對某工程中空氣源熱泵機組的設計分析

成才林

（齊魯工業大學山東省科學院，山東 濟南250353）

本建筑物位于濟南地區，建成于2004 年，層高3.75 米，平面布置主要是128 人教室。在中央空調設計的過程中，首先是計算空調負荷的大小，根據現行空調設計規范，利用冷負荷系數法進行逐時冷負荷計算，利用穩態傳熱法進行熱負荷計算。本文就此展開確定空氣源熱泵機組方案的過程討論。

1 設計計算參數及建筑物圍護結構熱工性能

1.1 室內設計參數

根據（GB50736-2012）《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》表3.0.2 室內空氣設計參數的規定，教室溫度冬季取tn=22℃，夏季取tn=26℃。

1.2 室外計算參數

冬季空氣調節室外計算溫度[1]：-7.7℃，夏季空氣調節室外計算干球溫度34.7℃。

1.3 圍護結構熱工計算

外墻設計做法：黏土空心磚做鋼筋混凝土框架結構填充墻，墻厚δ=0.24m，其導熱系數查熱工設計規范[2]λ=0.44（W/m.K），則熱阻R1=δ/λ 計算結果為0.24/0.44=0.545（m2.K/W）。磚墻內外共抹0.04m 厚。

水泥砂漿找平層，內外墻刷涂料，水泥砂漿導熱系數λ=0.93（W/m.K），熱阻R2=0.04/0.93=0.043（m2.K/W）。查熱工設計規范[2]知內表面換熱阻Ri=0.11（m2.K/W），外表面換熱阻Re=0.05 （m2.K/W）， 則 墻 體 傳 熱 阻 R0=Ri+R1+R2+Re=0.11+0.545+0.043+0.05=0.748 （m2.K/W），Rmin，w=Ri（tn-tw）/ △tw-（Ri-Re）=0.11（22+7.7）/6-（0.11-0.05）=0.485（m2.K/W）＜0.748（m2.K/W），滿足不結露條件（允許溫差△tw，外墻取6℃）。外墻體傳熱系Kq=1/0.748=1.337（W/m2.K）。屋面傳熱系數計算結果為Kw=0.547（W/m2.K）；玻璃厚度6mm 鋁合金窗的整窗傳熱系數查表Kc=6.5（W/m2.K）[2]。

表1 北外墻逐時冷負荷計算結果CLWq=KF（twlq-tn），tn=26℃（下同），KF=39.27（W/K）

表2 西外墻逐時冷負荷計算結果CLWq=KF（twlq-tn），KF=45.12（W/K）

表3 屋面逐時冷負荷計算結果CLWm=KF（twlm-tn），KF=73.85（W/K）

表4 外窗（北）傳熱逐時冷負荷計算結果CLWc=KF（twlc-tn），KF=180.2（W/K）

2 負荷計算方法

空調設計規范規定，施工圖設計階段應對空調區的夏季逐時冷負荷、冬季熱負荷進行計算[1]。

2.1 夏季空調冷負荷的計算

為了說明問題，取樓頂西曬教室進行計算，房間（外墻）長15 米，寬9 米，層高3.75 米，位置西北角，北墻4 個鋁合金窗寬3.3 米，高2.1 米，玻璃厚度6mm。查空調設計規范附表H.0.1-5，外墻類型近似按6 類；查表H.0.1-6，屋面近似按1 類。

2.1.1 計算內容主要包括：通過圍護結構的傳熱、通過玻璃窗的太陽輻射得熱、室內人員散熱形成的冷負荷等（無新風負荷），各項逐時計算、逐項累加，按逐時分項累加的最大值確定。照明、設備等其它散熱引起的冷負荷在此項目中占比很小忽略不計。

2.1.2 圍護結構傳熱計算：圍護結構包括外墻面、屋面、門窗等，采用簡化計算方法時，通過外墻面傳入的逐時冷負荷的計算公式是CLWq=K×F×（twlq-tn），式中CLWq表示外墻傳熱形成的逐時冷負荷，K 表示外墻的傳熱系數，F 表示外墻的傳熱面積，twlq表示外墻的逐時冷負荷計算溫度，可從空調設計規范附錄H表中查到。本項目中K=Kq=1.337（W/m2.K），北外墻面積Fq=15×3.75-3.2×2.1×4=29.37m2，西外墻面積Fq=9×3.75=33.75m2，屋面面積Fm=15×9=135m2，北墻鋁合金窗面積F=3.3×2.1×4 個=27.72m2，玻璃凈面積按窗面積的85%計算得Fc=27.72×0.85=23.56m2。空調開啟時段7：30-21:00，因篇幅只展示11：00-20:00 的局部時間段的計算結果，如表1～4。

2.1.3 透過玻璃窗進入的太陽輻射得熱形成的逐時冷負荷，計算公式CLC=CclCCzDJmaxFc，其中Cz=CwCnCs=0.89×0.6×0.85[3]=0.45，DJmax=145（W/m2）[1]，Fc=23.56m2。結果如表5 所示。

2.1.4 人體散熱形成的逐時冷負荷計算包括，人體顯熱冷負荷與人體潛熱冷負荷[4]。φ=0.96[3]，人數n=128，Qrt顯=67[5]，Qrt潛=41。其中人體潛熱冷負荷CLrt=nQrt潛=5038W。（表6）

2.1.5 各項冷負荷匯總

由表7 可知，最大冷負荷值為17377W，出現在下午17:00點。

2.2 空調熱負荷計算

本項目采暖負荷不涉及新風，采用穩態算法計算。通過計算整樓結果為1216.6KW。

表5 外窗（北）輻射逐時冷負荷計算結果

表6 人體（顯熱）散熱逐時冷負荷計算結果CLrt=CclrtφnQrt 顯

表7 各項逐時冷負荷匯總結果（W）

3 設計方案

3.1 冷熱源方案確定

由于該建筑物處于夏熱冬冷地區，滿足夏季制冷冬季供熱的熱泵機組就成為首選，對于這種后加的中央空調系統，采用空氣源熱泵機組非常合適。它可以放置在樓頂，不占用空間，施工方便，對原有建筑的影響很小。根據制冷負荷、制熱負荷的大小，在決定機組容量時以較大的負荷為依據，校核較小的一方負荷。

3.2 機組的選型

機組選型的主要參數包括熱泵機組的制冷量、制熱量、COP值等。經房間計算、樓層匯總，本建筑物總的空調夏季冷負荷為1760.5KW，冬季熱負荷為1216.6KW。據此選用的某模塊式機組的型號為YCAE130DRME50，其制冷量為138KW，則模塊機組的數量，為1760.5/138 即12.8 臺，取14 臺。每臺模塊機組制熱量為101KW（工況：室外環境干球溫度-12℃），總的制熱量為101×14=1414KW，融霜修正系數取0.9 進行修正。機組設計工況下的制熱量為1272.6KW（1414×0.9）＞1216.6KW，故機組選型滿足。本型機組COP=3.1，大于設計規范要求的2.0[1]。

4 結論

夏熱冬冷地區，空氣源熱泵的全年能效比較好，尤其隨著制造技術的不斷提高，對環境溫度的適應越來越寬廣，超低溫空氣源熱泵也不斷面世，在節能環保的同時為人們創造了舒適的工作生活學習環境。