第4章 空气源热泵系统设计

第4章空气源热泵系统设计4.1

空气源热泵机组技术参数4.2

空气源热泵机组变工况特性4.3

空气源热泵空调机组冬季除霜控制4.4

空气源热泵系统的平衡点4.5空气源热泵系统设计要点4.1

空气源热泵机组技术参数4.1.1

空气源热泵机组的特点4.1.2

空气源热泵机组的参数及相关标准返回首页4.1.1

空气源热泵机组的特点空气源热泵机组也称为风冷热泵机组，是空气/空气热泵和空气/水热泵的总称。

特点：一机两用，具有夏季供冷和冬季供热的双重功能；不需要冷却水系统，省去了冷却塔、水泵及其连接管道；安装方便，机组可放在建筑物顶层或室外平台上，省去了专用的机房。缺点：由于空气的传热性能差，所以空气侧换热器的传热系数小，换热器的体积较为庞大，增加了整机的制造成本。由于空气的比热容小，为了交换足够多的热量，空气侧换热器所需的风量较大，风机功率也就大，造成了一定的噪音污染。当空气侧换热器翅片表面温度低于0℃时，空气中的水蒸气会在翅片表面结霜，换热器的传热阻力增加使得制热量减小，所以风冷热泵机组在制热工况下工作时要定期除霜。除霜时热泵停止供热，影响空调系统的供暖效果。冬季随着室外气温的降低，机组的供热量逐渐下降，此时必须依靠辅助热源来补足所需的热量，这就降低了空调系统的经济性。结构特点:制热与制冷循环采用独立的节流机构(热力膨胀阀、电子膨胀阀或毛细管)，因此还需要多个单向阀辅助转换制冷剂流向。除小型机组采用单台压缩机外，中大型冷热水机组均用两台或多台压缩机，每台压缩机可配有独立的空气侧换热器，但系统只用一台水侧换热器。为了平衡多路换热盘管的工质流量，空气侧换热器采用分液器，由多根细铜管连接换热器的各路换热盘管。系统除了使用常用的干燥过滤器、电磁阀等辅助件外，还要使用汽液分离器和油分离器。空气源热泵机组实例:空气源热泵机组实例:空气源热泵机组实例:空气源热泵机组实例:4.1.2

空气源热泵机组的参数及相关标准空气源热泵机组的额定制热量和额定制冷量是指机组在标准试验工况下的数据，必须把额定数据转换成运行工况下的数据，才能供空气源热泵系统设计时使用。4.2

空气源热泵机组变工况特性返回首页4.2.1

热源温度变化对机组供热能力的影响4.2.2

热源温度变化对机组制冷能力的影响4.2.1

热源温度变化对机组供热能力的影响特性：空气源热泵机组的制热量随室内温度的增高而减少。这主要是由于室内温度的增高相应提高了冷凝温度，当冷凝温度提高后的工质液体节流以后其干度增加，液体量的减少必然导致系统从环境中吸收的汽化潜热减少，制热量也就相应减少。空气源热泵机组的输入功率随室内温度的增高而增加。这主要是由于冷凝压力相应提高后压缩机的压力比增加，压缩机对每千克工质的耗功增加，导致压缩机的输入功率增加。

空气源热泵机组的制热量随环境温度的降低而减少。这主要是由于环境温度的降低相应降低了蒸发温度，当蒸发温度降低后的压缩机吸气温度也会下降，吸气比容增加使得系统的工质流量下降，制热量也就相应减少。当环境温度降低到0℃左右时，空气侧换热器表面结霜加快，此时蒸发温度下降速率增加，机组制热量下降加剧。空气源热泵机组的输入功率随环境温度的降低而下降。当环境温度降低时系统的蒸发温度降低，使压缩机的制冷剂流量减小，压缩机的输入功率也就下降。4.3

