風(fēng)冷熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

潘李丹

（浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310000）

中國是建筑行業(yè)的發(fā)展中大國，建筑面積逐年增加是建筑能耗逐年增加的主要原因。1996—2006年這10年間，中國的城市建筑面積從61.3億m2增加到174.5億m2，并且還在以每年6億～7億m2的速度增長?；诮y(tǒng)計(jì)年鑒的計(jì)算方法計(jì)算2017年中國及各省市建筑能耗，中國建筑研究報(bào)告中指出：2017年建筑能耗為9.47億t，占全國能源消費(fèi)比例的21.11%，全國建筑總面積為643億m2，城鎮(zhèn)人均居住建筑面積為37.2 m2，建筑碳排放20.44億t，占全國能源碳排放的19.5%。風(fēng)冷熱泵機(jī)組使用大量自然界溫度較低的低品位空氣熱源，空氣熱源隨處可得，可免費(fèi)獲取。建筑供暖大大降低了一次能源的消耗，對(duì)節(jié)能減排具有重要意義，是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。

1 項(xiàng)目概述

該工程位于廣東省清遠(yuǎn)市，項(xiàng)目名稱為奧德（英德）文化旅游城（一期）巧克力樂園，氣候分區(qū)為夏熱冬暖地區(qū)，建筑總面積為15 589.15 m2。其中巧克力工廠建筑高度為19.015 m，地上建筑面積為9 556.7 m2，地下建筑面積為488.9 m2。本項(xiàng)工程空調(diào)冷負(fù)荷為1 480 kW，熱負(fù)荷為845.2 kW。工廠二層設(shè)有巧克力制作工坊，該區(qū)域工作時(shí)間有別于場區(qū)其他區(qū)域，獨(dú)立設(shè)置多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。綜合考慮氣候環(huán)境及建筑特性等因素，本工程將風(fēng)冷熱泵與VRF變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組結(jié)合作為空調(diào)冷熱源方式，機(jī)組置于屋面。

2 風(fēng)冷熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述

2.1 風(fēng)冷熱泵的適用性分析

2.1.1 建筑需求的適應(yīng)性分析

風(fēng)冷熱泵是以空氣為冷（熱）源，以水為供冷（熱）介質(zhì)的中央空調(diào)機(jī)組。風(fēng)冷熱泵機(jī)組能制冷和制熱以適應(yīng)不同建筑物的使用要求，一機(jī)冬夏兩用，夏季制冷時(shí)采用空氣側(cè)換熱器，無需安裝冷卻塔及冷卻水系統(tǒng)；冬季制熱，不用購買鍋爐及配備鍋爐房，節(jié)省了開支，結(jié)構(gòu)緊湊且整體性好，可放置在屋頂，安裝方便，不占用建筑物的室內(nèi)空間；在過渡季節(jié)，建筑物內(nèi)不用開啟空調(diào)模式，僅采用全新風(fēng)模式。單獨(dú)在某特定區(qū)域使用風(fēng)冷熱泵機(jī)組供應(yīng)空調(diào)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝空間少，維護(hù)管理方便，節(jié)約能源，特別適用于水資源匱乏的地區(qū)。由風(fēng)機(jī)盤管、空調(diào)箱等末端裝置組成的集中式和半集中式中央空調(diào)系統(tǒng)，具有布置靈活、控制方式多樣的特點(diǎn)，極大地滿足了本工程建筑使用需求。

2.1.2 機(jī)組性能的適應(yīng)性分析

風(fēng)冷熱泵冷水機(jī)組具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)空氣側(cè)換熱器翅片表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度且低于0℃時(shí)，空氣側(cè)換熱器表面會(huì)結(jié)霜。結(jié)霜初期，霜層增加了傳熱表面的粗糙度和表面積，從而增加了總傳熱系數(shù)。隨著霜層逐漸增厚，風(fēng)冷熱泵機(jī)組的運(yùn)行將受到不利影響。一方面，空氣與風(fēng)冷換熱器之間的傳熱阻力會(huì)增加；另一方面，霜層使盤管上的空氣通道變窄，減小了翅片之間的空氣流通面積，導(dǎo)致空氣運(yùn)動(dòng)阻力增大，空氣流量減少，從而降低了風(fēng)冷換熱器的換熱能力，增加了風(fēng)機(jī)的功耗，惡化了工況。

