風(fēng)冷模塊機(jī)組設(shè)計要點分析

史向鵬，薛彩芹，楊楓光，耿幼明

1.中國中輕國際工程有限公司，北京，100026；2.中規(guī)院（北京）規(guī)劃設(shè)計有限公司，北京，100044

0 引言

風(fēng)冷熱泵是一種與空氣換熱的電驅(qū)動供冷供暖設(shè)備，因其布置靈活、安裝維護(hù)簡便，被廣泛應(yīng)用于中小型項目中。受室外空氣環(huán)境限制，在冬季室外溫度低、濕度高的環(huán)境中，風(fēng)冷熱泵的制熱效果會受到較大影響，目前主要應(yīng)用于夏熱冬冷地區(qū)[1-3]。隨著技術(shù)的不斷革新，風(fēng)冷熱泵廠家陸續(xù)推出了低溫工況風(fēng)冷熱泵設(shè)備，以滿足寒冷地區(qū)甚至嚴(yán)寒地區(qū)冬季的供熱需求。其中空氣源熱泵模塊式機(jī)組（下稱風(fēng)冷模塊機(jī)組）應(yīng)用最為廣泛。本文通過分析風(fēng)冷模塊機(jī)組融霜工況對制熱量的影響、輔助熱源的設(shè)置與否以及設(shè)備布置位置的影響因素，總結(jié)風(fēng)冷模塊機(jī)組的設(shè)計要點，希望能對以風(fēng)冷模塊機(jī)組作為冷熱源的設(shè)計方案提供理論支持。

1 融霜工況的影響

融霜是風(fēng)冷模塊機(jī)組在冬季供暖中的重要環(huán)節(jié)，是影響設(shè)備冬季供熱穩(wěn)定性的重要因素。風(fēng)冷模塊機(jī)組室外換熱器在不同地域，不同環(huán)境下結(jié)霜量、結(jié)霜速率有顯著差別，其結(jié)霜溫度通常在-15℃~11.5℃，相對濕度在30%~100%之間。全國主要城市中，夏熱冬冷地區(qū)的結(jié)霜問題較為突出，如重慶、貴陽等地；北方寒冷地區(qū)因氣候相對干燥結(jié)霜問題較輕，如北京、石家莊等地[4]。針對不同的城市，風(fēng)冷模塊機(jī)組的設(shè)計工況制熱量需根據(jù)室外干球溫度及融霜工況進(jìn)行修正。其設(shè)計工況制熱量可采用下式計算：

式中，Q為設(shè)計工況制熱量，kW；q為標(biāo)準(zhǔn)工況制熱量（室外干球溫度7℃，濕球溫度6℃），kW；K1為室外空調(diào)計算干球溫度修正系數(shù)；K2為機(jī)組融霜修正系數(shù)，通常為0.8~0.9，每小時融霜一次取0.9，兩次取0.8；室外空調(diào)干球計算溫度修正系數(shù)及融霜次數(shù)可咨詢設(shè)備廠家。

在選取設(shè)備時，需采用修正后的制熱量進(jìn)行設(shè)備選型，選用熱泵的融霜時間總和應(yīng)不超過運行時間的20%。除此之外，需校核設(shè)備在冬季設(shè)計工況時機(jī)組的性能系數(shù)，其中冷熱風(fēng)機(jī)組不應(yīng)小于1.8，冷熱水機(jī)組不應(yīng)小于2.0，否則選用風(fēng)冷模塊機(jī)組進(jìn)行冬季供熱就是不經(jīng)濟(jì)的[5]。

2 輔助熱源的設(shè)置

冬季隨著室外溫度的降低，室內(nèi)耗熱量會增大。當(dāng)選用風(fēng)冷模塊機(jī)組作為冬季熱源時，其制熱量會隨著室外溫度的降低而減小，在室外達(dá)到某一溫度時，風(fēng)冷模塊機(jī)組的供熱量恰好等于建筑總耗熱量，這個溫度被定義為平衡點溫度。當(dāng)室外設(shè)計溫度低于平衡點溫度時，需設(shè)置輔助熱源。因平衡溫度取決于建筑總耗熱量和風(fēng)冷模塊機(jī)組的供熱量，其中風(fēng)冷模塊機(jī)組在不同工況下的制熱性能可由廠家配合提供數(shù)據(jù)，進(jìn)而擬合出風(fēng)冷模塊機(jī)組的供熱特性曲線。故下面主要就建筑物總耗熱量進(jìn)行分析：

以民用建筑為例，建筑物冬季耗熱量主要包含：（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量；（2）加熱室外進(jìn)入室內(nèi)的冷空氣耗熱量；（3）通風(fēng)耗熱量；（4）其他途徑散失或獲得的熱量。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量與加熱室外空氣的耗熱量為建筑耗熱量的主要組成部分，故建筑物總耗熱量Q耗可簡化為：

式中，Q耗為建筑物總耗熱量，kW；Q圍為圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量，kW；Q空為加熱室外空氣的耗熱量，kW。