空气源热泵空调机组冬季除霜控制4.3.1

结霜过程及其影响因素4.3.2

除霜过程及其控制方法4.3.3

空气源热泵除霜的研究方向返回首页4.3.1

结霜过程及其影响因素霜层的形成是一个非常复杂的热质传递过程，与所经历的时间、霜层形成时的初始状态和霜层的各个阶段密切相关。根据霜层结构不同将霜层形成过程分为霜层晶体形成过程、霜层生长过程和霜层的充分发展过程三个不同阶段换热器结霜过程研究表明，影响换热器上霜层形成速度的因素主要有换热器结构、结霜位置、空气流速、壁面温度和空气参数。在结霜工况下热泵系统性能系数在恶性循环中迅速衰减：霜层厚度不断增加使得霜层热阻增加，使蒸发器的换热量大大减少导致蒸发温度下降，蒸发温度下降使得结霜加剧，结霜加剧又导致霜层热阻进一步加剧。4.3.2

除霜过程及其控制方法目前，空气源热泵机组都采用热气冲霜，即通过四通阀切换改变工质的流向进入制冷工况，让压缩机排出的热蒸气直接进入翅片管换热器以除去翅片表面的霜层。从实际效果来看，往往导致室内温度波动过大，用户有明显的吹冷风感觉。另外，当机组除霜结束恢复制热时，有可能出现启动困难甚至发生压缩机电机烧毁的现象。空气源热泵的除霜控制方法:定时除霜法时间—温度法模糊智能控制除霜法1.时间—温度法时间—温度法是用翅片管换热器盘管温度(或蒸发压力)、除霜时间以及除霜周期，来控制除霜的开始和结束。当室外翅片管换热器表面开始结霜时，盘管温度就会不断下降，压缩机吸气温度以及吸气压力也会不断下降。当盘管温度(或吸气压力)下降到设定值t1时，绑在盘管上的温度传感器将信号输入时间继电器开始计时，同时四通换向阀动作，机组进入除霜模式(制冷工况)。室外风机停止转动，压缩机的高温排气进入室外翅片管换热器，使盘管表面霜层融化，盘管温度也随之上升。

当盘管温度(或排气压力)上升到设定值t2时或除霜执行时间达到设定的最长除霜时间b(min)时除霜结束，风机启动，四通换向阀动作，机组恢复制热工况。室外翅片管换热器表面又开始结霜使得盘管的温度又会不断下降，当盘管温度第二次下降到设定值t1且超过设定的除霜周期a(min)时进入第二次除霜模式。2.模糊智能控制法模糊智能控制除霜系统一般是由数据采集与AID转换、输入量模化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整五个功能模块组成。通过对除霜过程的相应分析，修正除霜的控制规则，可以使除霜控制自动适应空气源热泵机组工作环境的变化，实现智能除霜的目标。4.4

空气源热泵系统的平衡点4.4.1热泵供热量与建筑物耗热量的供需矛盾4.4.2最佳平衡点温度4.4.3辅助加热4.4.4空气源热泵机组的能量调节返回首页4.4.1热泵供热量与建筑物耗热量的供需矛盾返回本节空气源热泵空调系统设计中需要解决的重要问题，就是机组供热量与建筑物耗热量的供需矛盾。应从三方面着手——经济合理地选择平衡点温度，合理选取辅助热源及其容量，热泵的能量调节方式。4.4.2最佳平衡点温度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季节供热量。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。

