多功能泳池热泵机组的应用及改进分析

李锡宇

顺德职业技术学院机电工程学院

近年来，很多高级会所和私人别墅都配置了高档的室内游泳场所，而选用何种设备以满足泳池有效地运作成为了考虑的首要问题。直接采用电加热和燃料供热来单一加热水体，由于成本较高也不能满足泳池环境湿度和空气温度的需要将逐渐淘汰。随着热泵技术的发展，目前已有各种类型的热泵机组被运用到泳池当中。热泵机高效环保的性能已经得到普遍认可，但室内泳池的封闭性和腐蚀性，使得室内泳池环境波动较大，而很多热泵机组由于功能单一也缺乏自动化调节功能，在运行时很难保持室内泳池环境各项参数始终达到一种理想的平衡状态。本文通过对室内泳池环境特点介绍，分析了多功能热泵机组在室内泳池中的应用，并对这种机组的送回风系统和冷媒系统分别提出了改进方案。

1 带除湿的泳池热泵运营效益

从室内泳池的两大特性看出，在加热泳池水体时，控制空气中的湿度也至关重要。在热泵技术还未完全成熟之前，最常用的控制方案就是：排出室内的高湿空气，补充进室外的干燥空气。这种方案在冬季需加热大量的空气，能耗非常高，同时需要用电加热或用火力加热泳池水体，补充水体因表面蒸发和池壁等传导造成的热损。

表1是某用户提供的对照表，该用户先后采用了两套泳池加热设备，先采用的是单冷热泵和锅炉设备，用了一段时间后发现很难控制泳池环境的平衡，且过大的湿度使人感到很不舒服，也使天花板等周边设备长期结露，出现锈蚀情况。不但没有良好效果的同时还花销了大量的电费和燃料费。后来另添加了一套热泵除湿机组，经过一段时间的运行对比得出了表一所列的数据，明显看出除湿热泵的优越性，在夏季采用除湿系统完全满足游泳池空气的降温和除湿的要求，同时又可以提供免费的热水，无需启用锅炉，节约燃料。冬季外新风的湿度较低，除湿量较小，通过回收蒸发盘管进入回热冷凝器，加热冷凝后的干燥空气，减少锅炉供热量。

表1 除湿执泵机和单冷热泵+锅炉的空调冷热负荷对比

考虑该泳池每日运营16 h（18:00-22:00），夏季运营期4个月，采用除湿热泵每日可节约能量153 kW，总计减少2900度电21200 m3天然气，能节省费用约10.5万元。冬季通过热回收和减少新风量降低的热负荷约 100 kW，考虑冬季为 3个月，节约天然气14600 m3、约5.5万元。冬夏季运营总计节约费用为16万元。

2 多功能泳池热泵机组的应用

2.1 特点

集水加热、除湿、制冷为一体的泳池热泵机组，可称为多功能泳池热泵机组。它不仅实现了泳池水体加热，控制室内湿度，热量回收，提高经济效益多重功能，还对室内空气温度进行控制，并针对其封闭性可引入新风的功能，使室内泳池环境始终保持在一个洁净舒适的理想平衡状态。

2.2 运行逻辑

2.2.1 模式运行

图1所示是一个典型的室内多功能泳池热泵机组的应用示意图，压缩机输出的热量首先通过热交换器满足池水加热的需要，水温达到后进行除湿，除湿过程也是个能量交换的过程：图中机组通过回收泳池区域水蒸发而损失到周边环境空间的热量。热量回收指的是将高湿空气冷凝所得的能量转移到池水，并可以用来维持水温在一个理想的温度，同时湿气也在空气冷凝过程中被分离出来，余热主要用于加热由于除湿被冷却的空气。当水温和湿度要求后，对空气进行控制：夏季通过室外散热器制冷，冬季可选用机组配置的辅助加热或者其它空气加热方式投入运行。当室内游泳池水温，空气温度和湿度三者都满足的情况下压缩机自动停止运行，而为保持泳池大厅良好的通风，送、回风机会继续运行。

图1 多功能室内泳池热泵机组的应用示意图

2.2.2 节能运行

当室内温度和户外的温度点相差不大时，而室内湿度大于户外的湿度并高于标准值时，可打开排风阀和新风阀，让泳池内温湿空气被加风机送到过滤器被排至室外，新鲜空气被送风风机送至室内游泳池，在泳池水体温度满足要求的情况下，可以停止压缩机，实现节能运行。

3 多功能泳池热泵机组的改进

3.1 风系统的改进

由于室内泳池是封闭性的热湿环境，因此保持室内良好的通风非常重要。从图1中看出，该多功能泳池热泵机组的送回风系统都装有风阀，即回风阀、排风阀、新风阀。通过前面的分析知道这些风阀在给室内更换空气时也实现了节能运行。目前很多室内泳池的热泵机组都安装了风阀，但却很少利用，不能自行开启，需人工自行根据室内外空气的质量进行判断来开启，这样的方式自然有很大的局限性，不能随时对风系统作出调节，也起不到节能运行的良好效果。经过实验发现采用继电器——接触器控制系统的泳池热泵机组很难实现对风阀的自行调节，而采用具有可编程控制的PLC控制系统能够很好地解决这个问题。

