第4章 空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

第4章空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計4.1

空氣源熱泵機組技術(shù)參數(shù)4.2

空氣源熱泵機組變工況特性4.3

空氣源熱泵空調(diào)機組冬季除霜控制4.4

空氣源熱泵系統(tǒng)的平衡點4.5空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點4.1

空氣源熱泵機組技術(shù)參數(shù)4.1.1

空氣源熱泵機組的特點4.1.2

空氣源熱泵機組的參數(shù)及相關(guān)標準返回首頁4.1.1

空氣源熱泵機組的特點空氣源熱泵機組也稱為風冷熱泵機組，是空氣/空氣熱泵和空氣/水熱泵的總稱。

特點：一機兩用，具有夏季供冷和冬季供熱的雙重功能；不需要冷卻水系統(tǒng)，省去了冷卻塔、水泵及其連接管道；安裝方便，機組可放在建筑物頂層或室外平臺上，省去了專用的機房。缺點：由于空氣的傳熱性能差，所以空氣側(cè)換熱器的傳熱系數(shù)小，換熱器的體積較為龐大，增加了整機的制造成本。由于空氣的比熱容小，為了交換足夠多的熱量，空氣側(cè)換熱器所需的風量較大，風機功率也就大，造成了一定的噪音污染。當空氣側(cè)換熱器翅片表面溫度低于0℃時，空氣中的水蒸氣會在翅片表面結(jié)霜，換熱器的傳熱阻力增加使得制熱量減小，所以風冷熱泵機組在制熱工況下工作時要定期除霜。除霜時熱泵停止供熱，影響空調(diào)系統(tǒng)的供暖效果。冬季隨著室外氣溫的降低，機組的供熱量逐漸下降，此時必須依靠輔助熱源來補足所需的熱量，這就降低了空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。結(jié)構(gòu)特點:制熱與制冷循環(huán)采用獨立的節(jié)流機構(gòu)(熱力膨脹閥、電子膨脹閥或毛細管)，因此還需要多個單向閥輔助轉(zhuǎn)換制冷劑流向。除小型機組采用單臺壓縮機外，中大型冷熱水機組均用兩臺或多臺壓縮機，每臺壓縮機可配有獨立的空氣側(cè)換熱器，但系統(tǒng)只用一臺水側(cè)換熱器。為了平衡多路換熱盤管的工質(zhì)流量，空氣側(cè)換熱器采用分液器，由多根細銅管連接換熱器的各路換熱盤管。系統(tǒng)除了使用常用的干燥過濾器、電磁閥等輔助件外，還要使用汽液分離器和油分離器?？諝庠礋岜脵C組實例:空氣源熱泵機組實例:空氣源熱泵機組實例:空氣源熱泵機組實例:4.1.2

空氣源熱泵機組的參數(shù)及相關(guān)標準空氣源熱泵機組的額定制熱量和額定制冷量是指機組在標準試驗工況下的數(shù)據(jù)，必須把額定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成運行工況下的數(shù)據(jù)，才能供空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時使用。4.2

空氣源熱泵機組變工況特性返回首頁4.2.1

熱源溫度變化對機組供熱能力的影響4.2.2

熱源溫度變化對機組制冷能力的影響4.2.1

熱源溫度變化對機組供熱能力的影響特性：空氣源熱泵機組的制熱量隨室內(nèi)溫度的增高而減少。這主要是由于室內(nèi)溫度的增高相應(yīng)提高了冷凝溫度，當冷凝溫度提高后的工質(zhì)液體節(jié)流以后其干度增加，液體量的減少必然導(dǎo)致系統(tǒng)從環(huán)境中吸收的汽化潛熱減少，制熱量也就相應(yīng)減少?？諝庠礋岜脵C組的輸入功率隨室內(nèi)溫度的增高而增加。這主要是由于冷凝壓力相應(yīng)提高后壓縮機的壓力比增加，壓縮機對每千克工質(zhì)的耗功增加，導(dǎo)致壓縮機的輸入功率增加。

空氣源熱泵機組的制熱量隨環(huán)境溫度的降低而減少。這主要是由于環(huán)境溫度的降低相應(yīng)降低了蒸發(fā)溫度，當蒸發(fā)溫度降低后的壓縮機吸氣溫度也會下降，吸氣比容增加使得系統(tǒng)的工質(zhì)流量下降，制熱量也就相應(yīng)減少。當環(huán)境溫度降低到0℃左右時，空氣側(cè)換熱器表面結(jié)霜加快，此時蒸發(fā)溫度下降速率增加，機組制熱量下降加劇?？諝庠礋岜脵C組的輸入功率隨環(huán)境溫度的降低而下降。當環(huán)境溫度降低時系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度降低，使壓縮機的制冷劑流量減小，壓縮機的輸入功率也就下降。4.3

