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                泳池熱泵機組工作原理(泳池加熱泵的實際工藝流程)

                時間:?2021-11-22 16:42:33 ??來源:?投稿 ??作者:?dxm ??點擊: ?

                作者分析目前根據熱泵原理制成的熱泵熱水機組,不僅僅可以用于一般生活熱水供應,而且也可以巧用熱泵回收低位熱能(包括顯熱和潛熱)的特點,用于室內游泳場館中、與室內空調降溫(或供熱)和除濕結合,做到“一機三用”-達到空調、除濕、池水加熱以及生活熱水供應的目的。文章分析了室內游泳池場館的熱損失和用熱要求以及計算方法。介紹了以熱泵回收游泳池濕熱空氣熱量的兩種具體做法:減濕-加熱熱泵機組和空調-加熱熱泵機組,并分析了熱泵熱水機組用于游泳池的實際工藝流程、用熱量計算、設備選擇及其節能、經濟效果。

                1.游泳池的熱損失及用熱要求

                1.1游泳池的熱損失

                游泳池有室外露天游泳池(場)以及室內溫水游泳池(館)兩大類。從游泳池的使用性質分,有比賽池,訓練池,跳水池,兒童戲水池等;從經營性質分,有公用游泳池,商業賓館內游泳池,也有私人別墅住宅內的游泳池等。但無論何種游泳池,都有一個要求維持池水溫度恒定的要求,池水的溫度因使用性質不同而異。游泳池的熱損失有下列幾個方面:

                1)游泳池池水因水面蒸發,水面傳導,池底和池壁傳導而不斷損失熱量。

                2)因人們在游泳池內游泳,會損失一部分池水,必須不斷補充,而補充水需加熱,需要補充一部分熱量;

                3)此外,整個游泳池的設備和管道也在不斷向周圍環境排放熱量。

                以上這一些損失的熱量,都需要不斷補充,才能維持池水有一定的溫度。這些熱損失再加上游泳場館淋浴等用熱的負荷可以稱之為經常性用熱負荷。

                另外,恒溫池水也有一次性全部更換新的要求。為了清洗,消毒的要求,在一定時段內,要求將池水全部放空,重新輸入溫水。如果補充的水是冷水(水溫在5-15℃),那末,加熱整池水需要的用熱量就是一次性沖擊負荷。

                2.2游泳池池水溫度

                一般室內游泳池池水溫度為24-29℃,室外的為22-30℃。如室內游泳館有完善的空調采暖設施,可以取為25℃;如果氣溫低,可以取為27℃。熱損失與池水溫度高低有關,也與周圍環境(例如空氣)溫度有關。一般室內環境溫度比池水溫度高1-2℃。國外資料表明:室內游泳池最佳環境參數為:

                空氣溫度 26-30℃

                池水溫度 25-28℃

                地面溫度 30-32℃

                風 速 0.05-0.1m/s

                相對濕度 50-60%

                1.3室內游泳館相對濕度

                維持室內游泳館內一定的相對濕度十分必要。當室外溫度為-10℃,室內空氣相對濕度為50-60%,設雙層窗的傳熱系數為2.9W/m2時,玻璃窗戶上仍會潮濕、結露;即使室外氣溫為-1℃,室內為28℃ 時,也會結露。因而游泳池場館必須除濕。

                1.4 游泳池的用熱負荷計算

                前者提到,對于游泳池用熱的經常性負荷,有:

                a.水面蒸發散熱;

                b.水面傳導散熱;

                c.池底,池壁傳導散熱;

                d.設備及管道散熱;

                e.補水加熱量;

                f.游泳場館淋浴等用熱;

                由于蒸發散熱,傳導散熱等計算十分復雜,而且必須有游泳池結構的詳細尺寸,氣象,土壤等資料,為了估算的方便,對于a,b,c,d四項,可以合并為一項,即:按游泳池水面面積m2計的平均熱散失量??梢砸姳?

