一级建造师：空气源热泵机组
关键词：空气源热泵 热泵系统 性能系数
1.1 绪论
1.1.1 专题背景
随着改革开放和大规模的基本建设的发展、人们对于生活环境的要求越来越高，空调系统作为室内空气参数的主要调节装置也就相应的越来越普及。人们对空调的要求也从原1来的夏季制冷发展到冬暖夏凉，发展到对空气品质的进一步要求。而且在能源紧缺、强调可持续发展的今天，在某些大城市和特殊地区，出于环保的考虑限制使用锅炉供暖，于是电动热泵技术成了人们的首选。其中又以空气源热泵冷热水机组较为常见。
1.1.2 空气源热泵机组的特点
空气源热泵冷热水机组是由制冷压缩机、空气/制冷剂换热器、水/制冷剂换热器、节流机构、四通换向阀等设备与附件及控制系统等组成的可制备冷、热水的设备。按机组的容量大小分，又分为别墅式小型机组（制冷量10.6～52.8Kw），中、大型机组（制冷量70.3～1406.8kW）。其主要优点如下：
（1）用空气作为低位热源，取之不尽，用之不竭，到处都有，可以无偿地获取；
（2）空调系统的冷源与热源合二为一；夏季提供7℃冷冻水，冬季提供45~50℃热水，一机两用；
（3）空调水系统中省去冷却水系统；
（4）无需另设锅炉房或热力站；
（5）要求尽可能将空气源热泵冷水机组布置在室外，如布置在裙房楼顶上、阳台上等，这样可以不占用建筑屋的有效面积；
（6）安装简单，运行管理方便
（7）不污染使用场所的空气，有利于环保；
1.2 空气源热泵机组的种类和发展
1.2.1 分类
1.从热输配对象分为：空气/水-空气源热泵冷热水机组，空气/空气-空气源热泵冷热水机组；
2.从容量分为：小型（7kW以下），中型，大型（>70kW）；
3.从压缩机型式分为：涡旋式、转子式，活塞式，螺杆式，离心式；
4.从功能分为：一般功能的空气源热泵冷热水机组，热回收型的空气源热泵冷热水机组，冰蓄冷型的空气源热泵冷热水机组；
5.从驱动方式分为：燃气直接驱动和电力驱动。
1.2.2 发展
80年代中期以前空气源热泵冷水机组大多采用半封闭往复式多机头压缩机。由于调节灵活和压缩机性能及换热器性能的改善，机组的性能不断提高。但在80年代中期以后，螺杆式压缩机的技术进步很快。它比压缩式零部件少（为活塞式的十分之一），结构简单，无进排气阀，噪声低，可无级调节，压缩比大而对容积效率影响不大，故特别适用于气候偏寒地区的空气源热泵和采用冰蓄冷的装置。因此空气源热泵冷热水机组采用螺杆式压缩机的越来越广泛，而且目前螺杆式压缩机大多采用R-22为冷媒，可延续到2030年才会被禁用。其价格比起其它代替冷媒要便宜的多。目前使用R-22的螺杆式压缩机的制冷量范围为：140～3600kW.