空氣源熱泵空調(diào)機組冬季除霜控制4.3.1

結(jié)霜過程及其影響因素4.3.2

除霜過程及其控制方法4.3.3

空氣源熱泵除霜的研究方向返回首頁4.3.1

結(jié)霜過程及其影響因素霜層的形成是一個非常復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞過程，與所經(jīng)歷的時間、霜層形成時的初始狀態(tài)和霜層的各個階段密切相關(guān)。根據(jù)霜層結(jié)構(gòu)不同將霜層形成過程分為霜層晶體形成過程、霜層生長過程和霜層的充分發(fā)展過程三個不同階段換熱器結(jié)霜過程研究表明，影響換熱器上霜層形成速度的因素主要有換熱器結(jié)構(gòu)、結(jié)霜位置、空氣流速、壁面溫度和空氣參數(shù)。在結(jié)霜工況下熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)在惡性循環(huán)中迅速衰減：霜層厚度不斷增加使得霜層熱阻增加，使蒸發(fā)器的換熱量大大減少導(dǎo)致蒸發(fā)溫度下降，蒸發(fā)溫度下降使得結(jié)霜加劇，結(jié)霜加劇又導(dǎo)致霜層熱阻進一步加劇。4.3.2

除霜過程及其控制方法目前，空氣源熱泵機組都采用熱氣沖霜，即通過四通閥切換改變工質(zhì)的流向進入制冷工況，讓壓縮機排出的熱蒸氣直接進入翅片管換熱器以除去翅片表面的霜層。從實際效果來看，往往導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動過大，用戶有明顯的吹冷風感覺。另外，當機組除霜結(jié)束恢復(fù)制熱時，有可能出現(xiàn)啟動困難甚至發(fā)生壓縮機電機燒毀的現(xiàn)象?？諝庠礋岜玫某刂品椒?定時除霜法時間—溫度法模糊智能控制除霜法1.時間—溫度法時間—溫度法是用翅片管換熱器盤管溫度(或蒸發(fā)壓力)、除霜時間以及除霜周期，來控制除霜的開始和結(jié)束。當室外翅片管換熱器表面開始結(jié)霜時，盤管溫度就會不斷下降，壓縮機吸氣溫度以及吸氣壓力也會不斷下降。當盤管溫度(或吸氣壓力)下降到設(shè)定值t1時，綁在盤管上的溫度傳感器將信號輸入時間繼電器開始計時，同時四通換向閥動作，機組進入除霜模式(制冷工況)。室外風機停止轉(zhuǎn)動，壓縮機的高溫排氣進入室外翅片管換熱器，使盤管表面霜層融化，盤管溫度也隨之上升。

當盤管溫度(或排氣壓力)上升到設(shè)定值t2時或除霜執(zhí)行時間達到設(shè)定的最長除霜時間b(min)時除霜結(jié)束，風機啟動，四通換向閥動作，機組恢復(fù)制熱工況。室外翅片管換熱器表面又開始結(jié)霜使得盤管的溫度又會不斷下降，當盤管溫度第二次下降到設(shè)定值t1且超過設(shè)定的除霜周期a(min)時進入第二次除霜模式。2.模糊智能控制法模糊智能控制除霜系統(tǒng)一般是由數(shù)據(jù)采集與AID轉(zhuǎn)換、輸入量?；?、模糊推理、除霜控制、除霜監(jiān)控及控制規(guī)則調(diào)整五個功能模塊組成。通過對除霜過程的相應(yīng)分析，修正除霜的控制規(guī)則，可以使除霜控制自動適應(yīng)空氣源熱泵機組工作環(huán)境的變化，實現(xiàn)智能除霜的目標。4.4