                國外資料介紹,對于露天游泳池的熱損失,也可以按下列數據估算;在水溫為23℃,平均氣溫10-12℃時。

                對流熱損失 70―95W/㎡

                輻射熱損失 60-80 W/㎡(夜間)

                輻射得熱量 ≤180W/㎡〔白天〕

                蒸發熱損失 350-700 W/㎡

                補充水時的補熱量 400-600 W/㎡

                對于補水熱損失,可以按補水量及補水溫差進行計算而得。游泳池每天補水量占游泳池容積的百分數可見表2。

                方案設計中建議:露天池取10%=B1;室內池取5%=B2。因補水需補熱的小時功率可按下式計算:

                P=[(V×B×1000/24)×(t2-t1)/860] kW, (1-1)

                式中:P-補水的補熱功率,kW;

                V-游泳池容積,m3;

                B-補水量的百分數,%;

                t1-補水初溫,℃;

                t2-池水溫度,℃。

                至于游泳館所用的淋浴、洗滌等生活熱水用量的計算及制熱所需負荷,可按常規計算。

                對于一次性沖擊負荷,則按照換水量以及水溫升來計算其總用熱功率和小時用熱功率(機器所需的制熱功率)??傆脽峁β蔘Zh

                QZh=1.15×V×(t2-t1)×1000/860 kW, (1-2)

                小時熱功率Ph=QZh/T kW, (1-3)

                式中:V- 游泳池的總容積,m3;

                t2- 池水所需溫度,℃;

                t1- 冷水溫度,℃;

                T- 換水周期,h;

                1.15-考慮在換水周期內的熱損失附加值。

                一般初次充水或換水的周期T為24-48h計。也就是說,要求在24-48h內完成整池的換水。至于間隔多長時間換一次水,應根據用戶對于游泳池的使用要求和經營情況而定。由于池水是在不斷循環過濾和消毒的,間隔時間相對比較長,可以是一個月,半年、甚至一年,對于桑拿浴性質的水池,有可能是一天換一次水。對于有幾個游泳池的場館,在計算負荷時,可以將換水時間錯開。在選擇主機時,可按一個最大容積的水池的一次性負荷來計算,也可以用換水周期的時間長短來調整。各種不同的游泳池的循環次數和周期可見表3。

                游泳池循環加熱以及補水加熱的一般做法可見圖1。

                2.以熱泵回收游泳館濕空氣熱量的做法

                以熱泵技術為基礎的一般熱泵熱水機組完全可以用于各種游泳池的加熱和補熱。利用游泳池室內空氣熱量(潛熱+顯熱)的“空調-熱水機組”、“除濕-熱水機組”更可以達到“一機兩用”、“一機三用”,在制熱保證池水恒溫的同時,達到改善游泳館室內空間的空氣環境、去濕降溫的目的。下面介紹三個例子。

                2.1美國CRISPAIR公司“E-Tech PHD”室內溫水游泳池用超節能熱水空調系統(見圖2)

                圖2 室內溫水游泳池用熱水空調系統

                該主機吸取溫水游泳池室內的水蒸汽和熱空氣中的潛熱和顯熱,通過風冷熱泵,將熱量轉移到游泳池中來加熱池水,使水溫保持恒定;同時又將游泳池的室內空氣去濕、降溫,補入一部分新風后,送入室內,保證室內空氣品質和不結露。

                其主機內部的流程及部件可見圖3。該系統可以有效地降低2/3游泳池室內空氣的降溫費用;3/4池水的加熱費用;3/4的室內空氣除濕費用,整個系統的能效比COP=3。該主機對空氣進行熱管換熱加熱和再加熱(調整露點);對室內空氣進行雙重除濕-熱管的冷端除濕、熱泵蒸發器中的除濕。排走一部分的回風,補入室內人員必須的一部分新風。新風量用露點控制器調節。

                圖3 熱水空調熱泵系統內部流程

                2.2法國私人室內游泳池用“熱泵除濕-熱水機組”

                這種機組主要是為了除濕,同時將一部分熱量轉移到加熱池水中。國外資料表明,私人游泳池的產濕量為:每平方米水面面積0.10-0.15kg/h.m2,再加上每人0.40-0.50kg/h。每平方米水面每年產生的水蒸氣約為1t,每噸水蒸氣相當熱量約為700KW.h。為除濕所需的通風量約為25-40m3/m2.h。熱泵除濕加熱過程可以從h-d圖上作圖說明(見圖4)。

                傳統除濕,室內空氣狀態點P(假定28℃、φ=50%)與新風點A(假定+5℃、φ=90%)混合,混合點M,再由M點加熱到E點(46℃、φ=13%),加熱過程所需熱量為QC;熱泵除濕,由于熱泵吸取P狀態下空氣的熱量,使空氣降溫降濕至K點(假定10℃、φ=80%),再用冷凝熱將空氣加熱至E點(送風狀態),空氣的得熱量為(hE-hK)×Vγ=Qhp。設熱泵的能效比COP=3.8,則熱泵實際耗電量僅為0.263Qhp。如Qhp>QC,則熱泵的制熱量除了加熱空氣外,還可以有多余的熱量;來加熱池水。

