空氣源熱泵機組的設計選型與工程案例分析

王宏新 汪若童

摘要：本文介紹了空氣源熱泵機組的使用功能和發展。對冬季和夏季的能耗問題進行了談論。各個地區的環境溫度對空氣源選型及使用的影響。分析了空氣源熱泵系統的特點;對空氣源熱泵機組的應用與展望進行了探討。

關鍵詞：空氣源熱泵，設計選型，工程案例分析

一、空氣源熱泵的工作原理

空氣源熱泵，作為熱泵技術的一種，是大自然能量的“搬運工”。基于逆卡諾循環原理，通過少量電能驅動壓縮機運轉，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變為高溫熱能，加熱加水，用于供暖或制取生活熱水，所以它有能耗低、效率高、安全性好、環保性強，源源不斷的提取空氣中的能量用于制冷和供暖。

空氣源熱泵運行原理，空氣源熱泵是一個能量搬運裝置：

1、介質（冷媒）在蒸發器吸收大量空氣中的熱能Q1;2、通過壓縮機做功Q2，將介質（冷媒）壓縮成高溫高壓氣體;3、介質（冷媒）經過熱交換器交換熱能Q3，以提供熱水供末端使用。根據能量守恒定律：熱能Q3=電能Q2+ 空氣熱泵Q1 能效比COP=熱能Q3/電能Q2

二、空氣源熱泵的優勢

1采暖過程“零”排放，空氣源熱泵系統采暖過程不釋放固體顆粒物及SO2等大氣污染物，能有效緩解城市冬季霧霾指數。燃煤鍋爐供暖產生大量的固體廢渣，占用大面積場地，空氣源熱泵可完全解決固體廢渣的存儲與運轉等問題。2運行管理便利，空氣源熱泵無需專人值守、全自動化運行、自行決定供暖時間。3一機多用，一套熱泵系統既能滿足冬季取暖需求，又能滿足夏季的空調制冷需求，真正做到冷、暖一體，對于三位一體的設備還可以提供生活熱水，與鍋爐或者集中熱網相比，綜合造價能低。4采暖費用低，傳統的采暖設備。如鍋爐、燃氣壁掛爐、電采暖設備，其能效均小于1。空氣源熱泵機組從空氣中獲取低品位熱泵轉為高位熱能，利用壓縮機的逆卡諾循環設備能效大于3.0，相比其他的采暖方式，空氣源熱泵機組運行費用更低。5采暖舒適性，空氣源熱泵不受市政統一供熱時間的限制，可根據氣候變化情況靈活調整供暖時間，提高用戶的采暖舒適性。并能根據室外環境溫度及調整供暖熱水溫度，既能提高采暖舒適度又降低供暖能耗。6安裝靈活，主機可安裝在屋頂或地面，可省去冷凍機房土建投資及冷卻系統投資;COP值較高，自動化程度高。

三、空氣源熱泵機組的設計選型

空氣源熱泵選型根據地域及室外壞境溫度的不同，而直接影響設備的數量。

比如室內采暖溫度同樣取18℃，北京的室外采暖計算溫度是-7.6℃，室內外溫差是25.6℃;合肥的室外采暖計算溫度是-1.7℃，室內外溫差是18.7℃。兩地溫差相差6.9℃，同樣的建筑，北京地區的能耗會大概比合肥多30%。

一）機組選型步驟，1項目信息整理：包括項目的地理位置、采暖面積、功能、圍護結構情況、層高等;2確定單位熱負荷指標：按功能確定單位熱負荷;3計算制熱量：總熱負荷（W）=采暖面積（m2）×單位熱負荷（W/m2）;4確定主機數量：根據計算得出的制熱量選配主機臺數。

二）影響熱負荷的因素，1維護結構的耗熱量2由外門、窗縫隙滲入室內的冷空氣耗熱量3由外門開啟時經外門進入室內的冷空氣耗熱量4通風耗熱量5通過其他途徑散失或獲得的熱量

三）末端形式，1風機盤管：水溫要求45～50℃，按技術手冊給定制熱量選型。2地熱盤管：水溫要求40～45℃，供回水溫差5～10℃。地暖盤管間距200左右，散熱均能滿足要求。3暖氣片：水溫要求50～60℃。熱泵采暖建議按50℃設計，供回水溫差設計為5℃。一般每平方配1.5片暖氣片，或根據暖氣片樣板選型。

