空氣源熱泵機(jī)組

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摘要：本文介紹了空氣源熱泵機(jī)組的種類和發(fā)展；分析了空氣源熱泵機(jī)組在全負(fù)荷和部分負(fù)荷下的性能系數(shù)；對(duì)冬季和夏季的能耗問題進(jìn)行了討論；通過與水冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)的比較，分析了空氣源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)；并且借鑒了一些國(guó)外的空氣源熱泵技術(shù)，對(duì)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：空氣源熱泵熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)1.1緒論1.1.1專題背景隨著改革開放和大規(guī)模的基本建設(shè)的發(fā)展、人們對(duì)于生活環(huán)境的要求越來越高，空調(diào)系統(tǒng)作為室內(nèi)空氣參數(shù)的主要調(diào)節(jié)裝置也就相應(yīng)的越來越普及。人們對(duì)空調(diào)的要求也從原1來的夏季制冷發(fā)展到冬暖夏涼，發(fā)展到對(duì)空氣品質(zhì)的進(jìn)一步要求。而且在能源緊缺、強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，在某些大城市和特殊地區(qū)，出于環(huán)保的考慮限制使用鍋爐供暖，于是電動(dòng)熱泵技術(shù)成了人們的首選。其中又以空氣源熱泵冷熱水機(jī)組較為常見。1.1.2空氣源熱泵機(jī)組的特點(diǎn)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組是由制冷壓縮機(jī)、空氣/制冷劑換熱器、水/制冷劑換熱器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、四通換向閥等設(shè)備與附件及控制系統(tǒng)等組成的可制備冷、熱水的設(shè)備。按機(jī)組的容量大小分，又分為別墅式小型機(jī)組（制冷量10.6~52.8Kw），中、大型機(jī)組（制冷量70.3~1406.8kW）。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）用空氣作為低位熱源，取之不盡，用之不竭，到處都有，可以無償?shù)孬@?。唬?）空調(diào)系統(tǒng)的冷源與熱源合二為一；夏季提供7℃冷凍水，冬季提供45~50℃熱水，一機(jī)兩用；（3）空調(diào)水系統(tǒng)中省去冷卻水系統(tǒng)；（4）無需另設(shè)鍋爐房或熱力站；（5）要求盡可能將空氣源熱泵冷水機(jī)組布置在室外，如布置在裙房樓頂上、陽(yáng)臺(tái)上等，這樣可以不占用建筑屋的有效面積；（6）安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便（7）不污染使用場(chǎng)所的空氣，有利于環(huán)保；1.2空氣源熱泵機(jī)組的種類和發(fā)展1.2.1分類1.從熱輸配對(duì)象分為：空氣/水-空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，空氣/空氣-空氣源熱泵冷熱水機(jī)組；2.從容量分為：小型（7kW以下），中型，大型（70kW）;3.從壓縮機(jī)型式分為：渦旋式、轉(zhuǎn)子式，活塞式，螺桿式，離心式；4.從功能分為：一般功能的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，熱回收型的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，冰蓄冷型的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組；5.從驅(qū)動(dòng)方式分為：燃?xì)庵苯域?qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)。1.2.2發(fā)展80年代中期以前空氣源熱泵冷水機(jī)組大多采用半封閉往復(fù)式多機(jī)頭壓縮機(jī)。由于調(diào)節(jié)靈活和壓縮機(jī)性能及換熱器性能的改善，機(jī)組的性能不斷提高。但在80年代中期以后，螺桿式壓縮機(jī)的技術(shù)進(jìn)步很快。它比壓縮式零部件少（為活塞式的十分之一），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無進(jìn)排氣閥，噪聲低，可無級(jí)調(diào)節(jié)，壓縮比大而對(duì)容積效率影響不大，故特別適用于氣候偏寒地區(qū)的空氣源熱泵和采用冰蓄冷的裝置。因此空氣源熱泵冷熱水機(jī)組采用螺桿式壓縮機(jī)的越來越廣泛，而且目前螺桿式壓縮機(jī)大多采用R-22為冷媒，可延續(xù)到2030年才會(huì)被禁用。其價(jià)格比起其它代替冷媒要便宜的多。目前使用R-22的螺桿式壓縮機(jī)的制冷量范圍為：140~3600kW。