空氣源熱泵機(jī)組性能分析

空氣源熱泵機(jī)組性能分析

空氣源熱泵冷熱水機(jī)組是由制冷壓縮機(jī)、空氣/制冷劑換熱器、水/制冷劑換熱器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、四通換向閥等設(shè)備與附件及控制系統(tǒng)等組成可制備冷、熱水設(shè)備。按機(jī)組容量大小分，又分為別墅式小型機(jī)組（制冷量10.6~52.8Kw），中、大型機(jī)組（制冷量70.3~1406.8kW）。其主要優(yōu)點如下：

（1） 用空氣作為低位熱源，取之不盡，用之不竭，到處都有，可以無償獲??；

（2） 空調(diào)系統(tǒng)冷源與熱源合二為一；夏季提供7℃冷凍水，冬季提供45~50℃熱水，一機(jī)兩用；

（3） 空調(diào)水系統(tǒng)中省去冷卻水系統(tǒng)；

（4） 無需另設(shè)鍋爐房或熱力站；

（5） 要求盡可能將空氣源熱泵冷水機(jī)組布置室外，如布置裙房樓頂上、陽臺上等，這樣可以不占用建筑屋有效面積；

（6） 安裝簡單，運行管理方便

（7） 不污染使用場所空氣，有利于環(huán)保；

一 ：空氣源熱泵機(jī)組種類和發(fā)展

1.1 分類

1.從熱輸配對象分為：空氣/水-空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，空氣/空氣-空氣源熱泵冷熱水機(jī)組；

2.從容量分為：小型（7kW以下），中型，大型（>70kW）;

3.從壓縮機(jī)型式分為：渦旋式、轉(zhuǎn)子式，活塞式，螺桿式，離心式；

4.從功能分為：一般功能空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，熱回收型空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，冰蓄冷型空氣源熱泵冷熱水機(jī)組；

5.從驅(qū)動方式分為：燃?xì)庵苯域?qū)動和電力驅(qū)動。

1.2 發(fā)展

80年代中期以前空氣源熱泵冷水機(jī)組大多采用半封閉往復(fù)式多機(jī)頭壓縮機(jī)。調(diào)節(jié)靈活和壓縮機(jī)性能及換熱器性能改善，機(jī)組性能不斷提高。但80年代中期以后，螺桿式壓縮機(jī)技術(shù)進(jìn)步很快。它比壓縮式零部件少（為活塞式十分之一），結(jié)構(gòu)簡單，無進(jìn)排氣閥，噪聲低，可無級調(diào)節(jié)，壓縮比大而對容積效率影響不大，故特別適用于氣候偏寒區(qū)空氣源熱泵和采用冰蓄冷裝置?？諝庠礋岜美錈崴畽C(jī)組采用螺桿式壓縮機(jī)越來越廣泛，目前螺桿式壓縮機(jī)大多采用R-22為冷媒，可延續(xù)到2030年才會被禁用。其價格比起其它代替冷媒要便宜多。目前使用R-22螺桿式壓縮機(jī)制冷量范圍為：140~3600kW。

二：空氣源熱泵機(jī)組性能系數(shù)cop

2.1 全負(fù)荷時cop

某一工況下，熱泵出力于熱泵入力（功耗）之比為性能系數(shù)cop,它是評價熱泵裝置重要指標(biāo)。分析，何種主機(jī)，出水溫度對cop影響，冬季（共熱）比夏季(供冷)大多。

2.2 部分負(fù)荷時cop

估量空氣熱源熱泵機(jī)組全年運行經(jīng)濟(jì)時，必須了解各機(jī)種部分負(fù)荷性能。部分負(fù)荷特性Ф是指制冷機(jī)運行負(fù)荷率q(%)與耗功率N(%)之比。夏季，它同樣受室外溫度影響（t出口一定）或出水溫度影響（t室外一定），而部分負(fù)荷性能系數(shù)cop’=Фcop全。具體情況，部分負(fù)荷時cop’有可能大于滿負(fù)荷時cop，這是壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)（卸缸或調(diào)速等）而冷凝器、蒸發(fā)器傳熱面積和風(fēng)量等未能調(diào)整而改善了工況，才使機(jī)組部分負(fù)荷性能提高。

三：空氣源熱泵機(jī)組能耗分析

3.1 供暖季節(jié)能耗分析

1.平衡溫度點對空氣源熱泵機(jī)組制熱季節(jié)性能系數(shù)影響

選定空氣源熱泵機(jī)組，當(dāng)建筑物熱負(fù)荷較大時，平衡溫度點將增高，使整個供暖季輔助加熱量增加，導(dǎo)致制熱季節(jié)性能系數(shù)降低；當(dāng)建筑物熱負(fù)荷較小時，平衡溫度點將降低，導(dǎo)致整個供暖季輔助加熱量減小。同時，負(fù)荷減小，機(jī)組有更多時間處于部分負(fù)荷下運行。，制熱季節(jié)性能系數(shù)先是增大，然后會有所降低。且相同平衡點溫度下，各區(qū)使用熱泵機(jī)組具有不同制熱季節(jié)性能系數(shù)值。