1.3 空气源热泵机组的性能系数cop
1.3.1 全负荷时的cop
某一工况下，热泵出力于热泵入力（功耗）之比为性能系数cop，它是评价热泵装置的重要指标。通过分析，不论何种主机，出水温度对cop的影响，冬季（共热）比夏季（供冷）大的多。
1.3.2 部分负荷时的cop
估量空气热源热泵机组全年运行的经济时，必须了解各机种的部分负荷性能。部分负荷特性Ф是指制冷机运行负荷率q（%）与耗功率N（%）之比。在夏季，它同样受室外温度影响（t出口一定）或出水温度影响（t室外一定），而部分负荷性能系数cop‘=Фcop全。根据具体情况，部分负荷时的cop’有可能大于满负荷时的cop，这是由于压缩机能量调节（卸缸或调速等）而冷凝器、蒸发器的传热面积和风量等未能调整而改善了工况，才使机组的部分负荷性能提高。 1.4 空气源热泵机组的能耗分析
1.4.1 供暖季节能耗分析
1.平衡温度点对空气源热泵机组的制热季节性能系数的影响
对于选定的空气源热泵机组，当建筑物的热负荷较大时，平衡温度点将增高，使整个供暖季的辅助加热量的增加，从而导致制热季节性能系数降低；当建筑物的热负荷较小时，平衡温度点将降低，导致整个供暖季的辅助加热量的减小。同时，由于负荷的减小，机组有更多的时间处于部分负荷下运行。因此，制热季节性能系数先是增大，然后会有所降低。且在相同平衡点温度下，各地区使用热泵机组具有不同的制热季节性能系数值。
2.运行方式对空气源热泵机组制热季节性能系数的影响
一班制时，热泵机组都在白天运行，而白天时的室外气温要高于夜间，这使得在整个供暖季，一班制运行热泵机组的制热季节性能系数要高于三班制运行机组。
作为一种节能技术，要评价空气源热泵的节能效应，就必须用到一次能利用率E的概念，一次能利用率在这里指的是热泵机组的制热量与一次能耗的比值。空气源热泵机组的一次能利用率的提高，一方面有待于进一步改进技术，提高空气源热泵的制热季节性能系数；另一方面则取决于我国平均发配电效率的提高。
1.4.2 供冷季节能耗分析
空气源热泵的供冷季节能耗分析采用负荷频率表法。负荷频率表法是建立在空调负荷与室内外温差大致成比例这一假设基础上的。该方法根据室外空气干球温度出现的年频率数（用于全年运行的空调系统）或季节频率数（用于季节性空调系统）和空调系统的全年或季节运行工况计算出不同室外空气状态下的加热量和冷却量。在计算出冷（热）负荷后，再根据冷（热）源机组的变工况性能表查出相应工况下的供冷（热）季节小时频率值相乘，然后累加，计算出冷（热）源设备的耗能量。
经过分析，发现供冷季节性能系数与本地区的气候条件是相一致的，因为供冷季节的气候越炎热，室外空气温度越高，空气源热泵的供冷季性能系数将越低。
1.5 空气源热泵机组与水冷式冷水机组的比较
1.5.1 占地面积
单就风冷式制冷机外形尺寸而言，要比水冷式制冷机组的尺寸大，但水冷式制冷机需设置冷却塔和冷却水泵，因此水冷机的综合尺寸较风冷机要大很多。另外，风冷式制冷机一般置于高层建筑的裙楼屋顶或多层建筑的屋顶，其外形尺寸同水冷式制冷机在屋顶设置冷却塔的占地面积相当，这样就节省了在建筑物内因设置了制冷机房而多占用的面积。这在寸土寸金的大城市中尤显优势。
1.5.2 系统简单
风冷式制冷机因没有冷却水系统，使制冷系统变得简单化，即省去了冷却塔、冷却水泵和管路的施工安装工作量，也减小了冷却水系统运行的日常维护、保养工作量与维修费用。
1.5.3 对建筑物美观的影响
目前大部分建筑物的水冷式制冷机组，均采用冷却塔循环水冷却系统。冷却塔安装在大楼屋面，既影响建筑外观，又与优雅环境不协调。使用冷却塔常常会遭到审美观念较强的建筑师的反对。而风冷式制冷机外形方正，高度一般不会超过3m，比冷却塔要低一半左右，对建筑物外观影响相对较小。而且风冷机还可防止某些冷却塔因瓢水而形成的“晴天下小雨”给人们带来的不便。
1.5.4 水阻力
