空气源热泵在泳池加热上的应用与分析

陈 浩 罗海强 代京京 李德亮

上海中建海外发展有限公司 上海 200125

为满足游泳池的水温标准，需要对泳池循环水进行热量补充，目前燃油或燃气锅炉等加热方式，在经济和环保方面缺陷明显，因此越来越多的人选择了空气源热泵。空气源热泵作为一项极具开发和应用潜力的高效节能、环保新技术，具有广阔的实用价值[1-3]。

1 空气源热泵的实际应用情况

1.1 项目游泳池加热系统设计概况

毛里求斯综合体育场项目的泳池加热系统选用了16套KFRS-Y96SM/NaAS型号的泳池用空气源热泵，分别供给竞赛池（10套）和热身池（6套）使用，用于全年的泳池供热。竞赛池和热身池加热系统各自配有一套热水循环泵。

1.2 热泵制热水流程

压缩机吸入低压过热制冷剂蒸汽，经压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽，进入水侧换热器给泳池水加热，从而冷凝成饱和或过冷的制冷剂液体。经过电子膨胀阀节流后，进入翅片换热器吸收环境的热量汽化蒸发，进入汽液分离器，再被压缩机吸入压缩，进行下一次循环（图1）。

图1 热泵制热水流程

1.3 运行工作原理

本项目泳池用热泵热水机组采用模块化安装（图2）。

图2 模块化安装原理

机组通过水泵使泳池的水经过机组中的套管换热器循环加热，当进水温度设定为45℃时，在机组进水温度＜42℃时，压缩机启动工作。当泳池的水温上升到设定温度45℃时，压缩机停止工作。本项目未设置辅助电加热。

1.4 实际运行状态分析

1.4.1 运行故障

根据试运行阶段对泳池加热系统的运行状态监测，发现存在如下问题：

1）以竞赛池为例，正常运行情况下，机组进出水温差在3～6 K之间较好，夏季不超过7 K，冬季不超过4 K。运行阶段，机组进出水温差常出现大于7 K的情况，或显示水流开关保护的错误。出现这种情况，说明系统内水流量偏小，原因有水过滤器堵塞、空气未排净、管路系统阻力过大等。通过对系统的检查，逐一排除可能的原因，最后确认原因是一次侧热交换器（由业主指定的泳池专业厂家提供）的交换流量过小（只有12.5 L/s）。单台热水机组的循环水流量为4.54 L/s，10台机组同时开启的情况下，总流量将远超过12.5 L/s，热交换器的交换能力远不能达到空气源热泵机组的流量要求。

2）在原设计工况下，10台机组同时开启，2台热水循环泵工作（第3台备用）。根据对热泵机组实际运行的数据记录，机组加热达到设定出水温度的时间一般为10 min。在压缩机停止工作约30 min，机组进水温度＜42 ℃时，压缩机将再次启动工作。压缩机出现启停过于频繁的情况。产生原因主要有水系统管路循环不良、水系统堵塞或有空气等。在检查水泵、阀门、管路或排净空气后，仍然存在此问题。在协同机组厂家人员分析排查后，确认主要的原因仍是一次侧热交换器的交换流量过小。

1.4.2 解决措施

最佳的解决措施是更换热交换器，选择满足空气源热泵交换流量的热交换器。但由于一次侧热交换器由业主方指定的泳池专业分包负责，且受现场赛事需要，因此该措施暂不考虑。

为使整套泳池加热系统达到最佳的运行状态，结合试运行阶段的调试数据，对设备的运行工况进行了调整，具体采取的措施如下[4-6]：

1）竞赛池系统。按热泵机组的编号，开启1#～3#的3台机组，其他7台机组关闭。同时进机组的阀门需全部关闭，保证管网系统水流量。热水循环泵的运行模式调整为用户设置模式，由变频调整为共频，频率设置为80%，数量为两用一备。热泵机组和水泵的运行可每隔一个周期（自主选择，以周、月计），手动开关设备进行轮换运行，以确保各台设备运行状况良好。

2）热身池系统。按热泵机组的编号，开启1#～3#的3台机组，其他3台机组关闭。同时进机组的阀门需全部关闭。热水循环泵的运行模式调整为用户设置模式，由变频调整为共频，频率设置为80%，数量为两用一备。热泵机组和水泵的运行可每隔一个周期（自主选择，以周、月计），手动开关设备进行轮换运行。

