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空气源热泵冷热水机组的应用
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，表1列举了目前工程上应用较多的四种热泵。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。
热泵机组分类 表1
分类
空气-空气热泵机组
空气-水热泵机组
水-水热泵机组
水-空气热泵机组
特征
以室外空气为热源制取室内所需的冷风、热风
以空气为热源制取空调系统的冷水或热水
以环境水(地下水、江、河、海水等)为热源制取所需要的冷热水
以环境水、循环水为热源，制取室内所需的冷热风
示例
家用、空调，VRV、MRV、ECO等一拖多空调系统
空气热源热泵冷热水机组，简称风冷热泵
水源热泵式冷热水机组
水源热泵式冷热风机组简称水环热泵
　　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.[page]
四、热泵应用
　　在夏季热、冬季冷，湿度又高的城市，仅管许多人对当地冬季热泵供暖的可靠性和合理性持一定的怀疑态度，但由于空气源热泵的上述某些优点，空气源热泵冷热水机组的发展也相当的快。二十世纪九十年代初就有工程开始采用空气源热泵冷热水机组。至1995—1998年投入使用的空气源热泵数量明显增加。据我们目前掌握的资料，采用空气源热泵冷热水机组为空调系统冷热源的工程目前有250项左右。其中，某设计院这几年选用热泵为冷热源的项目约有35项之多，占该院空调工程项目数的30%左右。某工程师一个人先后有近10个项目采用了空气源热泵冷热水机组作为空调冷热源。在我们所了解的以空气源热泵冷热水机组为冷热源的项目中有商场、写字楼、办公楼、酒店、厂房、综合楼等。表2、表3的统计结果反映了空气源热泵冷热水机组在应用的大概情况。
不同功能建筑使用空气源热泵冷热水机组比例 表2
建筑功能
写字办公楼
商场
酒店(客房)
工寓(别墅)
厂房
服务
医院
综合楼
项目数
100
16
12
12
6
30
5
8
比例
52.8%
8.5%
6.3
6.3%
3.2%
16%
2.6%
4.3%
不同机型所占比例，效果评价 表3
比较
项目
国别
机组构造
压缩机
制冷供热效果
国产
进口
整体机
模块机
活塞
螺杆
好
中
差
比例
68%
32%
77%
23%
72%
28%
15%
70%
15%
　　需要指出的是，这里指的进口为外资独资组装或原装进口产品，另外，国产份额(工程项目数量)占的比例较高跟某时期某台资企业较好的销售业绩有关系，近来，工程用热泵机组进口产品的市场占有率有上升之趋势。虽经过多年的消化，工程用热泵机组市场并没有象家用空调一样，国内企业没有取得优势地位，这是很值得我们思考的问题。
　　从调查的结果看，这几年空气源热泵冷热水机组的发展很快，且大多数工程的热泵空调系统还是能基本满足所需的制冷供热要求的。下面就几个典型工程的情况作些介绍。
　　长江贸易大楼1991年设计，1994年建成投入使用的现代化写字楼，大楼建筑面积约3.5万m2，建筑总高度95米，其中地下一层，地上23层。外围护结构为全玻璃幕墙。大楼选用6台美国约克公司AWHC-200热泵机组6台，装机额定制冷量为3672KW(1044RT)，面积冷指标为105W/m2，热泵额定制热量为107W/m2。热泵机组置于主楼顶层屋面，系统配置8台水泵，每台泵的循环水量为200m3/h，扬程为32mH2O。热泵与水泵分别并联再串联，各热泵进出水管直接与分集水器连接，水泵置于室内。
　　热泵机组采用弹簧减振器减振，水泵也采用弹簧减振台座减振。空调系统末端设计为变水量，主机为定水量台数控制。据现场调查和测量，大楼工作人员对空调满意度较高，夏季某天在吸气温度40℃情况下(局部排除有短路吸入现象)，系统出水7.58℃，回水12℃，水温差为4.42℃(热泵运行5台，水泵运行3台，尚有少数楼层未投入使用)，室内基本满足26℃的设计要求。1999年冬天某天下大雪，现场测得系统供水温度在39-40℃范围波动，某南面房间室内温度维持在23℃。冬季恶劣气候，人工设定化霜时间间隔为30分钟，化霜时间持续5分钟。个别天气出现早上不能正常开机时，管理人员先设定制冷化霜工况，再进入供热工况。由于热泵机组置于主楼敞开屋顶，通风条件良好。但因女儿墙较高，个别热泵出现了部分气流短路的现象。气流短路的现象在冬天更为明显，这种现象通过化霜时的水雾流轨迹很容易观察到。约克公司标准型热泵机组(200RT)的噪音在82dB(A)左右，但由于热泵位置较为合适，土建处理、减振措施都较为妥当(女儿墙较高，热泵与疏散楼梯为水泵房所隔，与疏散楼梯口有一定的水平距离)，这些综合措施使热泵机组较大的噪音并未对大楼产生明显影响，在热泵所在楼层的电梯厅测得的噪音在45dB(A)左右，在紧贴热泵下部的办公室，噪音也在45dB(A)左右，吊顶内噪音约为50dB(A)左右。可见该工程减振隔音的综合措施收到明显效果。
