一层，该馆地下一层，地上三层，总建筑面积10892平方米，建筑高度23.650m，为多层建筑。地下室设有设备用房等，地上建筑主要设有体育、艺术类活动用房等。泳池全年对外开放，运行时间为9：00-21：00。
3.设计参数
3.1室外计算参数
室外计算干球温度：夏季空调：34.6℃；冬季空调：-3.5℃；
室外计算湿球温度：夏季空调：28.1℃；冬季空调室外相对湿度：75%
大气压力：夏季：1005.3hPa；冬季：1026.1hPa.
3.2室内计算参数
4.全年动态负荷计算
游泳馆的空调负荷包括围护结构、人员、灯光、设备和水面或湿地面的散湿量，其中需要特别注意是其室内散湿量，室内散湿量由三部分组成：人体散湿量、游泳池水面散湿量和池边湿地面散湿量。根据文献[1]的方法计算，人体散湿量为8.49 kg／h、游泳池水面散湿量为178.26kg／h，池边湿地面散湿量为11.68 kg／h，总散湿189.94 kg／h。根据建筑平面图，在DEST软件中建立体艺馆的物理模型，之后将人员、照明、设备、水面散湿量以相应的作息导入DeST，并以无锡地区的典型气象年作为DEST进行建筑能耗模拟的基础数据，通过计算即可得到游泳馆全年动态负荷，见图2、图3。
图2 游泳馆全年逐时负荷 图3 游泳馆全年逐时除湿量
从图2、图3可以看出：游泳馆的冷热负荷全年存在，其中热负荷占主导地位，冬季的冷负荷主要是除湿冷负荷。
5.游泳馆全年空气处理过程模拟及分析
为了评估三集一体热泵的节能性、经济性，就需要模拟设备在全年的运行状况及能耗，综合考虑设备在全年不同工况的运行效果和运行能耗，此处用到了DEST软件的空气处理方案分析AHU模块，该模块可以建立各种空气处理设备的模型，模拟空气在经过该设备时的状态变化过程，模拟时假定全年新风量不变。图4为各季节典型时刻泳池空气处理焓湿图。
图4 典型时刻泳池空气处理焓湿图
由图4可知：泳池室内散湿量全年基本相同，从而导致L点位置基本不变。当新风含湿量小于送风含湿量时，理论上可通过增大新风比来减少除湿制冷量，但增大新风比会增加新风负荷，减少热回收量。
通过模拟，即可得到三集一体热泵的逐时冷热负荷、逐时热回收量，见图5、图6。
图5 全年逐时冷热负荷 图6 全年逐时热回收量
6.全年动态池水加热热负荷
为了维持泳池池水恒温，游泳池需要持续加热，池水加热所需热量由四部分组成：泳池水表面蒸发损失的热量、泳池池壁和池底传导损失的热量、管道和设备损失的热量、补充新鲜水加热所需要的热量。根据文献[3]，计算得池水加热负荷为450kW。
要计算全年动态池水加热热负荷，就需要自来水逐时温度，现有文献对自来水逐时温度的研究结论并不适用于本工程，所以本文采用自来水月平均温度作为自来水逐时温度，图7为自来水月平均补水温度和室外月平均干球温度，其中自来水月平均温度采用文献[4]提供的公式计算获得，公式如下：
（1）
式中：t0，ta----分别是自来水月平均补水温度和室外月平均干球温度，℃。
图7 自来水月平均补水温度和室外月平均干球温度
根据自来水月平均温度，可以计算得到全年月平均池水加热耗热量，见图8。
图8 月平均池水加热耗热量
7.三集一体热泵负荷分析
通过上述计算，我们可以得到三集一体热泵的全年月平均冷热负荷及热回收量，如前文所述，热泵回收的热量分配先后顺序为空气再热冷凝器、池水加热冷凝器、辅助冷凝器。通过图9可得知，除冬季12月、1月、2月外，其余月份的热回收量都大于空调热负荷，空调不需要辅助加热。通过图10可得知，最热月7月热泵的月平均池水冷凝器供热量大于月平均池水加热耗热量，在7月份只需要运行三集一体热泵就能保证游泳馆的温湿度及泳池温度，同时还有必要运行辅助散热器将多余的热量排放至外界。
图9 月均空调热负荷与热回收量 图10 月均池水冷凝器供热量与池水加热耗热量
8.三集一体热泵节能性、经济性分析
根据上述分析计算，恒温泳池的全年能耗如下：全年空调热负荷76.78万kWh，全年空调冷负荷92.76万kWh，全年制冷耗电量30.92万kWh（平均COP按3.0计算[5]），有效热回收量122.37万kWh，有效热回收量中用于空气加热和池水加热的热量分别为73.96万kWh和48.41万kWh，全年空调泳池总耗热量94.66万kWh。若没有热回收，全年空调泳池总耗热量217.03万kWh。三集一体热泵的有效热回收量占全年空调泳池总耗热量的56.4%，节能效果显著。
为了进一步分析三集一体热泵的经济性，对本方案与其它传统方案的初投资与运行费用进行了比较，方案比较时，假定热源均采用燃气锅炉，且全年室内空气处理过程相同。相关计算参数如下：三集一体热泵为2500元/kW冷量，常规除湿热泵为1500元/kW，冷水机组为600元/kW冷量，真空燃气锅炉为400元/kW热量，空调箱为2元/（m3/h），制冷/热容量均按400kW计算，最大除湿量按250kg/h，总送风量50000m3/h。比较结果详见表1。
表1 方案对比表
9.小结
9.1恒温泳池利用三集一体热泵后，除冬季12月、1月、2月外，其余季节的空调热负荷由热泵自身就能解决，空调不需要辅助加热。最热月7月只需要运行三集一体热泵就能保证游泳馆的温湿度及泳池温度。
9.2三集一体热泵回收的热量可用于空调、池水的加热，这部分被实际利用的有效热回收量占全年空调泳池总耗热量的56.4%，节能效果显著。
9.3三集一体热泵+燃气锅炉的供热空调方案与常规方案相比，静态回收期不到3年，经济性良好。
9.4当热源采用风冷热泵或地源热泵时，基于三集一体热泵的室内恒温游泳池全年能耗可进一步降低，变新风比的恒温游泳池全年能耗也得深入研究。
参考文献：
[1]范晴，陆本度，钱东郁.热泵在现代游泳馆的应用[J].给水排水，2004，30（9）：82-84.
[2]居理.热泵除湿机在会所恒温游泳池中的应用[J].上海建设科技，2009，（1）：19-21.
[3]中国建筑设计研究院.CECS：2002.游泳池和水上游乐池给水排水设计规程[S].北京：中国计划出版社，2002.
[4]吴静怡，江明旒，王如竹，等.空气源热泵热水机组全年综合能效评定[J].制冷学报，2009，30（5）：14-18.
[5]林康立.热泵热水机组在游泳池中的设计应用[J].中国建设信息供热制冷，2005，（6）：38-42.
论文作者:许烨1,王健2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/4/2
标签：热泵论文; 池水论文; 泳池论文; 负荷论文; 空调论文; 游泳池论文; 耗热量论文; 《基层建设》2017年第34期论文;