1.4.3 采取措施后的效果

通过上述的调整措施，可最大限度地增大水流量，将机组进出水温差控制在合理范围内，减少了压缩机启停的频率，在现有情况下能确保系统达到最佳运行状态。

2 效益分析

2.1 社会效益评估

每年空气源热泵提供可利用的热量＝1 764 MJ/h× 24 h×365＝1.55×107MJ（其中1 764 MJ/h为热水设计耗热量）。

空气源热泵热水系统的环保效益体现在因节省常规能源而减少了污染物的排放，主要指标为CO2的减排量。将系统寿命的节能量折算成标准煤，然后将标准煤中碳的含量折算成CO2，即为空气源热泵热水系统CO2的减排量。经计算可知，空气源热泵系统每年可减少CO2排放量约为1 660 t。

2.2 经济效益评估

毛里求斯属亚热带海洋性气候。全年分夏、冬两季，每年的11月份到次年的4月为夏季，平均气温23～33 ℃。每年的5月份到10月份为冬季，平均气温17～24 ℃。

以加热100 t的50 ℃热水为例，经计算，电锅炉全年所需费用约为264.4万元，空气源热泵全年所需费用约为58.34万元，即空气源热泵全年的运行费用约只有电锅炉的1/4.5，大大节约了电力的消耗。

综上所述，空气源热泵具有初期投入低、高效节能、零污染排放、系统运行费用相对较低、适用范围广、供热时间长、可实现全天候运行、受天气和气候影响较小等特点。将空气源热泵应用在毛里求斯综合体育场项目泳池系统上，在实现功能的前提下，充分发挥了其社会效益和经济效益[7-9]。

在全球变暖日益严重的今天，选用更加清洁、能效高的空气源热泵，从长远来看，值得优先选择。

3 系统设计和施工上存在的不足

3.1 设计上的不足

一方面，原设计空气源热泵机组所在屋面空间局促，空调机组、管线、桥架等排布非常紧凑，管道翻弯较多，虽经过深化设计，对各专业管线也进行了优化排布，但仍存在初期管道系统内排气不畅的问题，且缺少必要的检修通道，给后期的运营维护带来一定的困难。

另一方面，进出水热泵机组的阀门均为机械阀门，非电磁阀，BMS远程选择热泵机组台数开启时，为保证水系统流量，在无法自动关闭进水阀门的情况下，只能通过人工手动操作关启阀门，设计上存在一定的缺陷。

3.2 施工上的不足

泳池加热水系统使用的黑钢管采用焊接方式连接，在系统闭式循环冲洗管道时，焊渣无法完全清洗排走。在试运行期，虽然在热水循环泵和热泵机组进水口均增加了过滤器，以防止杂质进入设备中，对设备造成损坏，但在对系统冲洗多次、目测出水清澈的情况下，仍然导致一台热水循环泵的机锋被击穿。通过开机检查，发现水泵内存在大量细小的焊渣粉末。经排查发现，过滤器的孔径偏大，导致杂质流入泵体内[10-13]。

4 系统改进方案

空气源热泵作为泳池加热系统中重要的一部分，为达到设备运行的最佳状态，需要充分考虑与系统中其他设备的配合，特别是涉及BMS方面。通过运行观察，不断调整，最终选择适合本项目的设备运行参数。在现场安装过程中，总结出如下的改进方案：

1）在系统按设计图纸安装的前提下，要预先考虑到设备运行监测的需求，对原设计一次侧热交换器的交换流量进行校核。在热泵机组进出水口处须安装压力表和电磁阀，用以检测水流量。在水系统的最高点或管道爬坡凸起处安装自动排气阀，保证管道内空气顺利排出。

2）水泵进水口前须安装过滤器（30目，即孔径600 μm），以防止机组内套管换热器的堵塞，同时，要定期清洗。

3）在水泵进出水口、一次侧热交换器进水口上，除安装温度传感器和压力传感器外，还需要安装物理温度计和压力表，用以比较和校准传感器的读数（图3）。

图3 竞赛池一次侧热交换器

传感器取源部件的预留在管道试压前应完成，要事先与弱电专业沟通确认好预留的数量和部位。

5 结语

毛里求斯综合体育场项目采用的泳池用空气源热泵，运行时高效节能，匹配优化的制热系统和可靠的控制技术，确保机组在各种环境状况下运行时均具有良好的效率，同时兼具环保、节省费用的特性。在实际应用上，为使加热系统能充分发挥其效率，需要和其他专业相协调，在优化设计、保证施工质量的基础上，调整运行参数至合理的运行范围。通过本文对室外游泳池加热系统采用空气源热泵的实际应用与运行分析，可为类似工程的加热方式选择提供一定的参考。