　　某外贸公司办公大楼建筑面积约2.7万m2，共21层，总高度为90米，大楼外围护结构为半玻璃幕墙结构，大楼于1996年1月开始建成关投入使用。大楼选用美国约克公司生产的AWHC-200型热泵机组4台，额定总制冷量为2448KW，额定供热量为2500KW，折合单位面积冷指标91W/m2，供暖面积指标93W/m2(对应热泵额定工况，气温7℃，出水45℃)。热泵置于塔楼顶层，顶层屋盖为三角形水平开口百叶坡顶。系统选配5台IS125-100-400型水泵5台，水泵额定流量为100m3/h，额定扬程50mH2O,电机功率30KW，水泵4用一备，水泵机组先并联后再与并联连接的热泵组串联。该空调系统采用了系统变水量空调自控方式。大楼尚有部分的楼层尚未投入使用，已开通的房间的温度、湿度基本能满足设计和人员舒适的要求。但由于过分强调外形美观，将设置设泵的屋顶层罩上三角形水平百叶顶盖，使热泵通风不畅，由于大量的气流短路，较热天气无法正常运行，后将热泵所在楼层以热泵排风机出风口为界，将空调划成上下两部分。斜屋顶上部分百叶作为排气用，斜屋顶下部分百叶作吸气用。情况虽有改善，但由于百叶为水平，故排吸气流短路的现象较明显，热泵高低压保护性停机时有发生。水泵的配置也过大。造成系统运行费用据高不下。夏天现场测试表明，在室外环境温度为33℃条件下，某台热泵机组由于气流短路，实际吸气温度达到45℃左右，主机吸气温度达到45℃时，压缩机开始出现保护性停机。另外，主机进出水水温差实测平均值在3℃左右，说明水泵配置偏大。为了保证高效运行，管理公司在热泵换热器侧上方增设喷淋管喷水雾，在夏天能收到一定的效果。冬天，对发生结霜严重的热泵，实行强制化霜方式。另外，由于土建构造的特点等，原因热泵水泵房的噪音在离机房5层楼之远的电梯厅尚能听到机房噪音(45~50dBA)。可见，虽然，同样品牌的同类型热泵，由于不同的土建分隔处理和设备的隔振方法的不同，会有明显不同的影响程度。
　　明日大酒店，建筑面积约7800M2，其中20%左右为酒店公共用房80%左右为客房。酒店共选用3台110RT热泵，实际只用2台。冬季使用效果良好，某晚，室外温度0-2℃，天气多云，热泵出水温度维持在39-41℃，客房内温度可达25℃。下雪天气，热泵仍能正常运行。使用至今曾有过一、二次结霜比较严重，自动除霜困难，管理人员用顶层生活用锅炉热水冲淋后，一切正常。热泵置于酒店顶层屋顶，三台水泵置于热泵旁的室外平台，与热泵一一对应，即每台泵与热泵串联后再并联。与热泵相邻的楼层为酒店内部办公用房，其室内噪单约为45-50dB(A)，冬天个别雨雾寒冷天，由于橡胶隔振垫被冻，隔振效果减弱，其紧贴楼层噪音有所增加。但由于热泵未紧贴客房布置，客房未受明显影响。实际运行表明，系统开2台热泵已足以满足空调要求，冬天极个别的恶劣天气才需开3台热泵。
五、应用中的问题
　　在所调查的项目中，虽然大多数工程的热泵还是能满足制冷供暖的基本要求，但能同时符合设计合理、投资及运行经济、减振隔噪效果明显，冷暖效果优良等要求的项目极少。很多工程也存在着这样、那样的问题。主要可归纳为：
　　1、热泵质量及售后服务问题
　　2、设计方面的问题(a.方案不合适;b.主机选择不当;c.主机位置不当;d.水泵等设备匹配不当;e.水系统组织不当)
　　3、安装质量问题
　　4、业主决策的主观性
　　5、运行与维护管理不善
六、结论：
　　1、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；
　　2、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，但所选热泵应有良好的制热性能，热泵组应有不小于4-6个独立的制冷回路。另外建筑围护结构应有良好的保温性能；
　　3、热泵系统的全年能耗低于水冷机组加锅炉的空调系统，但按目前的设备与能源价格，热泵系统的投资及全年运行费用高于水冷机组加锅炉方案。是否选用热泵型冷热水机组作为空调系统的冷热源，应根据各工程的具体特点作技术经济综合比较，并结合业主的具体要求而定。客房、病房、较大型工程慎用；
　　4、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, 应保证良好的通风条件,应合理设计系统,优化各设备之选配,努力使投资和系统全年能耗最省；
　　5、尚有很多工程存在不少问题，急需加于解决，以改善效果，减少能耗，效益可观。