本工程地點(diǎn)為廣東省清遠(yuǎn)市，一方面，由于全年環(huán)境溫度較高，即使在環(huán)境溫度較低的冬季各項(xiàng)工程依然可以正常開展，免受結(jié)霜的影響，機(jī)組依然可以高效、穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，對(duì)于有特殊使用功能的建筑，冬季有采暖需求時(shí)，因?yàn)槠洵h(huán)境溫度較高不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的供熱量降低而不能滿足熱負(fù)荷的需求。上述原因使得風(fēng)冷熱泵機(jī)組在本項(xiàng)目中可充分發(fā)揮其自身特色，極大契合了風(fēng)冷熱泵機(jī)組節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 機(jī)組選型

2.2.1 機(jī)組類型以及容量確定

風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組臺(tái)數(shù)、類型的要求非常高，必須依據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在質(zhì)量、吊裝、尺寸等方面要求較為特殊的建筑項(xiàng)目，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組類型的設(shè)計(jì)要求也更加嚴(yán)格。根據(jù)壓縮機(jī)的差異可以將風(fēng)冷熱泵型冷熱水機(jī)組分成活塞式熱泵機(jī)組、螺桿式熱泵機(jī)組以及渦旋式熱泵機(jī)組。依據(jù)機(jī)組組合規(guī)模以及結(jié)構(gòu)大小又可以分為模塊式熱泵機(jī)組、整體式熱泵機(jī)組。本質(zhì)上模塊式熱泵機(jī)組和整體式熱泵機(jī)組并沒有太大區(qū)別，模塊式熱泵機(jī)組指一臺(tái)熱泵機(jī)由多個(gè)具有獨(dú)立蒸發(fā)、獨(dú)立冷凝、獨(dú)立制冷回路、獨(dú)立控制板以及獨(dú)立框架的熱泵單元并聯(lián)組成，各個(gè)單元之間可以適當(dāng)進(jìn)行增減，提升機(jī)組的靈活性和方便性，任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障都不會(huì)對(duì)其他單元造成影響[1]。因此合理選擇工程的模塊機(jī)，可全面提升工程的工作效率，方便后期工程操作，對(duì)工程產(chǎn)生積極影響。不足之處是室外空氣溫度為-8℃時(shí)機(jī)組難以啟動(dòng)。

空調(diào)的容量設(shè)計(jì)必須滿足空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算冷、熱負(fù)荷的要求，此外，空調(diào)設(shè)備的配置還要適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷的變化?？諝庠礋岜眯屠錈崴畽C(jī)組為冷源系統(tǒng)，熱泵機(jī)組容量要根據(jù)建筑中各個(gè)部分同時(shí)使用的系數(shù)來確定，還需要考慮熱泵實(shí)際制冷量以及供熱量情況，由于設(shè)備存在間距顯著等問題容易出現(xiàn)通風(fēng)不暢，室外換熱器表面機(jī)也會(huì)受到影響，因此選擇熱泵機(jī)組時(shí)一定要考慮安全系數(shù)[2]。

由于樂園建筑體量較小，可利用的建筑空間有限，本工程選用2臺(tái)330 kW和2臺(tái)440 kW模塊式渦旋風(fēng)冷熱泵機(jī)組。風(fēng)冷熱泵機(jī)組的技術(shù)參數(shù)如表1所示。清遠(yuǎn)地區(qū)冬季空調(diào)計(jì)算干球溫度為1.8℃，可不必考慮輔助供暖可實(shí)現(xiàn)冬季制熱要求。

表1 風(fēng)冷熱泵參數(shù)

2.2.2 故障影響低問題的考量

中國國內(nèi)熱泵機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)大多以生產(chǎn)模塊式熱泵機(jī)組為主，整體式熱泵機(jī)組從外觀上看是一個(gè)整體框架，但是其內(nèi)部有多臺(tái)壓縮機(jī)，甚至有2個(gè)以上的制冷回路，這些設(shè)備之間相互聯(lián)系，不可分開[3]。模塊式熱泵機(jī)組的優(yōu)勢為振動(dòng)小、噪音低，即使系統(tǒng)中存在比較多的制冷回路，在冬季化霜期間對(duì)系統(tǒng)水溫的影響較低。一般而言熱泵機(jī)組大多被放置在建筑物的屋頂，模塊式熱泵則可在各個(gè)單元當(dāng)中靈活組合。若建筑工程規(guī)模較大，模塊式熱泵機(jī)組將會(huì)因其內(nèi)部存在的制冷單元數(shù)量較多，大大增加其出現(xiàn)故障的概率，增加設(shè)備的維護(hù)量，機(jī)組當(dāng)中的額定工況也會(huì)比整體式機(jī)組更低[4]。除此之外，在模塊式熱泵機(jī)當(dāng)中大多使用板式換熱器，各個(gè)單元間水力平衡要求較為嚴(yán)格。因此，在對(duì)尺寸、吊裝以及質(zhì)量有特殊要求和使用較小系統(tǒng)的場合當(dāng)中，采用模塊式熱泵的優(yōu)越性更高。