式中，Q基本為各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，kW，β1為朝向、風(fēng)力、兩面、窗墻比及外門的總修正系數(shù)和；β2為高度修正系數(shù)。

式中：α為溫差修正系數(shù)；F為該面圍護(hù)物的面積，m2；K為圍護(hù)物的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Tn為室內(nèi)計算溫度，℃；Tw為冬季空調(diào)室外計算溫度，℃。

根據(jù)公式（3）（4），當(dāng)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)及使用功能確定后，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量Q圍只與冬季空調(diào)室外計算溫度Tw相關(guān)，且為一次函數(shù)關(guān)系。

對于空調(diào)系統(tǒng)而言，Q空主要為新風(fēng)耗熱量。新風(fēng)耗熱量中，通常顯熱量遠(yuǎn)大于潛熱量，故新風(fēng)耗熱量可以近似等于新風(fēng)顯熱耗熱量。Q空的計算可參照下式計算：

式中，Cp為干空氣的定壓質(zhì)量比熱容，取1.01kJ/（kg·K）；ρw為室外空調(diào)計算溫度下的空氣密度，kg/m3；L為新風(fēng)的體積流量，m3/h。

式中，F(xiàn)i為各功能區(qū)域的建筑面積，m2；λi為與Fi相對應(yīng)區(qū)域的人員密度，人/m2；li為新風(fēng)量指標(biāo)，m3/h，可參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》3.0.6節(jié)。

根據(jù)公式（5）（6），當(dāng)建筑物使用功能及面積確定后，建筑物加熱室外空氣的耗熱量Q空也只與冬季空調(diào)室外計算溫度Tw相關(guān)，且為一次函數(shù)關(guān)系。

綜上，建筑物總耗熱量Q耗，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量Q圍以及加熱室外空氣的耗熱量Q空均與冬季空調(diào)室外計算溫度Tw成一次函數(shù)關(guān)系?？梢愿鶕?jù)冬季空調(diào)室外溫度繪制建筑物總耗熱量曲線。結(jié)合風(fēng)冷模塊機(jī)組的供熱量隨冬季空調(diào)室外溫度的變化趨勢，可以將兩條曲線的變化趨勢繪制在坐標(biāo)軸上，可參照圖1[6]。

由上圖可以看出，建筑物耗熱量曲線同熱泵性能曲線的焦點即為平衡點溫度T0。當(dāng)冬季空調(diào)室外計算溫度低于T0時，建筑物耗熱量大于熱泵供熱量，熱泵無法滿足建筑物溫度要求，為保證設(shè)備的供熱穩(wěn)定性，需設(shè)置輔助熱源，輔助熱源的熱量為建筑物耗熱量與熱泵供熱量的差值；反之，則無需設(shè)置輔助熱源。

3 室外機(jī)位置的選取

風(fēng)冷模塊機(jī)組室外機(jī)位置的選擇也是設(shè)計方案中重要的一環(huán)。位置的選取關(guān)系到設(shè)備的安裝、檢修、散熱以及對周圍聲環(huán)境的影響。下面針對以上問題進(jìn)行分析：

3.1 安裝、檢修方面

風(fēng)冷模塊機(jī)組放置位置方案需考慮設(shè)備吊裝、安裝的便捷性。風(fēng)冷模塊機(jī)組名義制冷量150kW機(jī)器運行重量近1噸，通常需要用吊車進(jìn)行吊裝。從安裝及后期檢修的角度來說，風(fēng)冷模塊機(jī)組位置應(yīng)盡量靠近道路或者有方便吊裝及運輸?shù)耐ǖ?。同時，設(shè)備放置區(qū)需提前預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。如采用混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)重量甚至可能大于設(shè)備重量。故方案設(shè)計時需特別注意核對設(shè)備放置區(qū)域的預(yù)留荷載，設(shè)備布置在主梁附近更為穩(wěn)妥。

3.2 散熱方面

風(fēng)冷模塊機(jī)組放置位置需考慮其散熱問題。隨著建筑造型及使用功能的日新月異，室外機(jī)預(yù)留位置可能會造成送排風(fēng)短路，特別是夏季，空氣流通不暢，無法滿足設(shè)備散熱要求，會導(dǎo)致機(jī)組連續(xù)過熱保護(hù)而停機(jī)。故風(fēng)冷模塊機(jī)組應(yīng)盡量布置在室外送排風(fēng)順暢的區(qū)域，如屋頂或建筑周邊開闊區(qū)等。

風(fēng)冷模塊機(jī)組通常為側(cè)進(jìn)風(fēng)、上排風(fēng)。機(jī)組布置區(qū)域周邊的墻高、設(shè)備據(jù)墻距離以及頂部空間的通透性均會對模塊機(jī)組散熱產(chǎn)生影響。參照設(shè)備廠家的樣本數(shù)據(jù)，設(shè)備布置時需特別注意如下幾類間距：

