第5章直接蒸发式空气源热泵

1、家用空调（热泵）机组窗式空调（热泵）机组¾制冷量范围一般为15006000W ¾电源为220V，50Hz ¾组成：压缩机、风机电机、离心风叶(室内侧)、轴流风叶(室外侧)、换热器分体空调（热泵）机组¾制冷或制热量范围一般为25007000W ¾电源为220v，50Hz ¾室内机设有操作开关、室内换热器、贯流风机、电器控制箱等¾室外机设有压缩机、轴流风机、室外换热器、换向阀、毛细管或膨胀阀等风管送风式空调（热泵）机组风管送风式空调（热泵）机组【Ducted air-conditioning （heat pump）units】：

2、一种通过风管向密闭空间、房间或区域直接提供集中处理空气的设备主要包括制冷系统以及空气循环和净化装置，还可以包括加热、加湿和通风装置按功能分为¾风冷冷风型¾空气源热泵型¾风冷冷风电热型：制冷、电加热器制热¾风冷冷风热水盘管型：制冷、热水盘管制热¾风冷冷风加电加热器与热水盘管（Heat water coil）装置型：包括制冷、电加热器或（和）热水盘管一起制热，制冷和以转换电加热器或（和）热水盘管一起使用的装置¾热泵辅助热水盘管型¾热泵辅助电加热器与热水盘管装置型：包括制冷、热泵与电加热器或（和）热水盘管一起制热，制冷、热泵和以转

3、换电加热器或（和）热水盘管与热泵一起使用的装置1.3屋顶式风冷空调（热泵）机组屋顶式风冷空调（热泵）机组【Rooftop air-source condition（heat pump）unit】制冷量一般为28420 kW、热泵制热量为33460 kW的集中送风的机组按机组功能分类¾单冷式机组¾热装置同时使用的机组及热泵制热和电加热装置切换使用的机组¾制冷及电加热制热兼用机组5.2多联式空调（热泵）系统多联式空调（热泵）机组【Multi-connected air-condition（heat pump）unit】：一台或数台风冷室外机可连接数台不同或相同型式、容

4、量的直接蒸发式室内机构成单一制冷循环系统，它可以向一个或数个区域直接提供处理后的空气【GB/T 18837-2002多联式空调（热泵）机组】学术名称：可变制冷剂流量空调系统VRF（Variable Refrigerant Flowrate）多联机的原理：多联机通过控制压缩机制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量，以适应室内冷、热负荷的要求属于空气源热泵，属于空气空气热泵大金公司多联机名称：VRV（Varied Refrigerant Volume）.2.1多联机的结构形式及特点多联机由日本大金（DAIKIN）公司于1982年开发推出，打破了传统的中央空调（水冷冷水机组+热水锅炉+空调末端）设

5、计理念，在传统的房间分体空调器由一台室外机连接一台室内机的一对一方式的基础上，研制出了一台室外机或多台室外机连接多台室内机的供暖、制冷系统多联空调机组是一次冷媒系统，由冷媒配管直接传递冷量分类¾单冷型¾热泵型¾热回收型：两管制、三管制¾每台室内机组可以自由开启和停止，而室外机组可以根据室内机组负荷的变化自动调整输出负荷，使得整个系统消耗的能量最低，一般较中央空调节能15%25% ¾室内机组与室外机组都是通过制冷剂管道相连，无冷却水和冷热水系统，减少换热损失¾机组应用范围很广，制冷、制热温度范围宽¾由制冷剂作为输送介质，单位工

6、质传输热量大（R22单位工质传输热量为水的10倍，空气的20倍）¾室外机组易于布置，无需专用的机房¾整个系统可以实现智能控制和自适应故障诊断，便于维护管理，可实现无人值守，运行成本可以大大降低缺点¾系统控制复杂，对管材材质、制造工艺、现场焊接等方面要求高多联式空调（热泵）系统关键技术压缩机容量控制技术¾要实现多联式空调系统的容量控制，关键就是采用可变容量的制冷压缩机，要求压缩机的容量可根据负荷的变化而连续变化。现有的变容量方式有交流变频压缩机变频压缩机"直流变频"压缩机单转子压缩机双转子压缩机涡旋压缩机可变容量压缩机数码涡旋压缩机涡旋