模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使機(jī)組以標(biāo)準(zhǔn)的模塊單元進(jìn)行生產(chǎn)和運(yùn)輸，標(biāo)準(zhǔn)的模塊單元體積小、質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸、安裝、調(diào)試及維護(hù)，最終在客戶安裝現(xiàn)場由多個(gè)模塊單元并聯(lián)組成完整的空調(diào)系統(tǒng)；機(jī)組在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)了電腦自動(dòng)化控制，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，始終保持輸出功率與工作環(huán)境的實(shí)際能耗相協(xié)調(diào)，從而保持峰值效率，減少運(yùn)行能耗；機(jī)組安全性與可靠性高，即使在機(jī)組臨時(shí)檢修停運(yùn)時(shí)都不會(huì)影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，提高用戶空調(diào)的使用能力和可靠性。機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)為簡化設(shè)備維護(hù)管理和物業(yè)管理，配置先進(jìn)的機(jī)房群控系統(tǒng)，最終為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能降耗。

2.2.3 熱泵機(jī)組位置選擇

安裝熱泵機(jī)時(shí)，位置的選擇是極為重要的。規(guī)模較大的熱泵機(jī)組的單機(jī)噪音一般為75～85 dB，熱泵機(jī)組不可離住宅較近，也不可以和噪音要求較高的房間相距較近，只有這樣才可以更好降低其對(duì)房間的影響。一般情況下，機(jī)組放置在室內(nèi)凈高比較高的位置以減少機(jī)組產(chǎn)生的噪音對(duì)鄰近建筑的影響，安裝時(shí)需要考慮之后的更換以及吊裝問題。本工程周邊沒有空余的場地可擺放機(jī)組，建筑高度19 m相對(duì)較低也便于后期機(jī)組的吊裝更換，屋面有較大的場地給熱泵機(jī)組創(chuàng)造了良好的通風(fēng)條件。綜合評(píng)估后將風(fēng)冷熱泵模塊機(jī)置于屋面，此外在使用熱泵機(jī)組期間適當(dāng)采用一些消聲裝置以及減振器等降噪。

2.3 空調(diào)水系統(tǒng)

2.3.1 水泵選擇和布置

設(shè)計(jì)風(fēng)冷熱泵空調(diào)時(shí)，水泵的數(shù)量與熱泵機(jī)組臺(tái)數(shù)相對(duì)應(yīng)。熱泵機(jī)組和水泵之間宜采用一對(duì)一串聯(lián)的連接方式。選擇低轉(zhuǎn)速水泵，降低水泵噪音。依據(jù)整個(gè)系統(tǒng)所需要的流量選擇水泵流量，水泵的揚(yáng)程和系統(tǒng)所需要克服的總阻力相等。水泵功耗必須在熱泵處理的1/30范圍內(nèi)。布置水泵時(shí)要留有一定空隙，條件允許時(shí)可提前空出可安裝1～2臺(tái)水泵的位置以備后續(xù)使用。