四、空氣源熱泵機組實際工程案例

一）工程概況1.工程名稱：興城市新橋醫院。2.工程地址：遼寧省興城市。3.建筑功能：醫院，主要為病房、辦公室、食堂等。4.工程范圍：主樓共五層，輔樓共二層，建筑面積約 4000 m2，末端為暖氣片+風機盤管，此項目為改造項目，非節能建筑。

二）實際使用效果，冬季采暖，室內溫度：冬季23℃±2℃。夏季制冷，室內溫度：夏季26℃±2℃。末端形式：全空氣系統風機盤管暖氣片地熱

三）設備選型

考慮到當地環境溫度，空氣源熱泵選用奧利凱品牌，可在環境溫度為-30℃時正常運行。確定符合使用實際情況的氣溫和進水水溫。針對本項目考慮采暖兼制冷，設計末端為暖氣片+風盤，供/回水溫度分別為55/50℃（供暖）。

根據采暖負荷計算及設計經驗，空氣源熱泵主機型號為：50P，對應機組臺數為：2臺：①實際空調使用約為建筑面積的70%，即空調面積約為2800平;②奧利凱50P低環境溫度空氣源熱泵最高出水溫度為55℃。

五、空氣源熱泵機組能耗分析

（一）供暖季節能耗分析1、平衡溫度點對空氣源熱泵機組的制熱季節性能系數的影響，對于選定的空氣源熱泵機組，當建筑物的熱負荷較大時，平衡溫度點將增高，使整個供暖季的輔助加熱量增加，從而導致制熱季節性能系數降低，當建筑物的熱負荷較小時，平衡溫度點將降低，導致整個供暖季的輔助加熱量的減小。同時，由于負荷的減小，機組有更多的時間處于部分負荷下運行。因此，制熱季節性能系數先是增大，然后會有所降低。且在相同平衡點溫度下，各地區使用熱泵機組具有不同的制熱季節性能系數值。2、運行方式對空氣源熱泵機組制熱季節性能系數的影響一班制時，熱泵機組都在白天運行，而白天時的室外氣溫要高于夜間，這使得在整個供暖季，一班制運行熱泵機組的制熱季節性能系數要高于三班制運行機組。作為一種節能技術，要評價空氣源熱泵機組的節能效應，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組的制熱量與一次能耗的比值。空氣源熱泵機組的一次能利用率提高，一方面有待于進一步改進技術，提高空氣源熱泵的制熱季節性能系數;另一方面則取決于我國平均發電配電效率的提高。

二）供冷季節能耗分析，空氣源熱泵的供冷季節能耗分析采用負荷頻率表法。負荷頻率表法是建立在空調負荷與室內外溫差大致成比例這一假設基礎上的。該方法根據是室外空氣干球溫度出現的年頻率數（用于全年運行的空調系統）或季節頻率數（用于季節性空調系統）和空調系統的全年或季節運行工況計算出不同室外空氣狀態下的加熱量和冷卻量。在計算出冷（熱）負荷后，再根據冷（熱）源機組的變工況性能表查出相應工況下的供冷（熱）季節小時頻率值相乘，然后累加，計算出冷（熱）源設備的耗能量。經過分析，發現供冷季節性能系數與本地區的氣候條件是相一致的，因為供冷季節的氣候越炎熱，室外空氣溫度越高，空氣源泵的供冷季性能系數將越低。

六、結論

綜上所述，盡管許多人對當地冬季熱泵供暖的可靠性和合理性持一定的懷疑態度，但由于空氣源熱泵的上述某些優點，空氣源熱泵冷熱水機組的發展也相當的快。同時我們也不難看出在空調冷熱源的選擇方面，空氣源熱泵冷熱水機組作為中央空調的冷熱源有著很多優勢，如設備利用率高，在氣候適宜地區可冬夏共用，省去了鍋爐房和冷卻水系統，符合我國缺水國情。另外，機組可安裝在室外，節省了機房的建筑面積。空氣源熱泵只是從空氣中吸取熱量或向空氣中釋放熱量，并不構成對空氣的污染，對環境幾乎不造成什么影響。因此該機組在中小型建筑中得到了廣泛地應用。

參考文獻

[1]《民用建筑供暖通風空氣調節設計規范》GB50736-2012

[2]陸耀慶《實用供熱空調設計手冊》（第二版）中國建筑工業出版社

[3]《全國民用建筑工程設計技術措施》2003年版

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