對(duì)某工程中空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)分析

成才林

（齊魯工業(yè)大學(xué)山東省科學(xué)院，山東 濟(jì)南250353）

本建筑物位于濟(jì)南地區(qū)，建成于2004 年，層高3.75 米，平面布置主要是128 人教室。在中央空調(diào)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先是計(jì)算空調(diào)負(fù)荷的大小，根據(jù)現(xiàn)行空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范，利用冷負(fù)荷系數(shù)法進(jìn)行逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算，利用穩(wěn)態(tài)傳熱法進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算。本文就此展開(kāi)確定空氣源熱泵機(jī)組方案的過(guò)程討論。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)及建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

1.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)（GB50736-2012）《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.0.2 室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定，教室溫度冬季取tn=22℃，夏季取tn=26℃。

1.2 室外計(jì)算參數(shù)

冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度[1]：-7.7℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度34.7℃。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算

外墻設(shè)計(jì)做法：黏土空心磚做鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)填充墻，墻厚δ=0.24m，其導(dǎo)熱系數(shù)查熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[2]λ=0.44（W/m.K），則熱阻R1=δ/λ 計(jì)算結(jié)果為0.24/0.44=0.545（m2.K/W）。磚墻內(nèi)外共抹0.04m 厚。

水泥砂漿找平層，內(nèi)外墻刷涂料，水泥砂漿導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.93（W/m.K），熱阻R2=0.04/0.93=0.043（m2.K/W）。查熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[2]知內(nèi)表面換熱阻Ri=0.11（m2.K/W），外表面換熱阻Re=0.05 （m2.K/W）， 則 墻 體 傳 熱 阻 R0=Ri+R1+R2+Re=0.11+0.545+0.043+0.05=0.748 （m2.K/W），Rmin，w=Ri（tn-tw）/ △tw-（Ri-Re）=0.11（22+7.7）/6-（0.11-0.05）=0.485（m2.K/W）＜0.748（m2.K/W），滿足不結(jié)露條件（允許溫差△tw，外墻取6℃）。外墻體傳熱系Kq=1/0.748=1.337（W/m2.K）。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算結(jié)果為Kw=0.547（W/m2.K）；玻璃厚度6mm 鋁合金窗的整窗傳熱系數(shù)查表Kc=6.5（W/m2.K）[2]。

表1 北外墻逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果CLWq=KF（twlq-tn），tn=26℃（下同），KF=39.27（W/K）

表2 西外墻逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果CLWq=KF（twlq-tn），KF=45.12（W/K）

表3 屋面逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果CLWm=KF（twlm-tn），KF=73.85（W/K）

表4 外窗（北）傳熱逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果CLWc=KF（twlc-tn），KF=180.2（W/K）

2 負(fù)荷計(jì)算方法

空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)空調(diào)區(qū)的夏季逐時(shí)冷負(fù)荷、冬季熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算[1]。

2.1 夏季空調(diào)冷負(fù)荷的計(jì)算

為了說(shuō)明問(wèn)題，取樓頂西曬教室進(jìn)行計(jì)算，房間（外墻）長(zhǎng)15 米，寬9 米，層高3.75 米，位置西北角，北墻4 個(gè)鋁合金窗寬3.3 米，高2.1 米，玻璃厚度6mm。查空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范附表H.0.1-5，外墻類型近似按6 類；查表H.0.1-6，屋面近似按1 類。

2.1.1 計(jì)算內(nèi)容主要包括：通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、通過(guò)玻璃窗的太陽(yáng)輻射得熱、室內(nèi)人員散熱形成的冷負(fù)荷等（無(wú)新風(fēng)負(fù)荷），各項(xiàng)逐時(shí)計(jì)算、逐項(xiàng)累加，按逐時(shí)分項(xiàng)累加的最大值確定。照明、設(shè)備等其它散熱引起的冷負(fù)荷在此項(xiàng)目中占比很小忽略不計(jì)。