7、压缩机¾通过可变容量压缩机系列的不同型号、不同规格、不同配置的选择，使得压缩机的整个容量范围既要满足系统最大的制冷量要求，同时又要在只有部分室内机组工作时使系统的功率消耗达到最小。这两者之间就需要一套很好的压缩机容量控制技术，主要包括变容量压缩机的之间的匹配以及变容量压缩机和定容量压缩机之间的匹配等系统润滑油平衡和低压回气平衡技术¾多联式空调系统属于一种负荷变化宽的氟利昂制冷系统，使用单台压缩机仅采用启停控制作为能量调节措施往往不能适应负荷剧烈变化的需要，所以通常将多台压缩机并联使用在同一制冷系统中，这不仅可以拓宽制冷系统的容量范围，降低启动电流，延长压缩机的使用寿命，还可

8、以大幅度地简化系统，降低投资成本¾在一制冷系统中使用多台压缩机并联，存在着冷冻油能否顺利返回各台压缩机的问题。为此，在制冷系统中一般采取的措施是在多台压缩机壳体间连接有管径较大的均油管和管径较小的均压管，或在或在此基础上在每台压缩机的排气管上增设一个油分离器，大部分冷冻油经油分离器分离后通过减压毛细管流回压缩机吸气管，以减少进入系统管路及蒸发器的油量，而使各压缩机间均油¾对于多台压缩机的均油方法是在各压缩机排气管上设置油分离器，油分离器与设置的电磁阀相接形成油路平衡管，再通过压缩机的内置油面传感器来的信息控制电磁阀的开闭，以控制冷冻油油面，压缩机富油时对应电磁阀关闭，缺油时

9、开启，前面富油压缩机的油分离器中的冷冻油将向缺油的后压缩机供油，反之亦然。但这种方法需要对制造商提出压缩机内设置油面传感器要求后才能实现，同时需要与电磁阀配合使用，其可靠性取决于油面传感器和电磁阀的品质，因而使成本大幅度提高¾多台制冷压缩机自动均油回路结构原理是利用流体网络理论来预算各台压缩机回油管路的流阻，合理配置回油管路的布置。多台压缩机机组内为高压油的油分离器、单向阀、节流阀、贮油器、油压信号指示仪等组成，其结构特点是根据各压缩机壳体内的油面信息（油压变化）及时由回油网络的各均油管向缺油的压缩机供油。回油网络的回油管路均为交错相连，压缩机壳体上的油压指示仪提供给回油网络反馈信息

10、，回油网络根据油压反馈信息及时给出压缩机的供油信息，从而保证各压缩机油压正常和及时回油¾对于变容量压缩机和定容量压缩机的混合压缩机系统来说，压缩机的低压回气问题同样非常关键。对于多联式空调系统来说，由于室内机组的多样性（不同的室内机组的发器中的沿程压力损失也就较大，不同的室内机组制冷剂回气管路的长度也不一样，其压力损失也是变化的），会造成低压回气管路的压力不平衡，而低压回气管路中的压力波动直接影响到压缩机的吸气压力，也就会影响到压缩机压比的变化，进而引起系统耗功的增加，于是就达不到系统优化节能的目的。因此必须要对不同室内机组蒸发器以及回气管路的阻抗进行仔细的核算和平衡，而采用流体网络

11、理论就可以达到这样的设计目标，在多联式空调系统的设计过程中仔细预算各室内机组管路及相应的阀门和回气管路等的阻力，使各室内机组的阻抗基本一致，满足压缩机吸入口处回气压力基本一致的要求，这样也就达到低压回气压力平衡的目的制冷剂的分流技术¾制冷剂分流控制技术可以实现各室内机制冷剂的变流量控制，其工作原理是通过在系统中设置电子膨胀阀，将不同款式、不同规格及不同高度、不同距离的室内机依靠线性特征的电子膨胀阀控制流入各室内机的制冷剂流量，以适应不同室内温度的要求¾不同规格、不同款式以及不同使用场所的室内机组所要求的制冷剂流量也是不一样的，同时各室内机组的负荷以及工作状态都在随时变化，负

