空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)選型與工程案例分析

王宏新 汪若童

摘要：本文介紹了空氣源熱泵機(jī)組的使用功能和發(fā)展。對冬季和夏季的能耗問題進(jìn)行了談?wù)摗８鱾€(gè)地區(qū)的環(huán)境溫度對空氣源選型及使用的影響。分析了空氣源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn);對空氣源熱泵機(jī)組的應(yīng)用與展望進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵，設(shè)計(jì)選型，工程案例分析

一、空氣源熱泵的工作原理

空氣源熱泵，作為熱泵技術(shù)的一種，是大自然能量的“搬運(yùn)工”?；谀婵ㄖZ循環(huán)原理，通過少量電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?，通過壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?，加熱加水，用于供暖或制取生活熱水，所以它有能耗低、效率高、安全性好、環(huán)保性強(qiáng)，源源不斷的提取空氣中的能量用于制冷和供暖。

空氣源熱泵運(yùn)行原理，空氣源熱泵是一個(gè)能量搬運(yùn)裝置：

1、介質(zhì)（冷媒）在蒸發(fā)器吸收大量空氣中的熱能Q1;2、通過壓縮機(jī)做功Q2，將介質(zhì)（冷媒）壓縮成高溫高壓氣體;3、介質(zhì)（冷媒）經(jīng)過熱交換器交換熱能Q3，以提供熱水供末端使用。根據(jù)能量守恒定律：熱能Q3=電能Q2+ 空氣熱泵Q1 能效比COP=熱能Q3/電能Q2

二、空氣源熱泵的優(yōu)勢

1采暖過程“零”排放，空氣源熱泵系統(tǒng)采暖過程不釋放固體顆粒物及SO2等大氣污染物，能有效緩解城市冬季霧霾指數(shù)。燃煤鍋爐供暖產(chǎn)生大量的固體廢渣，占用大面積場地，空氣源熱泵可完全解決固體廢渣的存儲(chǔ)與運(yùn)轉(zhuǎn)等問題。2運(yùn)行管理便利，空氣源熱泵無需專人值守、全自動(dòng)化運(yùn)行、自行決定供暖時(shí)間。3一機(jī)多用，一套熱泵系統(tǒng)既能滿足冬季取暖需求，又能滿足夏季的空調(diào)制冷需求，真正做到冷、暖一體，對于三位一體的設(shè)備還可以提供生活熱水，與鍋爐或者集中熱網(wǎng)相比，綜合造價(jià)能低。4采暖費(fèi)用低，傳統(tǒng)的采暖設(shè)備。如鍋爐、燃?xì)獗趻鞝t、電采暖設(shè)備，其能效均小于1?？諝庠礋岜脵C(jī)組從空氣中獲取低品位熱泵轉(zhuǎn)為高位熱能，利用壓縮機(jī)的逆卡諾循環(huán)設(shè)備能效大于3.0，相比其他的采暖方式，空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用更低。5采暖舒適性，空氣源熱泵不受市政統(tǒng)一供熱時(shí)間的限制，可根據(jù)氣候變化情況靈活調(diào)整供暖時(shí)間，提高用戶的采暖舒適性。并能根據(jù)室外環(huán)境溫度及調(diào)整供暖熱水溫度，既能提高采暖舒適度又降低供暖能耗。6安裝靈活，主機(jī)可安裝在屋頂或地面，可省去冷凍機(jī)房土建投資及冷卻系統(tǒng)投資;COP值較高，自動(dòng)化程度高。

三、空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)選型

空氣源熱泵選型根據(jù)地域及室外壞境溫度的不同，而直接影響設(shè)備的數(shù)量。

比如室內(nèi)采暖溫度同樣取18℃，北京的室外采暖計(jì)算溫度是-7.6℃，室內(nèi)外溫差是25.6℃;合肥的室外采暖計(jì)算溫度是-1.7℃，室內(nèi)外溫差是18.7℃。兩地溫差相差6.9℃，同樣的建筑，北京地區(qū)的能耗會(huì)大概比合肥多30%。

一）機(jī)組選型步驟，1項(xiàng)目信息整理：包括項(xiàng)目的地理位置、采暖面積、功能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況、層高等;2確定單位熱負(fù)荷指標(biāo)：按功能確定單位熱負(fù)荷;3計(jì)算制熱量：總熱負(fù)荷（W）=采暖面積（m2）×單位熱負(fù)荷（W/m2）;4確定主機(jī)數(shù)量：根據(jù)計(jì)算得出的制熱量選配主機(jī)臺(tái)數(shù)。

二）影響熱負(fù)荷的因素，1維護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量2由外門、窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣耗熱量3由外門開啟時(shí)經(jīng)外門進(jìn)入室內(nèi)的冷空氣耗熱量4通風(fēng)耗熱量5通過其他途徑散失或獲得的熱量

三）末端形式，1風(fēng)機(jī)盤管：水溫要求45～50℃，按技術(shù)手冊給定制熱量選型。2地?zé)岜P管：水溫要求40～45℃，供回水溫差5～10℃。地暖盤管間距200左右，散熱均能滿足要求。3暖氣片：水溫要求50～60℃。熱泵采暖建議按50℃設(shè)計(jì)，供回水溫差設(shè)計(jì)為5℃。一般每平方配1.5片暖氣片，或根據(jù)暖氣片樣板選型。

四、空氣源熱泵機(jī)組實(shí)際工程案例

一）工程概況1.工程名稱：興城市新橋醫(yī)院。2.工程地址：遼寧省興城市。3.建筑功能：醫(yī)院，主要為病房、辦公室、食堂等。4.工程范圍：主樓共五層，輔樓共二層，建筑面積約 4000 m2，末端為暖氣片+風(fēng)機(jī)盤管，此項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，非節(jié)能建筑。

