淺談空氣—水熱泵空調機組的選型

(唐山三友化工股份有限公司設計公司，河北 唐山 063305)

1 空氣—水熱泵空調機組工作原理

空氣—水熱泵空調機組是基于壓縮式制冷循環，利用冷媒作為載體，從室外空氣中吸取或排放熱量，以達到制冷或制熱需求的空調機組。夏季機組空氣側換熱器(此時作冷凝器)向外排放熱量，用于水側換熱器(此時作蒸發器)制備冷凍水，然后將制備的冷凍水輸送至末端制冷設備；冬季則利用室外空氣為熱源，依靠空氣側換熱器(此時作蒸發器)吸取室外空氣中的熱量，用于水側換熱器(此時作冷凝器)制備熱水，然后將制備的熱水輸送至用末端采暖設備。通過切換四通換向閥來改變制冷劑在制冷環路的流動方向，以實現夏、冬季工況的切換。

2 空氣—水熱泵空調機組優缺點

2.1 空氣—水熱泵空調機組優點

隨著技術的進步和其優勢的逐漸突顯，空氣—水熱泵空調機組的使用范圍逐漸由我國的夏熱冬冷地區擴展到了寒冷地區，其主要優點如下：

1)利用空氣作為低位熱源，取之不盡，用之不竭；

2)一機兩用，夏季供冷，冬季供熱，冷熱源兼用；

3)夏季省去了冷卻塔和冷卻水系統，冬季省去鍋爐房；

4)露天安放，不占有效建筑面積；

5)機組有安全保護，運行可靠，管理方便。

2.2 空氣—水熱泵空調機組缺點

雖然空氣—水熱泵空調機組存在很多優點但是還是存在一些不足：

1)機組常年在室外暴露，運行環境差從而影響其使用壽命；

2)機組的噪聲及震動相對水冷機組大；

3)機組的制冷、制熱性能隨室外氣候變化明顯；

4)換熱空氣熱容小導致換熱器的體積增大，風機的風量也隨之增大；

5)冬季室外溫度較低時容易結霜導致機組制熱能力下降。

3 空氣—水熱泵空調機組的選型計算

3.1 空氣—水熱泵空調機組的選型計算方法

空氣—水熱泵空調機組作為空調冷熱源，擔負著一機兩用的角色，夏季作為冷源，冬季作為熱源，所以在選型時就要同時考慮其制冷和制熱的性能[1]。既要滿足夏季制冷房間的冷負荷，又要滿足冬季采暖房間的熱負荷。目前有3種方案：

1)根據夏季冷負荷來選擇空氣—水熱泵空調機組，對冬季熱負荷進行校核計算；

2)根據冬季熱負荷來選擇空氣—水熱泵空調機組，對夏季冷負荷進行校核計算；

3)采用比負荷系數法選擇空氣源熱泵機組[2]。

筆者通過具體工程實例對空氣-水熱泵空調機組的選型計算的第二種方法進行簡單的闡述。

3.2 工程實例分析

3.2.1 工程概況

以某企業職工俱樂部為例，該俱樂部擬新加空調系統，夏季制冷，冬季制熱。由于多種條件限制，經多種方案對比最后選擇空氣—水熱泵空調機組作為冷熱源。

經計算其夏季冷負荷為：492.65 kW，冬季熱負荷為：545.71 kW。由于該建筑物的使用特點及甲方特殊要求，因此建筑的冬季負荷略大于夏季負荷。由于冬季負荷略大于夏季且空氣-水熱泵空調機組選型時冬季需要進行多種修正，故在設計選型時考慮采用第二種方法進行選型計算。

3.2.2 選型計算

以某生產熱泵廠家樣本為例，首先確定熱泵機組的名義制冷量的工況為：環境溫度為35 ℃，出水溫度為7 ℃，冬季的名義制熱量的工況為：環境空氣干球溫度為7 ℃，濕球溫度為6 ℃，出水溫度為45 ℃。在機組的實際使用中，當工況改變時，機組的制冷量、制熱量及相應的功耗將隨環境溫度和出水溫度的變化而變化，因此在選型時需要對機組的名義工況的參數進行修正。當根據冬季熱負荷選型時，由于機組使用時與其標準工況下的名義制熱量不同，所以需要對其制熱量進行修正：

1)首先需要考慮使用地區的室外空調計算干球溫度修正，一般按產品樣本選取；一般廠家樣本都會給出不同溫度下的制熱量，本工程中選取的樣本單臺機組在室外計算干球溫度為-10 ℃，出水溫度為45 ℃下的制熱量為104.2 kW；

2)由于環境溫度在降至0 ℃以下時，空氣側換熱器表面結霜加速，蒸發溫度下降速率增加，機組制熱量下降加速[3]，因此在考慮了使用地區的室外空調計算干球溫度修正后還需要考慮機組融霜所引起的制熱量損失。一般情況下每小時融霜一次取0.9，兩次取0.8。融霜次數的選取也可根據機組的融霜控制方式、冬季室外計算溫度、濕度選取。本工程中取每小時融霜一次，因此對機組的制熱量進行二次修正：104.2×0.9=93.78 kW。

3)由于室外空氣相對濕度的不同，熱泵的選型計算時亦需考慮機組供熱量隨室外相對濕度不同時而引起的變化，因此，在熱泵的選型時除了上述兩項修正外，還需考慮這一修正，此項修正也是設計選型時最容易忽視的修正。本工程中根據使用地區的室外空氣相對濕度選取的修正系數為0.74，故在考慮此項修正后單臺機組在本項目所在地的實際制熱量應為：93.78×0.74=69.40 kW。

在考慮了以上三種修正后得到了該熱泵機組在實際使用時的制熱量為69.40 kW/臺，在根據建筑冬季熱負荷545.71 kW，可得出共需該機組：545.71÷69.40=7.86臺，取整后則該建筑在冬季時共需要8臺該型號的熱泵機組。在根據冬季熱負荷選擇機組后需對夏季負荷進行校核，因為機組夏季時僅受室外環境溫度的影響，則只需對機組進行一項修正。根據該機組樣本提供的參數，夏季時在出水溫度為7 ℃，室外環境為30 ℃時該機組的制冷量為：138.8 kW/臺，則根據建筑夏季負荷及單臺機組的制冷量可得出夏季需要機組的數量為：492.65÷138.8=3.55臺，取整后則該建筑在夏季時共需要4臺該型號的熱泵機組。

綜上，根據建筑冬季熱負荷選型時需要8臺機組，再根據夏季冷負荷校核需要4臺機組，則需要選擇8臺機組，冬季8臺機組全開，夏季開4臺機組。

4 結 論

通過上述工程實例對空氣-水熱泵空調機組的選型計算筆者認為在選用空氣—水熱泵空調機組作為冷熱源時，一般情況下機組在冬季使用時需要考慮以下三個修正：

1)使用地區室外空調計算干球溫度修正；

2)機組冬季融霜修正；

3)使用地區室外空氣相對濕度修正。

在考慮上述修正后，機組的衰減一般較大，因此筆者認為在綜合考慮了空調系統的冷、熱負荷后，如果相差較小的話可根據冬季熱負荷來選擇空氣—水熱泵空調機組，對夏季冷負荷進行校核計算的方法進行空氣—水熱泵空調機組的選型計算。

[1] 姜益強，姚楊，鄧仕明，馬最良.空氣源熱泵冷水機組的選擇[J].暖通空調，2003.33(6)

[2] 般民.比負荷系數法—選用風冷熱泵機組的新方法[C].全國暖通空調制冷1998年學術年會文集，1998

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008