                圖4 除濕過程在h-d圖上的表示

                國外統計數據表明,一些完全靠電力使用熱泵加熱的私人室內游泳池每年大致的耗電量可見表4。

                減濕-加熱用熱泵機組的制冷劑循環及組成可見圖5。該機組有兩個單獨的制冷劑循環-兩臺熱泵所組成:一個是空氣-空氣式;一個是空氣-水式。第一臺熱泵的壓縮機部分承擔游泳池室內空氣的減濕,與此同時用空冷式冷凝器再加熱減濕后的空氣。如果單用一臺熱泵達不到預定的減濕量,則開動第二臺熱泵的壓縮機完成其余的減濕量。但第二臺熱泵的冷凝器采用銅管制水冷式,將回收的熱量去加熱池水??刂七M入的新風量為最小值,以節約能量,晚間不用新風,完全采用室內空氣循環。當除濕量減少(意味著吸熱減少、就空氣的冷凝熱減少)時,采用輔助電加熱空氣,以保證室內采暖需要。

                圖5 減濕-加熱熱泵機組

                2.3加拿大“Dectron丹淳”泳池除濕機的室內游泳池、按摩池、小型商用恒溫恒濕和能源再生系統-為改善室內空氣品質、保證沒有凝結水的減濕-熱水機組通過把游泳池蒸發到空氣中的水蒸氣回收利用,一方面回收熱量將池水加熱,同時也可以給空氣回熱;另一方面,通過降低空氣溫度到露點,使水蒸氣凝結成水,既干燥了空氣,達到除濕的效果,又可以回收蒸發掉的水分,再回水池,減少游泳池的補充水,從而達到了恒溫、恒濕、節能、節水、環保的效果。該系統的流程圖可見圖6。

                圖6 游泳池能量再生系統

                3.熱泵熱水機組用于游泳池的方案及其經濟性

                3.1工藝流程和控制

                目前推薦的熱泵熱水機組用于游泳池供熱系統的工藝流程可見圖7。

                圖7 熱泵熱水機組用于游泳池的制熱工藝流程圖

                該流程中,開式蓄熱水箱A中的55℃以上的熱水,用泵增壓打入分水器,從分水器出來的一路去池水的再加熱器,間接循環加熱池水。設池水維持的水溫27℃,抽出的池水由24℃加熱到28℃,返回池內。而另一路作為補水加熱的熱源,通過混水器與自來水混合后,成為28℃的水補入平衡池中,平衡池的液面與游泳池的水面同一高度,一旦游泳池的液面下降,平衡池的水面也下降,通過浮球閥對28℃的水補入池中。第三路水即送到淋浴間作淋浴用,采用干管循環,未用完的熱水循環回到蓄熱水箱B中,由主機吸入再加熱。

                3.2設計計算及步驟

                3.2.1已知條件:

                1)游泳池容積: 300m3

                2)淋浴等日用熱水量和溫度:6750升(55℃)

                3)池水溫度及游泳池的室內氣溫:池水溫度27℃ ,室溫28℃。

                4)當地氣溫平均值:春秋季(3-5、9-11月) 23℃; 夏季(6-8月) 28℃;冬季(12-2月) 15.37℃。

                5)極端最高氣溫 38.7℃ ; 極端最低氣溫 0.2℃

                6)當地自來水溫(平均值):冬季15℃、春秋季17.5℃、夏季20℃、最低水溫10℃

                3.2.2熱負荷計算

                1)一次性沖擊負荷(初次充水或換水)

                應以冬季的工況計算,自來水溫度取最低值:10℃;換水周期24-48小時,本案取48小時。則:P2h=1.15×V×(t2-t1)×1000/(860×48)=1.15×300×(28-10)×1000/860×48 =150.44kw

                2)日經常負荷:

                (1)彌補散熱損失負荷:當池水水溫為27℃,室溫為28℃時,查表1,得每平方米的池水散熱量為372W/m2;小時散熱負荷Ph1=200×372/1000=74.4kW;日散熱負荷為Qh1=74.4×24=1785.60kWh

                (2)補水補熱負荷:以每日補水量為5%的池容積計,冬季工況冷水溫度為15℃時,小時補水補熱負荷Ph2=[V×B×1000/24×(t2-t1)/860×0.95] =300×0.05×1000×(28-15)/(24×160×0.95)=9.95kW

