应用空气源冷热水机组

摘要： 空气源热泵冷热水机组在当地可以作为空调系统冷热源之一应用于各类工程；一般情况下，按夏季负荷选定的热泵能满足冻季负荷要求，可不另设辅助加热器；热泵系统的全年能耗低于水冷机组加锅炉的空调系统；采用热泵的工程应充分考虑其制冷与供热特点, 应充分注意其噪音和振动的影响及相应措施。

一、 概述

按照《规范》，热泵被定义为能实现蒸发器与冷凝器功能转换的制冷机。我们也可以称热泵为基于逆卡诺循环原理工作，既可以用来制冷，又可以用来供热的机组。热泵的分类多种多样，如果按同热泵的蒸发器和冷凝器换热的介质不同分类，热泵可以分为：空气-空气热泵，空气-水热泵，水-水热泵、水-空气热泵、土壤-空气热泵及土壤-水热泵等。其中空气-水热泵机组，即空气热源热泵式冷热水机组在工程上的应用更为广泛。
热泵机组的研究、生产与应用，在二十世纪七十年代才开始在美国等发达国家走上良性发展的道路。1980年我国在上海自行设计与生产了第一台以R12为工质，压缩机功率为55KW的空气—水热泵机组，并投入了实际工程应用。一直至二十世纪八十年代末，空气源热泵冷热水机组的研究、生产、应用在我国才有了较快的发展。刚开始，应用热泵的工程主要为没条件设置锅炉或地价房价太贵或无空间设冷冻机房的建筑，可供选用的只有少数几个进口品牌的机组，机组形式比较单一，多为活塞压缩整体式风冷热泵机组。这几年采用热泵的工程，无论在地域上或在建筑功能与规模上都有了很大的突破，热泵机组的品牌、种类的选择空间大为扩大，既有许多进口品牌，又有不少国产品牌，有活塞压缩式热泵机组，又有螺杆式机组，有整体式机组，又有模块式热泵机组，单台机组制冷量从3RT-400RT，应有尽有，而且机组的制冷、制热性能、质量、可靠性等都有明显的提高。

二、热泵特性

空气源热泵冷热水机组有如下特点：
1、空调系统冷热源合一，且置于建筑物屋面，不需要设专门的冷冻机房、锅炉房，也省去了烟囱和冷却水管道所占有的建筑空间。 
对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑，或无条件设锅炉房的建筑，空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择。 
2、无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗。 
空调系统如采用水冷式冷水机组，自来水的损失不仅有蒸发损失、漂水损失、还有排污损失、冬季防冻排水损失，夏季启用时的系统冲洗损失，化学清洗稀释损失等等，所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的2—5%，根据不同性质的冷水机组，折合单位制冷量的损耗量为2-4t/100RT·h。这对我们某些严重缺少的城市来说，是一个比较可观的数量。另外，相当一部分工程在部分负荷情况下冷却水循环量保持不变。或根据主机运行台数，只作相应的台数调节。我们以前的经济比较很少重视这一点。 
3、由于无锅炉、无相应的燃料供应系统，无烟气，无冷却水，系统安全、卫生、简洁。 
对于暖道专业来说，锅炉房最有可能存在安全隐患，另外，冷却水污染形成的军团菌感染的病例已有不少报导，从安全卫生的角度，空气源热泵具有明显优势。 
4、系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。一些小型系统可以做到通过室内风机盘管的启停控制热泵机组的开关。 
5、单机容量从3RT至400RT， 规格齐全，工程适应性强， 利于系统细化划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。 
6、夏天运行COP值较水冷机组较低，耗电较多，冬季运行节省能源消耗。对于冬冷夏热城市的一般建筑而言，热泵系统的全年能耗低于水冷机组加锅炉的空调系统，但按目前的能源价格，热泵系统的全年运行费用高于水冷机组加锅炉方案。 
7、造价较高。作为空调系统的冷热源方面的设备投资，空气源热泵冷热水机组造价较高，比水冷式机组加锅炉的方案的系统综合造价贵20—30%，如只算冷热源设备，热泵的价格约为水冷机+锅炉的1.5-1.7倍。 
8、空气源热泵冷热水机组常年暴露在室外，运行条件比水冷式冷水机组差，其寿命也相应要比水冷式冷水机组短。 
9、热泵机组的噪音较大，对环境及相邻房间有一定影响。 热泵通常直接置于裙楼或顶层屋面，隔振隔音的效果，直接影响到贴邻房间及周围一些房间的使用。合理的位置设置与隔振隔音措施的到位，热泵噪音的影响可以基本消除。 
10、空气源热泵的性能随室外气候变化明显。室外空气温度高于40-45℃或低于-10～-15℃时,热泵机组不能正常工作。