（1）風(fēng)冷模塊機(jī)組的間距為S1，S1≥0.4米且需滿足設(shè)備檢修的最小寬度；（S1隨設(shè)備制冷量增大需對應(yīng)增大）；

（2）風(fēng)冷模塊機(jī)組臨一面外墻，機(jī)組距墻體間距為S2，S2≥0.6米；

（3）風(fēng)冷模塊機(jī)組位于兩面外墻之間，機(jī)組距墻體間距S2，當(dāng)周圍墻體高度L不高于0.9m時，S2≥0.6米；當(dāng)周圍墻體高度L高于0.9m時，S2≥0.6+（L-0.9）米；

（4）風(fēng)冷模塊機(jī)組頂部與遮擋物間距為S3，S3≤15米時，需考慮遮擋物對設(shè)備的散熱影響。

當(dāng)設(shè)備間距無法滿足以上間距要求時，可采取一些輔助措施防止送排風(fēng)氣流短路。常見的方式主要包括改變排風(fēng)氣流方向和控制送排風(fēng)風(fēng)速，通常機(jī)組進(jìn)風(fēng)氣流速度控制在1.5m/s~2m/s，排風(fēng)口排風(fēng)速度不宜小于7m/s，可有效地避免送排風(fēng)氣流短路[5]。必要時可借助數(shù)值模擬的方法輔助氣流組織的設(shè)計。如果采用措施仍無法保證送排風(fēng)的順暢，則需結(jié)合設(shè)備廠商建議，考慮增加制冷制熱量衰減系數(shù)。

3.3 噪聲方面

風(fēng)冷模塊機(jī)組的噪聲主要包含兩部分，一是機(jī)組風(fēng)扇及壓縮機(jī)的噪聲，二是配套水泵、定壓補水設(shè)備的噪聲。其中，配套水泵、定壓補水設(shè)備可設(shè)置在機(jī)房內(nèi)，并采用消聲措施減小噪聲對周圍環(huán)境的影響。而風(fēng)冷模塊機(jī)組需放置在室外通風(fēng)良好位置，會對周圍聲環(huán)境產(chǎn)生影響，需重點關(guān)注。

風(fēng)冷模塊機(jī)組制冷量80kW~300kW的單臺設(shè)備噪音約70~80dB（A）。通常情況下，風(fēng)冷模塊機(jī)組會選擇多臺設(shè)備進(jìn)行組合，總噪音是由多臺設(shè)備噪音共同疊加的，其噪音值較單臺設(shè)備而言更大。常規(guī)民用建筑允許最高噪聲值統(tǒng)計詳見表1[6]。

表1 民用建筑允許最高噪聲值統(tǒng)計

參照以上數(shù)據(jù)，單臺風(fēng)冷熱泵模塊機(jī)組噪聲均大于以上房間允許最高噪聲值。故在風(fēng)冷模塊機(jī)組的方案中，特別是對于設(shè)備放置區(qū)域周邊有居民樓、醫(yī)院、療養(yǎng)院等建筑以及風(fēng)冷模塊機(jī)組服務(wù)建筑與周圍建筑使用時間不同時，需評估機(jī)組噪聲對周圍建筑的影響。噪聲對周圍建筑的影響評估可參照下式進(jìn)行計算[7]：

式中，r為噪聲由L0衰減至L的距離，m；r0為測點距機(jī)組的距離（與L0相對應(yīng)），m；L0為機(jī)組噪音測點的A聲級噪音，dB，可按產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)或?qū)崪y數(shù)據(jù)選??；L為某處環(huán)境所允許的A聲級噪音，dB，可按國家有關(guān)規(guī)范選取。

當(dāng)風(fēng)冷熱泵模塊機(jī)組與相鄰建筑實際距離大于計算距離r時，就可滿足環(huán)境允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)；反之，就需要采取降噪措施。常用的降噪方式包括給設(shè)備設(shè)置整體或局部隔聲罩，在送排風(fēng)處加裝消聲百葉及消聲器等方式[8]。具體消聲措施需根據(jù)項目實際情況進(jìn)行選擇。

4 結(jié)語

在采用風(fēng)冷模塊機(jī)組作為冷熱源時，首先確定機(jī)組的供熱可靠性及經(jīng)濟(jì)性，需核算融霜周期、機(jī)組的冬季性能系數(shù)及融霜工況的影響。其次，確定項目是否需設(shè)置輔助熱源，當(dāng)室外設(shè)計溫度低于平衡點溫度時，需設(shè)置輔助熱源。最后，需考慮風(fēng)冷模塊機(jī)組的放置位置。其放置位置應(yīng)有方便的運輸通道；應(yīng)滿足設(shè)備與周圍構(gòu)筑物的距離要求；應(yīng)滿足周圍環(huán)境對噪聲的限值要求；如不滿足以上要求，需相應(yīng)采取措施。本次僅針對以上三個方面進(jìn)行了分析，并不夠全面。下一步，擬針對風(fēng)冷模塊機(jī)組應(yīng)用中的其他關(guān)鍵問題繼續(xù)開展研究，以期得到一個更為完善的方案。