空氣源熱泵系統(tǒng)的平衡點4.4.1熱泵供熱量與建筑物耗熱量的供需矛盾4.4.2最佳平衡點溫度4.4.3輔助加熱4.4.4空氣源熱泵機組的能量調(diào)節(jié)返回首頁4.4.1熱泵供熱量與建筑物耗熱量的供需矛盾返回本節(jié)空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中需要解決的重要問題，就是機組供熱量與建筑物耗熱量的供需矛盾。應(yīng)從三方面著手——經(jīng)濟合理地選擇平衡點溫度，合理選取輔助熱源及其容量，熱泵的能量調(diào)節(jié)方式。4.4.2最佳平衡點溫度以空氣源熱泵系統(tǒng)冬季運行耗能最少為目標確定的平衡點溫度，稱為最佳能量平衡點溫度。如果按此平衡點選擇熱泵機組，就能夠使整個系統(tǒng)獲得最大的供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF，即輸入相應(yīng)的功可獲得最大的季節(jié)供熱量。對于某一具體的建筑物，平衡點溫度取得低，要求配置的熱泵容量就大，則選用的輔助熱源較小，甚至可以不設(shè)輔助加熱器。雖然輔助熱源的初投資和運行費用較低，但這樣熱泵容量過大，機組的初投資較高且運行效率降低，經(jīng)濟上不一定是合理的。