2.運行方式對空氣源熱泵機(jī)組制熱季節(jié)性能系數(shù)影響

一班制時，熱泵機(jī)組都白天運行，而白天時室外氣溫要高于夜間，這使整個供暖季，一班制運行熱泵機(jī)組制熱季節(jié)性能系數(shù)要高于三班制運行機(jī)組。

作為一種節(jié)能技術(shù)，要評價空氣源熱泵節(jié)能效應(yīng)，就必須用到一次能利用率E概念，一次能利用率這里指是熱泵機(jī)組制熱量與一次能耗比值?？諝庠礋岜脵C(jī)組一次能利用率提高，有待于進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，提高空氣源熱泵制熱季節(jié)性能系數(shù)；另則取決于我國平均發(fā)配電效率提高。

3.2 供冷季節(jié)能耗分析

空氣源熱泵供冷季節(jié)能耗分析采用負(fù)荷頻率表法。負(fù)荷頻率表法是建立空調(diào)負(fù)荷與室內(nèi)外溫差大致成比例這一基礎(chǔ)上。該方法室外空氣干球溫度出現(xiàn)年頻率數(shù)（用于全年運行空調(diào)系統(tǒng)）或季節(jié)頻率數(shù)（用于季節(jié)性空調(diào)系統(tǒng)）和空調(diào)系統(tǒng)全年或季節(jié)運行工況計算出不同室外空氣狀態(tài)下加熱量和冷卻量。計算出冷（熱）負(fù)荷后，再冷（熱）源機(jī)組變工況性能表查出相應(yīng)工況下供冷（熱）季節(jié)小時頻率值相乘，然后累加，計算出冷（熱）源設(shè)備耗能量。

分析，發(fā)現(xiàn)供冷季節(jié)性能系數(shù)與本區(qū)氣候條件是相一致，供冷季節(jié)氣候越炎熱，室外空氣溫度越高，空氣源熱泵供冷季性能系數(shù)將越低。

四：空氣源熱泵機(jī)組與水冷式冷水機(jī)組比較

4.1 占面積

單就風(fēng)冷式制冷機(jī)外形尺寸而言，要比水冷式制冷機(jī)組尺寸大，但水冷式制冷機(jī)需設(shè)置冷卻塔和冷卻水泵，水冷機(jī)綜合尺寸較風(fēng)冷機(jī)要大很多。另外，風(fēng)冷式制冷機(jī)一般置于高層建筑裙樓屋頂或多層建筑屋頂，其外形尺寸同水冷式制冷機(jī)屋頂設(shè)置冷卻塔占面積相當(dāng)，這樣就節(jié)省了建筑物內(nèi)因設(shè)置了制冷機(jī)房而多占用面積。這寸土寸金大城市中尤顯優(yōu)勢。

4.2 系統(tǒng)簡單

風(fēng)冷式制冷機(jī)因沒有冷卻水系統(tǒng)，使制冷系統(tǒng)變簡單化，即省去了冷卻塔、冷卻水泵和管路施工安裝工作量，也減小了冷卻水系統(tǒng)運行日常維護(hù)、保養(yǎng)工作量與維修費用。

4.3 對建筑物美觀影響

目前大部分建筑物水冷式制冷機(jī)組，均采用冷卻塔循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。冷卻塔安裝大樓屋面，既影響建筑外觀，又與優(yōu)雅環(huán)境不協(xié)調(diào)。使用冷卻塔常常會遭到審美觀念較強(qiáng)建筑師反對。而風(fēng)冷式制冷機(jī)外形方正，高度一般不會超過3m，比冷卻塔要低一半左右，對建筑物外觀影響相對較小。風(fēng)冷機(jī)還可防止某些冷卻塔因瓢水而形成“晴天下小雨”給人們帶來不便。

4.4 水阻力

風(fēng)冷機(jī)組水系統(tǒng)另一特點是，風(fēng)冷機(jī)水側(cè)阻力通常為30~50kPa，遠(yuǎn)比一般水冷機(jī)水側(cè)阻力80~100kPa要小。

4.5 節(jié)水方面

空調(diào)工程上冷卻塔運行中所蒸發(fā)與風(fēng)耗水量較大，無法回收。例如：深圳經(jīng)協(xié)大廈，空調(diào)冷卻水補水量是整個大廈中日常生活用水一倍。而風(fēng)冷機(jī)卻無須消耗冷卻水。