三、热泵出力与气候 

在额定工况下，气温35℃，出水7℃，空气源热泵夏季制冷性能系数COP值在3.0左右，冬季（空气7℃，出水45℃）如不计化霜损失，制热系数COPH值也在3.0左右，空气源热泵的制冷、制热性能与室外气候有直接的关系, 空气源热泵冷热水机组供冷能力随室外温度的升高而降低，机组消耗功率随室外环境温度的升高而增加。当室外空气温度增至40℃时，制冷量一般要下降5—7%左右。空气源冷热水机组正常制冷的上限温度一般在40-45℃，个别品牌设有冷凝器风扇速度逐步控制系统，最大允许室外温度可达50℃左右。需要指出的是，跟冷却塔不一样，制冷工况下相对湿度对空气源热泵没不利影响，相反，相对湿度大，对冷却有利。城市夏季相对湿度较高，所以实际上风冷与水冷在冷却效果的差异上，比人们想象的要小。
空气源热泵冷热水机组的制热特性更为复杂，当盘管表面温度低于空气露点温度时，空气会结露，此时盘管表面发生了相变换热，有利于提高热泵机组的制热能力，但当盘管表面温度低于空气冰点温度（0℃以下）时，如果空气中的相对湿度同时达到某一程度，盘管表面就会结霜，如不及时化霜，霜层会越结越厚，影响空气实际流通量，并阻碍了盘管上的热交换，重者会结冰，压缩机出现低压保护停机。对应不同迎面风速和气候条件，热泵机组室外侧空气盘管上湿空气存在着三种状态，即结霜区，凝露区，干冷区(不结霜也不凝露)。结霜转变曲线，它与焓湿图上的等湿球温度线接近。当迎面风速为2.5M/S、环境温度为0℃、相对湿度为73%时，盘管上即开始结霜,如将迎面风速提高至4M/S,环境温度为0℃，则相对湿度达82%时，盘管才开始结霜，提高风速可减缓积霜。面风速为2M/S时，室外空气干球温度在0—5℃，相对湿度>85%时结霜最为严重，当tw<-5℃时，结霜速率减慢，这是由于此时空气中含湿量已明显减少。
热泵机组盘管上出现结霜，会影响机组的正常有效的供热，故必须定时化霜。目前大部分机组采用反向循环来化霜，此时不仅这一部分压缩机停止供热运行，而且作制冷运转，故系统供热量受明显影响。结霜严重时，平均半小时化一次霜，一次化霜的时间为5分钟左右，因化霜减少的供热量达17%左右。另外，室外温度降低时，热泵机组的出力明显减少。0℃条件下，热泵机组的实际出率为额定工况下的70%左右。-6℃情况下，出力只有额定工况下的62%左右，-10℃条件下供热量只有额定工况下的55%左右。雨雪寒冷天气对热泵出力有明显影响，重则影响正常运行，一些用户采用人为延长化霜时间、浇温水等方法去除冰霜。环境气温低于-10℃— -15℃时，热泵机组一般都不能正常运行。
在夏季热、冬季冷，湿度又高的地区,冬季气温低于-5℃共有69个小时,白天8:00-18:00时段气温低于-5℃共有7个小时。1994年夏季气温高于37℃共有10个小时. 1993年、1994年,冬季热泵处于结霜工作区分别有1613小时和1527小时(换热器迎风面风速为2.0m/s)，如只计及白天8:00-18:00时段, 1993年、1994年,冬季热泵处于结霜工作区分别有711小时和653小时(换热器迎风面风速为2.0m/s)。平均计,地区空气源热泵机组结霜时间在1500小时左右，如只在白天运行，则全年结霜时间累计在680小时左右.如提高盘管迎面风速至3M/S，空气源热泵机组结霜时间在1300小时左右，如只在白天运行，则全年结霜时间累计在600小时左右。