平衡點溫度取得高，所選擇的熱泵機組較小，初投資和運行費用較低，但所必需的輔助熱源較大，輔助熱源的初投資和運行費用較高，亦不利于節(jié)能。返回本節(jié)4.4.3輔助加熱返回本節(jié)輔助加熱源有三種：電加熱燃燒燃料加熱非峰值電力儲存的熱量加熱返回本節(jié)返回本節(jié)4.4.4空氣源熱泵機組的能量調(diào)節(jié)返回本節(jié)熱泵機組的制熱量與建筑物的耗熱量匹配運行對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行至關(guān)緊要。當空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在高于平衡點溫度的條件下運行時，熱泵機組制熱能力大于建筑物的耗熱量，這就要求調(diào)節(jié)機組的制熱能力以減少運行中的能耗。返回本節(jié)調(diào)節(jié)方式:分級能量調(diào)節(jié)與變?nèi)萘咳嵝哉{(diào)節(jié)分級能量調(diào)節(jié)空氣源熱泵機組一般采用多臺封閉式壓縮機，當室內(nèi)負荷減小或機組出水溫度達設(shè)定值后，自動停止部分壓縮機運行，以此實現(xiàn)分級調(diào)節(jié)運行。返回本節(jié)壓縮機的變?nèi)萘咳嵝哉{(diào)節(jié)目前常用的變?nèi)萘繅嚎s機有兩種，即變頻壓縮機和數(shù)碼渦旋壓縮機。4.5空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點返回本節(jié)1.空調(diào)負荷的計算空調(diào)負荷是合理選擇末端空調(diào)設(shè)備和確定熱泵容量的依據(jù)?？照{(diào)負荷計算包括夏季冷負荷計算和冬季熱負荷計算。返回本節(jié)2.空氣源熱泵系統(tǒng)方案選擇熱泵空調(diào)系統(tǒng)型式的選擇目前典型的空氣源熱泵系統(tǒng)有三種類型：風管式空調(diào)系統(tǒng)、冷熱水空調(diào)系統(tǒng)以及多聯(lián)機（VRV）空調(diào)系統(tǒng)。返回本節(jié)風管式空調(diào)系統(tǒng):由室外機、配管、室內(nèi)機和室內(nèi)風管、風口、閥門、控制器等組成。室內(nèi)機采用帶機外余壓的風機強制循環(huán)通風，將制冷(熱)量送至各空調(diào)區(qū)域，屬于全空氣空調(diào)系統(tǒng)。風管式空調(diào)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)能力較差返回本節(jié)冷熱水空調(diào)系統(tǒng):一般由四部分組成：主機部分、水系統(tǒng)部分、末端部分、配電及控制部分。返回本節(jié)多聯(lián)機（VRV）空調(diào)系統(tǒng):一般由四部分組成：主機部分、水系統(tǒng)部分、末端部分、配電及控制部分。返回本節(jié)返回本節(jié)熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較經(jīng)濟性評價指標大致可以分為以下四種：價值指標，效益—費用（B—C），反映項目效益的價值量。效率型指標，效益/費用（B/C），反映單位費用效益。返回本節(jié)靜態(tài)評價指標，計算簡單，適用于數(shù)據(jù)不完備和精度要求較低的短期投資項目。動態(tài)評價指標，計算復(fù)雜，適用于項目最后決策前的詳細可行性研究。返回本節(jié)經(jīng)濟性評價指標確定之后，采用合理的經(jīng)濟性分析方法就可以對方案作出正確的經(jīng)濟性評價。經(jīng)濟性分析方法有很多種，如凈現(xiàn)值法、投資現(xiàn)值率法、投資回收期法、綜合能源價格現(xiàn)值法、費用現(xiàn)值法（PC）以及費用年值法（AC）等等。返回本節(jié)對于用戶來說，空氣源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性主要應(yīng)考慮初投資費用和年運行費用這兩部分。返回本節(jié)初投資費用:電力增容費和輸配電材料費；熱泵主機，輔助加熱器的設(shè)備費；水泵，閥門，管材，保溫材料，風機，送、回風管及保溫，風機盤管，新風機組，空調(diào)箱，混合箱，散熱器，送、回風口，分水器和消聲器等購置費用；末端裝置控制設(shè)備，溫控設(shè)備，防火閥，溫、濕度傳感器及水量、風量自動調(diào)節(jié)設(shè)備等購置費用；由于空調(diào)系統(tǒng)布置后，對建筑物層高要求的變化而引起的投資費用；設(shè)備安裝費用。返回本節(jié)年運行費用:更換潤滑油、過濾器、水處理的費用；日常維修和人工費；補充制冷劑的費用；設(shè)備折舊費。返回本節(jié)3.設(shè)備容量確定空調(diào)末端設(shè)備容量室外主機容量返回本節(jié)4.水系統(tǒng)設(shè)計水系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性管路設(shè)計管路的水力計算返回本節(jié)5.新風處理返回本節(jié)6.設(shè)備的布置設(shè)計返回本節(jié)武漢圖書館空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計1.工程概況武漢圖書館新館位于漢口建設(shè)大道861號，新館地下一層，為地下汽車庫、木工房(人防)與設(shè)備用房；地上14層，其中1～5層為裙房，設(shè)外借書庫、各類閱覽室、自學(xué)室、視聽室，6～10層為書庫，11～13層為辦公室，14層為設(shè)備用房；建筑總高51.6m，總建筑面積32975m2，設(shè)計藏書350萬冊?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)工程實例返回本節(jié)返回本節(jié)2.設(shè)計參數(shù)（1）室內(nèi)設(shè)計參數(shù)返回本節(jié)（2）空調(diào)冷熱負荷夏季空調(diào)計算總冷負荷為3344kW，冷指標101W/m2(建筑面積)；冬季空調(diào)計算總熱負荷為2733kW，熱指標為83W/m2(建筑面積)。返回本節(jié)3.空調(diào)冷熱源采用活塞式風冷熱泵冷熱水機組四臺,共有兩種機型，較大的機型單機制冷量為973.2kW,制熱量為1056.8kW，共3臺；另一臺制冷量為747kW，制熱量為812.3kW。四臺主機均安裝于主樓大屋面上；空調(diào)循環(huán)水泵放在14層空調(diào)水泵房內(nèi)；空調(diào)主機與循環(huán)水泵安裝在同一標高層面上。返回本節(jié)返回本節(jié)返回本節(jié)4.空調(diào)系統(tǒng)（1）空調(diào)水系統(tǒng)空調(diào)水系統(tǒng)分為三個環(huán)路：①左裙房；②右裙房；③主樓(4～13層)。空調(diào)供回水立管為為雙管同程式，因裙房面積較大，裙房部分的各層總支管為異程式。系統(tǒng)采用落地式定壓罐定壓，設(shè)定壓力為0.2MPa。返回本節(jié)（2）空調(diào)風系統(tǒng)新館共設(shè)全空氣空調(diào)系統(tǒng)44個，單個系統(tǒng)風量從8000m3/h～40000m3/h不等，并以風量為20000m3/h的組合式空調(diào)機組和8000～10000m3/h的柜(吊)式空調(diào)機組居多，分別有17個和22個。所有空調(diào)機組的出風管與進風管處都設(shè)消聲靜壓箱，單箱消聲量為8～10個分貝。返回本節(jié)5.恒溫恒濕系統(tǒng)（1）古籍書庫五層及六層各有古籍書庫一個，面積分別為210m2和398m2。五層設(shè)恒溫恒溫機組HF-38一臺，冷量為38kW、熱量為24kW、風量為9000m3/h、最大加濕量為8Kg/h；六層設(shè)恒溫恒溫機組HF-52一臺，冷量為52kW、熱量為28kW、風量為12000m3/h、最大加濕量為8kg/h。各古籍書庫同時分設(shè)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，作為空調(diào)系統(tǒng)的備用系統(tǒng)。返回本節(jié)（2）計算中心新