4.6 部分負(fù)荷時能耗問題

美國特靈(TRANE)公司曾做過水冷離心式冷水機(jī)組和風(fēng)冷離心式冷水機(jī)組全負(fù)荷和部分負(fù)荷耗電量比較：其數(shù)據(jù)見表1

從表中數(shù)據(jù)可見，全負(fù)荷時，風(fēng)冷式冷水機(jī)組冷凝溫度高于水冷式機(jī)組，故風(fēng)冷機(jī)壓縮機(jī)需要較大功率，風(fēng)冷式冷水機(jī)組耗電量確比水冷機(jī)要大，大約大15%左右。但2/3負(fù)荷時兩者基本持平，且風(fēng)冷機(jī)耗電量還略低。而1/3負(fù)荷時，風(fēng)冷機(jī)耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水冷機(jī)，大約低30%左右。但空調(diào)負(fù)荷整個夏季分布是極不平衡，一天之內(nèi)各時段負(fù)荷也差別很大，故機(jī)組最大負(fù)荷下運行時間是極其有限，即制冷機(jī)大都處于部分負(fù)荷下運轉(zhuǎn)，使用風(fēng)冷機(jī)能耗不比水冷機(jī)能耗大。

4.7 風(fēng)冷機(jī)與冷水機(jī)綜合費用比較

制冷機(jī)綜合費用，包括一次性投資費用和運行維護(hù)費用，就一次性投資費用而言，風(fēng)冷機(jī)要比水冷機(jī)花錢多，水冷機(jī)造價加上冷卻塔、冷卻水泵、管道和水處理等費用，水冷機(jī)一次性投資費用并不比風(fēng)冷機(jī)少太多，冷卻水系統(tǒng)中冷卻塔、水管路和水泵等設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費、水處理費、冷凝器清洗費等均較風(fēng)冷機(jī)組高。冷水機(jī)組年運行時間越長，對風(fēng)冷式制冷機(jī)組越有利，風(fēng)冷機(jī)與水冷機(jī)組相比較，其處投資回收期短。，南方區(qū)用于空調(diào)冷水機(jī)組更適合采用風(fēng)冷式制冷機(jī)組。從冷卻條件來看，南方區(qū)夏季室外濕球溫度較高，也對水冷式制冷機(jī)組不利。

五：空氣源熱泵機(jī)組應(yīng)用與展望

此借鑒一些國外做法：

1、供熱負(fù)荷遠(yuǎn)小于供冷負(fù)荷區(qū)，可以對與供熱負(fù)荷相應(yīng)冷量部分用熱泵提供熱量（冬）和冷量（夏），而其余冷量由cop較高制冷設(shè)備（如離心式）來解決。這樣夏季電耗可以節(jié)省。

2、采用蓄熱方法，冬季以中午熱泵出力有余，可將該熱量積蓄蓄熱槽里，到晨、晚不足時使用，這種蓄熱方法可以水蓄熱系統(tǒng)中應(yīng)用，也可以空氣源熱泵冰蓄熱裝置中實現(xiàn)。

3、采用熱回收式熱泵，即熱泵循環(huán)中增設(shè)一冷媒/水換熱器，夏季回收部分冷凝器排熱量，冬季可回收空調(diào)區(qū)內(nèi)熱量補充采熱蒸發(fā)器不足，即冬季時是空氣熱源，同時又利用了內(nèi)區(qū)水熱源。最近國外推出一種與夏季冰蓄冷相結(jié)合空氣源熱泵裝置，全年可實現(xiàn)八種運行工況，冬季則可一天內(nèi)氣候變化規(guī)律完成熱泵供熱功能，彌補了過去熱泵出力與建筑能耗有相反趨向不足。

4、當(dāng)有條件多能源供冷供熱時，可合理組織供能模式，例如：當(dāng)高層建筑物標(biāo)準(zhǔn)層為辦公樓而下部裙房為綜合用途者，則高層部分可用空氣源熱泵裝置（有條件時考慮儲冰），低層部分可采用燃?xì)馕帐较到y(tǒng)。當(dāng)電動制冷設(shè)備與燃?xì)馕帐铰?lián)合供能時，則可按夏季優(yōu)先用燃?xì)狻⒍緝?yōu)先用電力來協(xié)調(diào)供能。

5、當(dāng)利用燃?xì)庾髂茉磿r，可試行熱力原動機(jī)（燃?xì)鈾C(jī)）直接帶動空氣源熱泵，它利用了空氣熱源，還從原動機(jī)排熱中回收大量熱量，其能量利用系數(shù)可達(dá)1.5左右。國外已有容量達(dá)240kW整體式機(jī)組。