1.3空氣源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)cop1.3.1全負(fù)荷時(shí)的cop某一工況下，熱泵出力于熱泵入力（功耗）之比為性能系數(shù)cop,它是評(píng)價(jià)熱泵裝置的重要指標(biāo)。通過分析，不論何種主機(jī)，出水溫度對(duì)cop的影響，冬季（共熱）比夏季(供冷)大的多。1.3.2部分負(fù)荷時(shí)的cop估量空氣熱源熱泵機(jī)組全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)時(shí)，必須了解各機(jī)種的部分負(fù)荷性能。部分負(fù)荷特性Ф是指制冷機(jī)運(yùn)行負(fù)荷率q(%)與耗功率N(%)之比。在夏季，它同樣受室外溫度影響（t出口一定）或出水溫度影響（t室外一定），而部分負(fù)荷性能系數(shù)cop’=Фcop全。根據(jù)具體情況，部分負(fù)荷時(shí)的cop’有可能大于滿負(fù)荷時(shí)的cop，這是由于壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)（卸缸或調(diào)速等）而冷凝器、蒸發(fā)器的傳熱面積和風(fēng)量等未能調(diào)整而改善了工況，才使機(jī)組的部分負(fù)荷性能提高。1.4空氣源熱泵機(jī)組的能耗分析1.4.1供暖季節(jié)能耗分析1.平衡溫度點(diǎn)對(duì)空氣源熱泵機(jī)組的制熱季節(jié)性能系數(shù)的影響對(duì)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的增加，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(duì)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)組的一次能利用率的提高，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(guó)平均發(fā)配電效率的提高。1.4.2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)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，空氣源熱泵的供冷季性能系數(shù)將越低。1.5空氣源熱泵機(jī)組與水冷式冷水機(jī)組的比較1.5.1占地面積單就風(fēng)冷式制冷機(jī)外形尺寸而言，要比水冷式制冷機(jī)組的尺寸大，但水冷式制冷機(jī)需設(shè)置冷卻塔和冷卻水泵，因此水冷機(jī)的綜合尺寸較風(fēng)冷機(jī)要大很多。另外，風(fēng)冷式制冷機(jī)一般置于高層建筑的裙樓屋頂或多層建筑的屋頂，其外形尺寸同水冷式制冷機(jī)在屋頂設(shè)置冷卻塔的占地面積相當(dāng)，這樣就節(jié)省了在建筑物內(nèi)因設(shè)置了制冷機(jī)房而多占用的面積。這在寸土寸金的大城市中尤顯優(yōu)勢(shì)。1.5.2系統(tǒng)簡(jiǎn)單風(fēng)冷式制冷機(jī)因沒有冷卻水系統(tǒng)，使制冷系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單化，即省去了冷卻塔、冷卻水泵和管路的施工安裝工作量，也減小了冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的日常維護(hù)、保養(yǎng)工作量與維修費(fèi)用。1.5.3對(duì)建筑物美觀的影響目前大部分建筑物的水冷式制冷機(jī)組，均采用冷卻塔循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。冷卻塔安裝在大樓屋面，既影響建筑外觀，又與優(yōu)雅環(huán)境不協(xié)調(diào)。使用冷卻塔常常會(huì)遭到審美觀念較強(qiáng)的建筑師的反對(duì)。而風(fēng)冷式制冷機(jī)外形方正，高度一般不會(huì)超過3m，比冷卻塔要低一半左右，對(duì)建筑物外觀影響相對(duì)較小。而且風(fēng)冷機(jī)還可防止某些冷卻塔因瓢水而形成的“晴天下小雨”給人們帶來的不便。1.5.4水阻力風(fēng)冷機(jī)組水系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是，風(fēng)冷機(jī)水側(cè)阻力通常為30~50kPa，遠(yuǎn)比一般水冷機(jī)的水側(cè)阻力80~100kPa要小。1.5.5節(jié)水方面在空調(diào)工程上冷卻塔運(yùn)行中所蒸發(fā)與風(fēng)耗的水量較大，而且無法回收。例如：深圳經(jīng)協(xié)大廈，空調(diào)冷卻水的補(bǔ)水量是整個(gè)大廈中日常生活用水的一倍。而風(fēng)冷機(jī)卻無須消耗冷卻水。1.5.6部分負(fù)荷時(shí)的能耗問題美國(guó)特靈(TRANE)公司曾做過水冷離心式冷水機(jī)組和風(fēng)冷離心式冷水機(jī)組在全負(fù)荷和部分負(fù)荷的耗電量比較：其數(shù)據(jù)見表1表1水冷機(jī)與風(fēng)冷機(jī)耗電量比較負(fù)荷制冷量kW耗電量(kW)風(fēng)冷式水冷式全負(fù)荷11603502992/3負(fù)荷7742042091/3負(fù)荷387109154從表中數(shù)據(jù)可見，在全負(fù)荷時(shí)，由于風(fēng)冷式冷水機(jī)組的冷凝溫度高于水冷式機(jī)組，故風(fēng)冷機(jī)的壓縮機(jī)需要較大的功率，因此風(fēng)冷式冷水機(jī)組耗電量確比水冷機(jī)要大，大約大15%左右。