12、荷和状态的变化必然会对压缩机的工作状态产生影响，如果纯粹靠膨胀阀和设定的工作程序很难满足系统性能的最优化要求，因此就必须在设计阶段对压缩机和各室内机组的制冷剂管路进行阻抗的匹配。这是因为不同的制冷剂压力和流量的变化都可以由负载的阻抗变化来反映，而不同管路设计的阻抗适应性是不一样的，所以通过对制冷剂通路阻抗的研究和匹配就可以系统地优化整机的性能环保工质应用技术¾近共沸混合工质R410A物传热性能好，压力损失小，滑移温度非常小。即使在使用过程中制冷剂发生泄漏，成分的变化对性能和维修也不会产生影响，可以直接补加R410A制冷剂¾对于R410A的应用研究，第一在于冷冻机油的匹配研究

13、，要保证冷冻机油与制冷剂良好的相容性，第二是采用使用R410A制冷剂的新型压缩机的匹配研究，第三是系统管路密封性能和材料兼容性等的研究系统集中控制技术¾对于多联机空调（热泵）系统来说，其控制系统主要由以下几大控制模块组成：压缩机能量控制、制冷剂分流控制及室内机风扇电机控制等。这三套控制系统共同组成多联机空调（热泵）系统的控制系统。该系统在室内外分别设置微机控制电路，其间通过通信信号线以串联方式交换传感器反馈信号及系统控制信号，实现对系统的高效低耗运行及安全监控等控制。这三套控制子系统既互相独立又是一个有机的整体，需要采用智能控制等技术来实现其有机的结合和优化变频多联式空调（热泵）系统

14、变频多联式空调（热泵）系统是指使用了对压缩机采用变频控制，利用变容量方式调节工质输出量的多联式空调（热泵）系统传统定速空调系统按照最大冷热负荷来设计，仅在设计工况下具有较高的能效比，而实际系统环境负荷都在不断变化，为了是系统制冷（热）量与负荷匹配，大都采用压缩机开停方式进行控制来调节室内温度。这样房间温度波动大，舒适性降低，压缩机开停频繁，系统效率降低。当使用变频控制时，压缩机可采用低频启动方式，启动电流小，对电网无冲击作用，启动后以最大能力进行快速制冷/制热运行，使室内温度尽快达到设定温度，接近或达到设定温度后自动降低运行能力，进行保温运行，以维持室内温度基本恒定变频多联式空调（热泵）的组成

15、¾空调系统一般由室内机、室外机、制冷剂配管和遥控装置等组成¾室外机主机为涡旋式压缩机，采用变频控制，供液管上设电子膨胀阀、分流器等，可根据各区域的不同要求进行制冷工质流量的控制，即根据不同房间内的负荷需求对各台室内机进行单独控制，通过室外机变频调速，以合理地提供室内机所需能量，避免不必要的能量浪费¾每一系统中室内机总容量与室外机的容量配比范围为50130%，即室外机既可在欠载50%的情况下正常运转，也可在超载130%的情况下正常工作室外机与室内机之间通过制冷剂管道连接¾室内机和室外机之间的制冷剂管长度最长可达100m以上，当室内机高于室外机时，两者之间的

16、允许高差为40m以上，当室外机高于室内机时两者之间的允许高差为50m以上变频多联式空调（热泵）的工作原理¾室内部分备有室温传感器，将设定温度和运行情况等信号传给室外部分，室外部分分析这些信号，根据温度和室温变化的时间计算出压缩机电动机的频率¾压缩机开始启动运行时，若室温与设定温差较大，则采用高频运行，随着温差的减少转为低频运行¾在室温急剧变化时使频率大幅度变化，在室温变化缓慢时使频率小范围变化，以控制压缩机电动机转速，满足室内空调负荷变化的要求，在最短时间内使室温达到设定值交流变频压缩机变频压缩机"直流变频"压缩机单转子压缩机双转子压缩机涡旋压