2.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算：圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括外墻面、屋面、門窗等，采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法時(shí)，通過(guò)外墻面?zhèn)魅氲闹饡r(shí)冷負(fù)荷的計(jì)算公式是CLWq=K×F×（twlq-tn），式中CLWq表示外墻傳熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷，K 表示外墻的傳熱系數(shù)，F(xiàn) 表示外墻的傳熱面積，twlq表示外墻的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算溫度，可從空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄H表中查到。本項(xiàng)目中K=Kq=1.337（W/m2.K），北外墻面積Fq=15×3.75-3.2×2.1×4=29.37m2，西外墻面積Fq=9×3.75=33.75m2，屋面面積Fm=15×9=135m2，北墻鋁合金窗面積F=3.3×2.1×4 個(gè)=27.72m2，玻璃凈面積按窗面積的85%計(jì)算得Fc=27.72×0.85=23.56m2?？照{(diào)開(kāi)啟時(shí)段7：30-21:00，因篇幅只展示11：00-20:00 的局部時(shí)間段的計(jì)算結(jié)果，如表1～4。

2.1.3 透過(guò)玻璃窗進(jìn)入的太陽(yáng)輻射得熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷，計(jì)算公式CLC=CclCCzDJmaxFc，其中Cz=CwCnCs=0.89×0.6×0.85[3]=0.45，DJmax=145（W/m2）[1]，F(xiàn)c=23.56m2。結(jié)果如表5 所示。

2.1.4 人體散熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算包括，人體顯熱冷負(fù)荷與人體潛熱冷負(fù)荷[4]。φ=0.96[3]，人數(shù)n=128，Qrt顯=67[5]，Qrt潛=41。其中人體潛熱冷負(fù)荷CLrt=nQrt潛=5038W。（表6）

2.1.5 各項(xiàng)冷負(fù)荷匯總

由表7 可知，最大冷負(fù)荷值為17377W，出現(xiàn)在下午17:00點(diǎn)。

2.2 空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算

本項(xiàng)目采暖負(fù)荷不涉及新風(fēng)，采用穩(wěn)態(tài)算法計(jì)算。通過(guò)計(jì)算整樓結(jié)果為1216.6KW。

表5 外窗（北）輻射逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

表6 人體（顯熱）散熱逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果CLrt=CclrtφnQrt 顯

表7 各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷匯總結(jié)果（W）

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 冷熱源方案確定

由于該建筑物處于夏熱冬冷地區(qū)，滿足夏季制冷冬季供熱的熱泵機(jī)組就成為首選，對(duì)于這種后加的中央空調(diào)系統(tǒng)，采用空氣源熱泵機(jī)組非常合適。它可以放置在樓頂，不占用空間，施工方便，對(duì)原有建筑的影響很小。根據(jù)制冷負(fù)荷、制熱負(fù)荷的大小，在決定機(jī)組容量時(shí)以較大的負(fù)荷為依據(jù)，校核較小的一方負(fù)荷。

3.2 機(jī)組的選型

機(jī)組選型的主要參數(shù)包括熱泵機(jī)組的制冷量、制熱量、COP值等。經(jīng)房間計(jì)算、樓層匯總，本建筑物總的空調(diào)夏季冷負(fù)荷為1760.5KW，冬季熱負(fù)荷為1216.6KW。據(jù)此選用的某模塊式機(jī)組的型號(hào)為YCAE130DRME50，其制冷量為138KW，則模塊機(jī)組的數(shù)量，為1760.5/138 即12.8 臺(tái)，取14 臺(tái)。每臺(tái)模塊機(jī)組制熱量為101KW（工況：室外環(huán)境干球溫度-12℃），總的制熱量為101×14=1414KW，融霜修正系數(shù)取0.9 進(jìn)行修正。機(jī)組設(shè)計(jì)工況下的制熱量為1272.6KW（1414×0.9）＞1216.6KW，故機(jī)組選型滿足。本型機(jī)組COP=3.1，大于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的2.0[1]。

4 結(jié)論

夏熱冬冷地區(qū)，空氣源熱泵的全年能效比較好，尤其隨著制造技術(shù)的不斷提高，對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)越來(lái)越寬廣，超低溫空氣源熱泵也不斷面世，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)為人們創(chuàng)造了舒適的工作生活學(xué)習(xí)環(huán)境。