                日補水補熱負荷Qh2=Ph2×24=9.95×24=238.68kwhr

                (3 )淋浴等用水量及日用熱負荷Qh3:日用熱水量6750升/日(55℃);設小時最大流量為1/3的日用熱水量(每場次用水量), Wh=W/3=6750/3=2250升/小時。 日用熱負荷Qh3=W×(55-15)/(860×0.05)=6750×40/817=330.48kwhr

                該游泳池日使用熱負荷為 ∑Qh=Qh1+Qh2+ Qh3 =1785.6+238.68+330.48 =2354.76kW。

                3.2.3主機選型計算

                1)滿足冬季一次換水要求,初選主機及臺數,然后校核工作時數是否在24-48小時之間。并且以冬季平均日氣溫及最低冷水水溫來計算

                (1)初選某公司300型熱泵熱水機組。該主機在氣溫為15.37℃時,其輸出熱功率為80.59kW,輸入功率為25.07 kW。

                (2)主機臺數N=P2h/80.59=150.44/80.59=1.8647臺

                (3)初取2臺

                (4)主機工作小時數H=( P2h×48)/(80.59×2)=(150.44×48)/(80.59×2)=44.8小時(符合48小時內的要求)

                2)經常日用熱負荷下,主機日工作小時核算

                (1)以冬季工況計算: H1= ∑Qh/(80.59×2)=2354.76/(80.59×2)=14.61小時。

                3)極端最低氣溫下,主機24小時全開時,所需輔助電加熱量計算:

                當地最低氣溫為0.2℃,熱泵主機的輸出功率為47.4 kW, 輸入功率為19.58 kW。

                主機24小時的總制熱總量:47.4×2×24=2275.20 kW

                極端最低氣溫下,日經常用熱負荷也會因上水溫度(自來水溫)下降而增大,Qh1=1785.6 kW

                Qh2=300×0.05×1000×(28-10)/860×0.95=330.48kW

                Qh3=W×(55-10)/860×0.95=6750×45/817=371.78 kW

                總日經常負荷為:1785.6+330.48+371.78=2487.86kW

                欠缺電量為2487.86-2275.20=212.66度

                所需輔助電加熱的功率為212.66/24=8.86 kW,設計取10 kW。

                3.2.4蓄熱水箱的臺數及容積計算:

                根據本流程要求,應采用2個水箱,1個水箱具有循環(中間)水箱的作用,且作為加熱池水循環熱水系統的緩沖罐。另一個具有蓄熱水箱作用,滿足淋浴等高峰用水的需要。另外,其容積應從滿足兩方面要求來考慮。

                1)循環熱水流量:池水小時散熱量:74.4 kW×860=63980kcal/hr, 設加熱水由55℃降低至50℃,則要求循環加熱水量為:63980/(55-50)×0.05=13470l/hr=13.47m3/hr。

                2)緩沖罐容積取為30分鐘流量,則V=13.47*30/60=6.735 m3 。

                3)淋浴用熱的高峰用水量:以每批計,最大用水量為2250 l。

                4)所需水箱的有效容積:6.735+2.250=8.985m3

                設計取用6 m3水箱2個,共12 m3 。

                根據上述的計算,本案的設備如下:

                HAM300型熱泉熱水機組 2臺

                輔助電加熱器10 kw 1臺(放在水箱內)

                水箱6 m3 2臺

                3.3方案的經濟性

                如果能利用室內游泳池的濕熱空氣作為熱泵熱水機組的熱源。由主機蒸發器吸熱去濕后,再將主機出來的干冷空氣直接打入游泳池空間或作為室內游泳池空調的補充新風,則可以大大減少機組用電量,并達到免費去濕、降濕的目的。主機選型時,可按氣溫為28℃計算。此時, 300型主機的輸出功率為108.2kw,輸入功率為27.98kw ,日用經常性熱負荷為2446.52 kW。2臺主機的工作小時為 H1=2446.52/108.2×2=11.31小時。以室外空氣為熱源和以室內濕空氣為熱源節能比較見下表5

                由上述計算可知,由于利用了游泳池室內的濕熱空氣熱量,不僅節省了電能19656度電,而且可以提供制冷量610147.8 kW(相當于53246萬千卡/年),以空調主機的COP=3.0計,節省空調用電量20638度電,熱泵全年能效比提高了0.3227,COP約提高了9.1%。

                泳池熱泵機組工作原理(泳池加熱泵的實際工藝流程)

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