但在2/3負(fù)荷時(shí)兩者基本持平，且風(fēng)冷機(jī)耗電量還略低。而在1/3負(fù)荷時(shí)，風(fēng)冷機(jī)的耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水冷機(jī)，大約低30%左右。但由于空調(diào)負(fù)荷在整個(gè)夏季的分布是極不平衡的，甚至在一天之內(nèi)各時(shí)段的負(fù)荷也差別很大，故機(jī)組在最大負(fù)荷下運(yùn)行的時(shí)間是極其有限的，即制冷機(jī)大都處于部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此使用風(fēng)冷機(jī)的能耗不比水冷機(jī)的能耗大。1.5.7風(fēng)冷機(jī)與冷水機(jī)綜合費(fèi)用的比較制冷機(jī)的綜合費(fèi)用，包括一次性投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，就一次性投資費(fèi)用而言，風(fēng)冷機(jī)要比水冷機(jī)花錢多，但是水冷機(jī)造價(jià)加上冷卻塔、冷卻水泵、管道和水處理等費(fèi)用，水冷機(jī)的一次性投資費(fèi)用并不比風(fēng)冷機(jī)少太多，況且冷卻水系統(tǒng)中冷卻塔、水管路和水泵等設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)、水處理費(fèi)、冷凝器清洗費(fèi)等均較風(fēng)冷機(jī)組高。冷水機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)冷式制冷機(jī)組越有利，風(fēng)冷機(jī)與水冷機(jī)組相比較，其處投資回收期短。所以，南方地區(qū)用于空調(diào)的冷水機(jī)組更適合采用風(fēng)冷式制冷機(jī)組。從冷卻條件來看，南方地區(qū)夏季室外濕球溫度較高，也對(duì)水冷式制冷機(jī)組不利。1.6空氣源熱泵機(jī)組的應(yīng)用與展望1.6.1空氣源熱泵機(jī)組的應(yīng)用在此借鑒一些國(guó)外的做法：1、對(duì)于供熱負(fù)荷遠(yuǎn)小于供冷負(fù)荷的地區(qū)，可以對(duì)與供熱負(fù)荷相應(yīng)的冷量部分用熱泵提供熱量（冬）和冷量（夏），而其余冷量由cop較高的制冷設(shè)備（如離心式）來解決。這樣夏季的電耗可得以節(jié)省。2、采用蓄熱方法，冬季以中午熱泵出力有余，可將該熱量積蓄在蓄熱槽里，到晨、晚不足時(shí)使用，這種蓄熱方法可以在水蓄熱系統(tǒng)中應(yīng)用，也可以在空氣源熱泵的冰蓄熱裝置中實(shí)現(xiàn)。3、采用熱回收式熱泵，即在熱泵循環(huán)中增設(shè)一冷媒/水換熱器，夏季回收部分冷凝器排熱量，冬季可回收空調(diào)區(qū)內(nèi)的熱量補(bǔ)充采熱蒸發(fā)器的不足，即在冬季時(shí)不僅是空氣熱源，同時(shí)又利用了內(nèi)區(qū)水熱源。最近國(guó)外推出一種與夏季冰蓄冷相結(jié)合的空氣源熱泵裝置，全年可實(shí)現(xiàn)八種運(yùn)行工況，冬季則可根據(jù)一天內(nèi)氣候變化規(guī)律完成熱泵供熱功能，彌補(bǔ)了過去熱泵出力與建筑能耗有相反趨向的不足。4、當(dāng)有條件多能源供冷供熱時(shí)，可合理組織供能模式，例如：當(dāng)高層建筑物的標(biāo)準(zhǔn)層為辦公樓而下部裙房為綜合用途者，則高層部分可用空氣源熱泵裝置（有條件時(shí)考慮儲(chǔ)冰），低層部分可采用燃?xì)馕帐较到y(tǒng)。當(dāng)電動(dòng)制冷設(shè)備與燃?xì)馕帐铰?lián)合供能時(shí)，則可按夏季優(yōu)先用燃?xì)?、冬季?yōu)先用電力來協(xié)調(diào)供能。5、當(dāng)利用燃?xì)庾髂茉磿r(shí)，可試行熱力原動(dòng)機(jī)（燃?xì)鈾C(jī)）直接帶動(dòng)的空氣源熱泵，它不僅利用了空氣熱源，還從原動(dòng)機(jī)的排熱中回收大量熱量，其能量利用系數(shù)可達(dá)1.5左右。國(guó)外已有容量達(dá)240kW的整體式機(jī)組。1.6.2空氣源熱泵機(jī)組的展望隨著城市建設(shè)對(duì)建筑立面美觀性的要求、對(duì)冷卻塔使用的制約等因素，和對(duì)能源的利用率，以及某些城市對(duì)冷卻塔使用的制約等因素，那么，空氣源冷水機(jī)組作為空調(diào)冷熱源，在某些地區(qū)的使用將會(huì)愈來愈多，空氣源熱泵也將向著成熟和完善的方向繼續(xù)發(fā)展。參考文獻(xiàn)1.馬最良，姚楊，《民用空調(diào)設(shè)計(jì)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2003

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