本文所分析的泳池热泵机组正是采用PLC控制系统，为了让风阀在对比泳池室内外空气的参数后自动调节开启度，在已装有室内温湿度的基础上，可另增加一个温湿度传感器放在新风口以测量室外空气参数，在原有的风阀上安装三个风阀驱动器，PLC增加I/O点的数量AI：新风温度4-20 mA、湿度4-20 mA输入。AO：Y1回风阀控制（0～10VDC）输出、Y2排风阀控制（0～10VDC）输出、Y3新风阀控制（0～10VDC）输出。然后对PLC编入程序，机组运行时逻辑如下：

1）当室外湿度＞室内湿度时，开大回风阀，减小排风阀和新风阀，以40%为偏差（此偏差可设定），即湿度0-40%对应0-10VDC输出，例如当室外湿度＞室内湿度40%时，PLC输出给回风阀10 V信号，则全开回风，输出给排风阀0 V信号，关闭排风，为了保持室内通风，新风仍开10%开启度，随着室内外湿度的变化，三个风阀的开启度也发生变化如：新风阀开20%，则排风阀开20%，回风阀开80%。新风阀开40%，则排风阀开40%，回风阀开60%，并按排风阀与回风阀加起来为100%，排风阀与新风阀的开度一样来动作。

2）当室外湿度=室内湿度时，三个风阀各开50%开启度。

3）当室内湿度＜室外湿度时，开大新风阀和排风阀，开小回风阀，如当室外湿度＜室内湿度40%时，PLC输出给新风阀和排风阀各10 V信号，则全开新风，输出给回风阀0 V信号，关闭回风阀。当机组运行制冷时，同理，PLC通过对比室内外空气的温度参数来自动调节三个风阀的开启度。

通过对装入新程序的多功能机组运行实验观察得知，该逻辑能够很好地自动调节各风阀的运行，从而达到保持室内泳池洁净舒适的空气环境，同时更提高了泳池热泵的节能性能。

3.2 冷媒系统的改进

多功能热泵机组是根据泳池多种需要而设计的，极大程度地满足泳池环境和游泳者的舒适感。通常机组经过现场的安装，初期调试以及后期的保养等过后，有出现机组冷媒系统运行时压力不稳定的风险，出现这种风险后会打破泳池环境的平衡，既给泳池周边结构造成腐蚀，也给游泳的人们带来身体的各种不适。在针对此机组可能会出现的风险问题上，本文经过实验，提出了一种减少风险的参考设计方案[1-3]。

如图2所示，该机组有三种运行模式：（如果按除湿——水加热——制冷的逻辑来运行）则当室内湿度未到设定点时，电磁三通阀V1不得电，V2通电，这时从压缩机排出的制冷剂蒸气经过除湿盘管后再到蒸发器，（泳池内的湿蒸汽经过蒸发盘管遇冷除湿盘管吸热后再被蒸发器冷凝，热湿空气遇冷结水从而达到除湿）。除湿满足后，若泳池水温未到要求，则阀V1、V2都不得电，这时进行泳池水体加热。一直到水温满足要求，这时机组将自动检测湿度和空气温度，湿度还在保持舒适范围而空气温度高出设定点时，则系统将转入制冷运行，这时阀V1、V2都得电，制冷蒸气经过室外散热盘管冷却，再经过室内蒸发器吸收从泳池来的热量蒸发，从而使泳池室内温度降低保持在理想的温度范围。这种多功能机组的设计就是自动感应室内泳池环境的各项参数，按照可以事先人工设定的运行逻辑来先后运行不同的模式，从而达到室内泳池环境的平衡。

图2 多功能室内泳池热泵机组的冷媒系统图

经过应用发现，机组在运行一段时间后，其中某个模式或者三种模式都出现了压力不稳定，经常压力偏低，机组运行机效果很差，检查时却没发现任何有冷媒泄露的迹象。经过分析后才发现，当某个模式运行时，冷媒通过三通阀进行了系统间的少量窜气，例如，当系统在运行除湿时，从压缩机排出的制冷剂蒸气有少量去到了室外散热器，或是去到热水泡，也就是说电磁三通阀在运行时，得电和失电时都有可能因阀体原因出现少量窜气，即从打开的通道窜到关闭的通道，这样就出现了在某个模式下，因冷媒量的减少致使系统压力偏低。针对普遍三通阀的不稳定性，在这个系统考虑另增加了三个电磁二通阀和单向阀。如图所示的V3、V4、V5，分别连接在三种模式的冷凝器之后的液管与压缩机回气管道之间，并在阀与液管间增加单向阀，以防止回气倒流。而所做的控制方面，当在运行某一模式时，该模式上的二通阀关闭，其它两个二通阀开启。例如，在水加热运行时，V1、V2、V3 失电，V4、V5 得电，根据上面的运行分析，从三通阀V1、V2窜气到室外盘管和除湿盘管的冷媒会通过开启的V4、V5回到水加热系统，从而保证水加热模式的正常运行。

4 结论

1）多功能室内泳池热泵机组通过不同的运行模式不间断地始终保持室内泳池环境在一个平衡范围，提供一个舒适的游泳场所。

2）热泵不可能像空气加热器一样瞬间输出高热量，因此一个较冷的泳池的初次加热常常需要几天时间。不能选择型号过大的热泵，而应选择连续运行维持均匀的加热效果。