风冷机组水系统的另一特点是，风冷机水侧阻力通常为30~50kPa，远比一般水冷机的水侧阻力80~100kPa要小。
1.5.5 节水方面
在空调工程上冷却塔运行中所蒸发与风耗的水量较大，而且无法回收。例如：深圳经协大厦，空调冷却水的补水量是整个大厦中日常生活用水的一倍。而风冷机却无须消耗冷却水。
1.5.6 部分负荷时的能耗问题
美国特灵（TRANE）公司曾做过水冷离心式冷水机组和风冷离心式冷水机组在全负荷和部分负荷的耗电量比较：其数据见表1
表1 水冷机与风冷机耗电量比较
负 荷 制 冷 量
kW 耗 电 量（kW） 风冷式 水冷式 全 负 荷 1160 350 299 2/3 负 荷 774 204 209 1/3 负 荷 387 109 154 从表中数据可见，在全负荷时，由于风冷式冷水机组的冷凝温度高于水冷式机组，故风冷机的压缩机需要较大的功率，因此风冷式冷水机组耗电量确比水冷机要大，大约大15%左右。但在2/3负荷时两者基本持平，且风冷机耗电量还略低。而在1/3负荷时，风冷机的耗电量远远低于水冷机，大约低30%左右。但由于空调负荷在整个夏季的分布是极不平衡的，甚至在一天之内各时段的负荷也差别很大，故机组在最大负荷下运行的时间是极其有限的，即制冷机大都处于部分负荷下运转，因此使用风冷机的能耗不比水冷机的能耗大。 1.5.7 风冷机与冷水机综合费用的比较
制冷机的综合费用，包括一次性投资费用和运行维护费用，就一次性投资费用而言，风冷机要比水冷机花钱多，但是水冷机造价加上冷却塔、冷却水泵、管道和水处理等费用，水冷机的一次性投资费用并不比风冷机少太多，况且冷却水系统中冷却塔、水管路和水泵等设备的维护保养费、水处理费、冷凝器清洗费等均较风冷机组高。冷水机组年运行时间越长，对风冷式制冷机组越有利，风冷机与水冷机组相比较，其处投资回收期短。所以，南方地区用于空调的冷水机组更适合采用风冷式制冷机组。从冷却条件来看，南方地区夏季室外湿球温度较高，也对水冷式制冷机组不利。
1.6 空气源热泵机组的应用与展望
1.6.1 空气源热泵机组的应用
在此借鉴一些国外的做法：
1、对于供热负荷远小于供冷负荷的地区，可以对与供热负荷相应的冷量部分用热泵提供热量（冬）和冷量（夏），而其余冷量由cop较高的制冷设备（如离心式）来解决。这样夏季的电耗可得以节省。
2、采用蓄热方法，冬季以中午热泵出力有余，可将该热量积蓄在蓄热槽里，到晨、晚不足时使用，这种蓄热方法可以在水蓄热系统中应用，也可以在空气源热泵的冰蓄热装置中实现。
3、采用热回收式热泵，即在热泵循环中增设一冷媒/水换热器，夏季回收部分冷凝器排热量，冬季可回收空调区内的热量补充采热蒸发器的不足，即在冬季时不仅是空气热源，同时又利用了内区水热源。最近国外推出一种与夏季冰蓄冷相结合的空气源热泵装置，全年可实现八种运行工况，冬季则可根据一天内气候变化规律完成热泵供热功能，弥补了过去热泵出力与建筑能耗有相反趋向的不足。
4、当有条件多能源供冷供热时，可合理组织供能模式，例如：当高层建筑物的标准层为办公楼而下部裙房为综合用途者，则高层部分可用空气源热泵装置（有条件时考虑储冰），低层部分可采用燃气吸收式系统。当电动制冷设备与燃气吸收式联合供能时，则可按夏季优先用燃气、冬季优先用电力来协调供能。
5、当利用燃气作能源时，可试行热力原动机（燃气机）直接带动的空气源热泵，它不仅利用了空气热源，还从原动机的排热中回收大量热量，其能量利用系数可达1.5左右。国外已有容量达240kW的整体式机组。
1.6.2 空气源热泵机组的展望
随着城市建设对建筑立面美观性的要求、对冷却塔使用的制约等因素，和对能源的利用率，以及某些城市对冷却塔使用的制约等因素，那么，空气源冷水机组作为空调冷热源，在某些地区的使用将会愈来愈多，空气源热泵也将向着成熟和完善的方向继续发展。
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