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。返回本节4.4.3辅助加热返回本节辅助加热源有三种：电加热燃烧燃料加热非峰值电力储存的热量加热返回本节返回本节4.4.4空气源热泵机组的能量调节返回本节热泵机组的制热量与建筑物的耗热量匹配运行对空调系统的节能运行至关紧要。当空气源热泵空调系统在高于平衡点温度的条件下运行时，热泵机组制热能力大于建筑物的耗热量，这就要求调节机组的制热能力以减少运行中的能耗。返回本节调节方式:分级能量调节与变容量柔性调节分级能量调节空气源热泵机组一般采用多台封闭式压缩机，当室内负荷减小或机组出水温度达设定值后，自动停止部分压缩机运行，以此实现分级调节运行。返回本节压缩机的变容量柔性调节目前常用的变容量压缩机有两种，即变频压缩机和数码涡旋压缩机。4.5空气源热泵系统设计要点返回本节1.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。返回本节2.空气源热泵系统方案选择热泵空调系统型式的选择目前典型的空气源热泵系统有三种类型：风管式空调系统、冷热水空调系统以及多联机（VRV）空调系统。返回本节风管式空调系统:由室外机、配管、室内机和室内风管、风口、阀门、控制器等组成。室内机采用带机外余压的风机强制循环通风，将制冷(热)量送至各空调区域，属于全空气空调系统。风管式空调系统的负荷调节能力较差返回本节冷热水空调系统:一般由四部分组成：主机部分、水系统部分、末端部分、配电及控制部分。返回本节多联机（VRV）空调系统:一般由四部分组成：主机部分、水系统部分、末端部分、配电及控制部分。返回本节返回本节热泵型空调系统的经济性比较经济性评价指标大致可以分为以下四种：价值指标，效益—费用（B—C），反映项目效益的价值量。效率型指标，效益/费用（B/C），反映单位费用效益。返回本节静态评价指标，计算简单，适用于数据不完备和精度要求较低的短期投资项目。动态评价指标，计算复杂，适用于项目最后决策前的详细可行性研究。返回本节经济性评价指标确定之后，采用合理的经济性分析方法就可以对方案作出正确的经济性评价。经济性分析方法有很多种，如净现值法、投资现值率法、投资回收期法、综合能源价格现值法、费用现值法（PC）以及费用年值法（AC）等等。返回本节对于用户来说，空气源热泵系统的经济性主要应考虑初投资费用和年运行费用这两部分。返回本节初投资费用:电力增容费和输配电材料费；热泵主机，辅助加热器的设备费；水泵，阀门，管材，保温材料，风机，送、回风管及保温，风机盘管，新风机组，空调箱，混合箱，散热器，送、回风口，分水器和消声器等购置费用；末端装置控制设备，温控设备，防火阀，温、湿度传感器及水量、风量自动调节设备等购置费用；由于空调系统布置后，对建筑物层高要求的变化而引起的投资费用；设备安装费用。返回本节年运行费用:更换润滑油、过滤器、水处理的费用；日常维修和人工费；补充制冷剂的费用；设备折旧费。返回本节3.设备容量确定空调末端设备容量室外主机容量返回本节4.水系统设计水系统的热稳定性管路设计管路的水力计算返回本节5.新风处理返回本节6.设备的布置设计返回本节武汉图书馆空气源热泵空调系统设计1.工程概况武汉图书馆新馆位于汉口建设大道861号，新馆地下一层，为地下汽车库、木工房(人防)与设备用房；地上14层，其中1～5层为裙房，设外借书库、各类阅览室、自学室、视听室，6～10层为书库，11～13层为办公室，14层为设备用房；建筑总高51.6m，总建筑面积32975m2，设计藏书350万册。空气源热泵系统工程实例返回本节返回本节2.设计参数（1）室内设计参数返回本节（2）空调冷热负荷夏季空调计算总冷负荷为3344kW，冷指标101W/m2(建筑面积)；冬季空调计算总热负荷为2733kW，热指标为83W/m2(建筑面积)。返回本节3.空调冷热源采用活塞式风冷热泵冷热水机组四台,共有两种机型，较大的机型单机制冷量为973.2kW,制热量为1056.8kW，共3台；另一台制冷量为747kW，制热量为812.3kW。四台主机均安装于主楼大屋面上；空调循环水泵放在14层空调水泵房内；空调主机与循环水泵安装在同一标高层面上。返回本节返回本节返回本节4.空调系统（1）空调水系统空调水系统分为三个环路：①左裙房；②右裙房；③主楼(4～13层)。空调供回水立管为为双管同程式，因裙房面积较大，裙房部分的各层总支管为异程式。系统采用落地式定压罐定压，设定压力为0.2MPa。返回本节（2）空调风系统新馆共设全空气空调系统44个，单个系统风量从8000m3/h～40000m3/h不等，并以风量为20000m3/h的组合式空调机组和8000～10000m3/h的柜(吊)式空调机组居多，分别有17个和22个。所有空调机组的出风管与进风管处都设消声静压箱，单箱消声量为8～10个分贝。返回本节5.恒温恒湿系统（1）古籍书库五层及六层各有古籍书库一个，面积分别为210m2和398m2。五层设恒温恒温机组HF-38一台，冷量为38kW、热量为24kW、风量为9000m3/h、最大加湿量为8Kg/h；六层设恒温恒温机组HF-52一台，冷量为52kW、热量为28kW、风量为12000m3/h、最大加湿量为8kg/h。各古籍书库同时分设全空气空调系统，作为空调系统的备用系统。返回本节（2）计算中心新