17、缩机交流变频与"直流变频" ¾交流变频压缩机的工作原理：通过变频器先进行交流到直流的变换，再通过变频器进行直流到交流的变换，从而控制交流电机的转速。对变频器的控制是通过传感器将室内温度信息传递给微电脑，输出一定频率变化的波形，控制变频器的频率。当室内急速降温或急速升温时，室内空调负荷加大，输入到压缩机的电源频率增加，压缩机转速加快，制冷量增加；相反，当室内空调负荷减少时，压缩机正常运转或减速¾直流变频空调器的工作原理：把50Hz工频交流电源转换为直流电源，并送至功率模块主电路，功率模块也同样受微电脑控制，所不同的是模块所输出的是电压可变的直流电源，压缩机

18、使用的是直流电机，转子是永磁的。直流变频是相对于交流变频而来的，其实它的名称是不正确的，因为直流并没有变频，它是通过改变励磁电压来调节压缩机转速，从而改变空调的制冷量，采用的直流调速技术要远远优于调频技术，因此直流变转速是正确的叫法¾直流变频空调器没有逆变环节，在这方面比交流变频更加省电。单转子压缩机与双转子压缩机¾单转子压缩机是指压缩机采用的是一个转子的滚动转子压缩机，双转子压缩机采用的是两个对称滚动转子的压缩机¾双转子压缩机的两个转子是完全对称的，不存在转动过程中的不平衡，所以这种压缩机振动非常小，输出效率高，尤其适合于变频范围比较大的变频压缩机¾

19、1988年首次出现变频控制的双转子压缩机，由于变频控制具有更大的控制范围，使得机器容量的调节能力提高了1倍。1993年"直流变频"双转子压缩机技术开发成功，1998年，东芝推出日本首台 R410A工质空调机搭载的就是最新的直流变速双转子压缩机，能够更高效的发挥出 R410A的效率排¾在数码涡旋技术中，引入"周期时间"的概念¾一个周期时间包括"负载状态"时间和"卸载状态"时间，这两个时间阶段的组合决定了压缩机的调节容量¾例如，一个20s的周期时间，如果负载时间是l0s，卸载时间也是l0s

20、，那么压缩机的容量调节就是50；如果对于同样的周期时间，负载时间为15s ，卸载时间为5s，那么压缩机的容量调节就是 75% ¾对于同样的周期时间，通过改变"负载状态"时间和"卸载状态"时间，数码涡旋压缩机可以在10100%的范围内输出不同大小的容量¾周期时间是数码涡旋运行中的一个重要参数，可用不同的周期时间获得相同的容量变频系统冷量110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100% 数码涡旋系统10% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 %容量5.3多联式空调（热

21、泵）系统设计空调负荷的计算空调负荷是合理选择末端空调设备和确定热泵容量的依据空调负荷计算包括夏季冷负荷计算和冬季热负荷计算在方案设计阶段，可采用单位建筑面积热指标法估算在初步设计阶段，可采用分项简化计算，例如：分别计算围护结构、人员、设备、灯光、食物和新风的负荷，其中围护结构负荷可按经验指标估算在施工图设计阶段，根据采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）规定，应采用冷负荷系数法或谐波反应法对空调房间或区域进行逐时冷负荷计算，房间或区域的热负荷可不考虑室外气温波动，按稳定传热方法计算冬季热泵热负荷计算方法与采暖耗热量计算方法相同，只是不能采用采暖室外计算温度，而应该用冬季空调室外

22、计算温度统计总冷负荷时，由于所有末端设备同时使用的可能性很小，应根据用户的要求及使用性质考虑不同的使用系数统计总热负荷时，还应根据不同的建筑物来选取同时使用系数及考虑邻室无空调时温差传热所引起的负荷为了达到室内卫生标准要求，空调系统还应引入新风，所以在确定空调系统总负荷时应考虑新风负荷总冷热负荷确定之后才能选择设备空调（热泵）设备容量的确定空调（热泵）末端设备容量可适当放大，末端设备的容量适当选大可保证空调效果末端设备应设调节器，用户可根据自己的需求调节风量或冷量，一般用温度控制器或三速开关室外主机容量可适当减小，适当降低主机容量、可以降低初投资和运行费用选用空气源热泵系统的热泵机组和辅助热源