二）實(shí)際使用效果，冬季采暖，室內(nèi)溫度：冬季23℃±2℃。夏季制冷，室內(nèi)溫度：夏季26℃±2℃。末端形式：全空氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管暖氣片地?zé)?/p>

三）設(shè)備選型

考慮到當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，空氣源熱泵選用奧利凱品牌，可在環(huán)境溫度為-30℃時(shí)正常運(yùn)行。確定符合使用實(shí)際情況的氣溫和進(jìn)水水溫。針對本項(xiàng)目考慮采暖兼制冷，設(shè)計(jì)末端為暖氣片+風(fēng)盤，供/回水溫度分別為55/50℃（供暖）。

根據(jù)采暖負(fù)荷計(jì)算及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，空氣源熱泵主機(jī)型號(hào)為：50P，對應(yīng)機(jī)組臺(tái)數(shù)為：2臺(tái)：①實(shí)際空調(diào)使用約為建筑面積的70%，即空調(diào)面積約為2800平;②奧利凱50P低環(huán)境溫度空氣源熱泵最高出水溫度為55℃。

五、空氣源熱泵機(jī)組能耗分析

（一）供暖季節(jié)能耗分析1、平衡溫度點(diǎn)對空氣源熱泵機(jī)組的制熱季節(jié)性能系數(shù)的影響，對于選定的空氣源熱泵機(jī)組，當(dāng)建筑物的熱負(fù)荷較大時(shí)，平衡溫度點(diǎn)將增高，使整個(gè)供暖季的輔助加熱量增加，從而導(dǎo)致制熱季節(jié)性能系數(shù)降低，當(dāng)建筑物的熱負(fù)荷較小時(shí)，平衡溫度點(diǎn)將降低，導(dǎo)致整個(gè)供暖季的輔助加熱量的減小。同時(shí)，由于負(fù)荷的減小，機(jī)組有更多的時(shí)間處于部分負(fù)荷下運(yùn)行。因此，制熱季節(jié)性能系數(shù)先是增大，然后會(huì)有所降低。且在相同平衡點(diǎn)溫度下，各地區(qū)使用熱泵機(jī)組具有不同的制熱季節(jié)性能系數(shù)值。2、運(yùn)行方式對空氣源熱泵機(jī)組制熱季節(jié)性能系數(shù)的影響一班制時(shí)，熱泵機(jī)組都在白天運(yùn)行，而白天時(shí)的室外氣溫要高于夜間，這使得在整個(gè)供暖季，一班制運(yùn)行熱泵機(jī)組的制熱季節(jié)性能系數(shù)要高于三班制運(yùn)行機(jī)組。作為一種節(jié)能技術(shù)，要評(píng)價(jià)空氣源熱泵機(jī)組的節(jié)能效應(yīng)，就必須用到一次能利用率E的概念，一次能利用率在這里指的是熱泵機(jī)組的制熱量與一次能耗的比值?？諝庠礋岜脵C(jī)組的一次能利用率提高，一方面有待于進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，提高空氣源熱泵的制熱季節(jié)性能系數(shù);另一方面則取決于我國平均發(fā)電配電效率的提高。

二）供冷季節(jié)能耗分析，空氣源熱泵的供冷季節(jié)能耗分析采用負(fù)荷頻率表法。負(fù)荷頻率表法是建立在空調(diào)負(fù)荷與室內(nèi)外溫差大致成比例這一假設(shè)基礎(chǔ)上的。該方法根據(jù)是室外空氣干球溫度出現(xiàn)的年頻率數(shù)（用于全年運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)）或季節(jié)頻率數(shù)（用于季節(jié)性空調(diào)系統(tǒng)）和空調(diào)系統(tǒng)的全年或季節(jié)運(yùn)行工況計(jì)算出不同室外空氣狀態(tài)下的加熱量和冷卻量。在計(jì)算出冷（熱）負(fù)荷后，再根據(jù)冷（熱）源機(jī)組的變工況性能表查出相應(yīng)工況下的供冷（熱）季節(jié)小時(shí)頻率值相乘，然后累加，計(jì)算出冷（熱）源設(shè)備的耗能量。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)供冷季節(jié)性能系數(shù)與本地區(qū)的氣候條件是相一致的，因?yàn)楣├浼竟?jié)的氣候越炎熱，室外空氣溫度越高，空氣源泵的供冷季性能系數(shù)將越低。

六、結(jié)論

綜上所述，盡管許多人對當(dāng)?shù)囟緹岜霉┡目煽啃院秃侠硇猿忠欢ǖ膽岩蓱B(tài)度，但由于空氣源熱泵的上述某些優(yōu)點(diǎn)，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的發(fā)展也相當(dāng)?shù)目?。同時(shí)我們也不難看出在空調(diào)冷熱源的選擇方面，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組作為中央空調(diào)的冷熱源有著很多優(yōu)勢，如設(shè)備利用率高，在氣候適宜地區(qū)可冬夏共用，省去了鍋爐房和冷卻水系統(tǒng)，符合我國缺水國情。另外，機(jī)組可安裝在室外，節(jié)省了機(jī)房的建筑面積?？諝庠礋岜弥皇菑目諝庵形崃炕蛳蚩諝庵嗅尫艧崃浚⒉粯?gòu)成對空氣的污染，對環(huán)境幾乎不造成什么影響。因此該機(jī)組在中小型建筑中得到了廣泛地應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[3]《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》2003年版

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