本工程選用一體式風(fēng)冷熱泵機(jī)組，設(shè)置內(nèi)置式水力模塊，集成了水泵、過濾器、膨脹水箱、流量開關(guān)、安全閥、排氣閥、壓力表和流量調(diào)節(jié)閥等所有必要水力組件，大大節(jié)省系統(tǒng)初投資及設(shè)計(jì)安裝工作量，省時(shí)、省力、省錢。卡箍式水管路連接更加方便可靠，既降低了安裝難度，又可有效隔斷振動(dòng)傳遞。同時(shí)，根據(jù)使用條件的不同，提供低揚(yáng)程/高揚(yáng)程/超高揚(yáng)程選項(xiàng)供選擇。根據(jù)機(jī)組蒸發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)水量，以及基于最不利管路水力計(jì)算，選用流量為57 m3/h和76 m3/h的冷凍水泵各2臺(tái)，揚(yáng)程30 m。水泵采用變頻技術(shù)，進(jìn)行變水量運(yùn)行調(diào)節(jié)，有利于降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。其節(jié)能優(yōu)勢與空調(diào)系統(tǒng)的特性有關(guān)，且水泵在空調(diào)系統(tǒng)中所占的能耗比例越高，采用變頻技術(shù)后的節(jié)能率越高；空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段的負(fù)荷率越低，水泵采用變頻技術(shù)后的節(jié)能空間越大。

2.3.2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)水系統(tǒng)均為兩管制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，初投資較少，后期維護(hù)成本也低。采用閉式系統(tǒng)減少與空氣的接觸，采用定壓裝置進(jìn)行定壓、排氣，同時(shí)設(shè)置全自動(dòng)智能在線加藥裝置，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行?？照{(diào)冷凍水立管頂部均設(shè)置自動(dòng)排氣閥，冬季熱水中容易出現(xiàn)氣泡，影響系統(tǒng)管道的輸水能力，需要及時(shí)通過水管放氣閥將其排出?？照{(diào)系統(tǒng)的供水和回水歧管之間設(shè)置有電動(dòng)壓差旁通閥，控制系統(tǒng)根據(jù)供水和回水歧管壓差傳感器的偏差信號(hào)控制電動(dòng)壓差旁通閥的開啟，以保持系統(tǒng)的供水和回水壓差恒定，保證系統(tǒng)水力平衡。干管設(shè)置流量控制平衡閥，各樓層水平總管及分室支干管上均設(shè)置自力式壓差控制閥。

每層安裝計(jì)量裝置，用于監(jiān)督能耗。可以實(shí)時(shí)掌握建筑空調(diào)的能耗管理水平和能源利用率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，找出節(jié)能方向，評(píng)估節(jié)能潛力，形成可行的節(jié)能方案。在日常能源管理中應(yīng)用計(jì)算機(jī)，可使管理自動(dòng)化，不斷減少能源管理的工作量。而且，全自動(dòng)運(yùn)行的分項(xiàng)計(jì)量方式摒棄了傳統(tǒng)的人工計(jì)量方式，能夠準(zhǔn)確反映業(yè)主單位的能耗情況，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，更有利于用戶采取適當(dāng)?shù)墓?jié)能措施。

管道的保溫防腐也是設(shè)計(jì)中不可忽視的一項(xiàng)工作。對(duì)本工程中冷媒管及冷凝水管進(jìn)行了如下保溫處理：冷凝水管保溫厚度為13 mm，采用柔性泡沫橡膠（A2級(jí)），按防表面結(jié)露原則選用；空調(diào)水管采用柔性泡沫橡塑，保溫厚度為20 mm。管道施工前，應(yīng)首先將水管表面的雜物和污垢進(jìn)行全面清潔，然后涂刷防銹漆，最后設(shè)置保溫層。對(duì)于非保溫管道或者管道支（吊）架，也應(yīng)當(dāng)采用同樣的方式，避免出現(xiàn)腐蝕問題。

3 結(jié)語

后期業(yè)主反饋該空調(diào)系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行良好，室內(nèi)空調(diào)舒適度滿足要求。分析本工程案例發(fā)現(xiàn)，相較于其他系統(tǒng)，風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)在中小型公共建筑中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不占用室內(nèi)空間，節(jié)省了建設(shè)機(jī)房的費(fèi)用。模塊機(jī)組安裝方便，每臺(tái)室外機(jī)組單獨(dú)作為一個(gè)制冷劑回路，彼此相互獨(dú)立，互為備用，確保機(jī)組制冷、制熱的運(yùn)行工況穩(wěn)定。模塊式機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪音低、能效比高、壽命長以及操作維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于賓館、飯店、辦公樓、商店、醫(yī)院等場所。作為設(shè)計(jì)人員，根據(jù)建筑特性及氣候地理?xiàng)l件選用合適的空調(diào)系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，應(yīng)掌握空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，優(yōu)化空調(diào)運(yùn)行策略，以保證空調(diào)系統(tǒng)能夠有效工作，進(jìn)而提升建筑物的品質(zhì)。