23、时，应按最接近当地最佳平衡点的结果来确定设备容量热泵供热量与建筑物散热量的矛盾¾当建筑物的围护结构一定时，建筑物散热量取决于室内外的温差。随着室外温度的降低，建筑物热负荷逐渐增大。若冬季室内温度维持在设计值，则建筑物散热量只是室外温度的线性函数，即Qb = K F (t - t ) in out 式中：Q b建筑物围护结构散热量，kW；K建筑物围护结构的传热系数，W/m 2·K；F建筑物围护结构的外墙传热面积，m 2；t in建筑物室内设计温度，；t out室外环境温度，。¾另一方面，室外空气的温度和湿度随地区、季节和时间的不同而变化。这对空气源热泵的制热量和制热

24、系数影响很大。特别是当冬季室外温度下降时，此时热泵的蒸发温度较低，制热系数就会随蒸发温度下降而下降。若维持室内换热器中的冷凝温度不变，随着室外温度的降低，机组的供热量逐渐减少。热泵的制热量与室外温度成近似线性关系，即Qh = A + B int 式中：Q h热泵制热量，kW；A、B常数；t out室外环境温度，。¾由以上分析可知，当室外空气的温度降低时，空气源热泵的供热量减少，而建筑物散热量却在增加，即建筑物耗热量增加，这就造成空气源热泵供热量与建筑物散热量之间的供需矛盾¾右图表示出了空气源热泵系统的供需特性关系¾图中MN线为空气源热泵供热特性曲线，CD线为建筑物

25、耗热量特性曲线，两条线呈相反的变化趋势¾点 X为建筑物最大耗热量¾热泵制热量曲线MN和建筑物耗热量曲线CD的交点 O称为平衡点，相对应的室外温度 t O称为平衡点温度kW C X N O 热量M D tO 室外空气温度¾当室外温度为 t O时，热泵供热量与建筑物耗热量相平衡¾当室外空气温度低于 t O时，热泵的供热量小于建筑物的耗热量，则表示热泵供热量不足，必须采用辅助热源来补充加热量¾当室外空气温度高于 t O时，热泵的供热量大于建筑物的耗热量，表示热泵供热量有多余，可通过对热泵的能量调节来解决热泵供热量过剩的问题¾具有不同的耗热特

26、性的建筑物或采用不同容量的热泵机组，其平衡点也是不同的应从三方面着手¾经济合理地选择平衡点温度¾合理选取辅助热源及其容量¾合理利用热泵的能量调节方式kW C X N O 热量辅助加热M D tO 室外空气温度¾当室外温度为 t O时，热泵供热量与建筑物耗热量相平衡¾当室外空气温度低于 t O时，热泵的供热量小于建筑物的耗热量，则表示热泵供热量不足，必须采用辅助热源来补充加热量¾当室外空气温度高于 t O时，热泵的供热量大于建筑物的耗热量，表示热泵供热量有多余，可通过对热泵的能量调节来解决热泵供热量过剩的问题¾具有不同的耗热特

27、性的建筑物或采用不同容量的热泵机组，其平衡点也是不同的kW C X N O 热量辅助加热M D tO 室外空气温度最佳平衡点温度¾对于某一具体的建筑物，平衡点温度取得低，要求配置的热泵容量就大，则选用的辅助热源较小，甚至可以不设辅助加热器。虽然辅助热源的初投资和运行费用较低，但这样热泵容量过大，机组的初投资较高且运行效率降低，经济上不一定是合理的¾平衡点温度取得高，所选择的热泵机组较小，初投资和运行费用较低，但所必需的辅助热源较大，辅助热源的初投资和运行费用较高，亦不利于节能A方案的辅助加热量kW A方案X O B方案Q Q' O O O' 建筑物耗热量特性热量tO t'O 室外空气温度¾选择不同的平衡点温度，就会有不同的辅助加热量和不同的热泵容量¾平衡点温度对于选择热泵机组容量及其运行的经济性和节能效果都有很大的影响。如何合理选择平衡点温度是一个技术经济比较问题¾以空气源热泵系统冬季运行耗能最少为目标确定的平衡点温度，称为最佳能量平衡点温度。如果按此平衡点选择热泵机组，就能够使整个系统获得最大的供热季节性能系数 HSPF，即输入相应的功可获得最大的