風冷模塊機組設計要點分析

史向鵬，薛彩芹，楊楓光，耿幼明

1.中國中輕國際工程有限公司，北京，100026；2.中規院（北京）規劃設計有限公司，北京，100044

0 引言

風冷熱泵是一種與空氣換熱的電驅動供冷供暖設備，因其布置靈活、安裝維護簡便，被廣泛應用于中小型項目中。受室外空氣環境限制，在冬季室外溫度低、濕度高的環境中，風冷熱泵的制熱效果會受到較大影響，目前主要應用于夏熱冬冷地區[1-3]。隨著技術的不斷革新，風冷熱泵廠家陸續推出了低溫工況風冷熱泵設備，以滿足寒冷地區甚至嚴寒地區冬季的供熱需求。其中空氣源熱泵模塊式機組（下稱風冷模塊機組）應用最為廣泛。本文通過分析風冷模塊機組融霜工況對制熱量的影響、輔助熱源的設置與否以及設備布置位置的影響因素，總結風冷模塊機組的設計要點，希望能對以風冷模塊機組作為冷熱源的設計方案提供理論支持。

1 融霜工況的影響

融霜是風冷模塊機組在冬季供暖中的重要環節，是影響設備冬季供熱穩定性的重要因素。風冷模塊機組室外換熱器在不同地域，不同環境下結霜量、結霜速率有顯著差別，其結霜溫度通常在-15℃~11.5℃，相對濕度在30%~100%之間。全國主要城市中，夏熱冬冷地區的結霜問題較為突出，如重慶、貴陽等地；北方寒冷地區因氣候相對干燥結霜問題較輕，如北京、石家莊等地[4]。針對不同的城市，風冷模塊機組的設計工況制熱量需根據室外干球溫度及融霜工況進行修正。其設計工況制熱量可采用下式計算：

式中，Q為設計工況制熱量，kW；q為標準工況制熱量（室外干球溫度7℃，濕球溫度6℃），kW；K1為室外空調計算干球溫度修正系數；K2為機組融霜修正系數，通常為0.8~0.9，每小時融霜一次取0.9，兩次取0.8；室外空調干球計算溫度修正系數及融霜次數可咨詢設備廠家。

在選取設備時，需采用修正后的制熱量進行設備選型，選用熱泵的融霜時間總和應不超過運行時間的20%。除此之外，需校核設備在冬季設計工況時機組的性能系數，其中冷熱風機組不應小于1.8，冷熱水機組不應小于2.0，否則選用風冷模塊機組進行冬季供熱就是不經濟的[5]。

2 輔助熱源的設置

冬季隨著室外溫度的降低，室內耗熱量會增大。當選用風冷模塊機組作為冬季熱源時，其制熱量會隨著室外溫度的降低而減小，在室外達到某一溫度時，風冷模塊機組的供熱量恰好等于建筑總耗熱量，這個溫度被定義為平衡點溫度。當室外設計溫度低于平衡點溫度時，需設置輔助熱源。因平衡溫度取決于建筑總耗熱量和風冷模塊機組的供熱量，其中風冷模塊機組在不同工況下的制熱性能可由廠家配合提供數據，進而擬合出風冷模塊機組的供熱特性曲線。故下面主要就建筑物總耗熱量進行分析：

以民用建筑為例，建筑物冬季耗熱量主要包含：（1）圍護結構的耗熱量；（2）加熱室外進入室內的冷空氣耗熱量；（3）通風耗熱量；（4）其他途徑散失或獲得的熱量。其中圍護結構耗熱量與加熱室外空氣的耗熱量為建筑耗熱量的主要組成部分，故建筑物總耗熱量Q耗可簡化為：

式中，Q耗為建筑物總耗熱量，kW；Q圍為圍護結構耗熱量，kW；Q空為加熱室外空氣的耗熱量，kW。

式中，Q基本為各圍護結構的基本耗熱量，kW，β1為朝向、風力、兩面、窗墻比及外門的總修正系數和；β2為高度修正系數。

式中：α為溫差修正系數；F為該面圍護物的面積，m2；K為圍護物的傳熱系數，W/（m2·K）；Tn為室內計算溫度，℃；Tw為冬季空調室外計算溫度，℃。

根據公式（3）（4），當建筑物圍護結構及使用功能確定后，建筑物圍護結構的耗熱量Q圍只與冬季空調室外計算溫度Tw相關，且為一次函數關系。

對于空調系統而言，Q空主要為新風耗熱量。新風耗熱量中，通常顯熱量遠大于潛熱量，故新風耗熱量可以近似等于新風顯熱耗熱量。Q空的計算可參照下式計算：

式中，Cp為干空氣的定壓質量比熱容，取1.01kJ/（kg·K）；ρw為室外空調計算溫度下的空氣密度，kg/m3；L為新風的體積流量，m3/h。

式中，Fi為各功能區域的建筑面積，m2；λi為與Fi相對應區域的人員密度，人/m2；li為新風量指標，m3/h，可參考《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》3.0.6節。

根據公式（5）（6），當建筑物使用功能及面積確定后，建筑物加熱室外空氣的耗熱量Q空也只與冬季空調室外計算溫度Tw相關，且為一次函數關系。

綜上，建筑物總耗熱量Q耗，建筑物圍護結構的耗熱量Q圍以及加熱室外空氣的耗熱量Q空均與冬季空調室外計算溫度Tw成一次函數關系。可以根據冬季空調室外溫度繪制建筑物總耗熱量曲線。結合風冷模塊機組的供熱量隨冬季空調室外溫度的變化趨勢，可以將兩條曲線的變化趨勢繪制在坐標軸上，可參照圖1[6]。

由上圖可以看出，建筑物耗熱量曲線同熱泵性能曲線的焦點即為平衡點溫度T0。當冬季空調室外計算溫度低于T0時，建筑物耗熱量大于熱泵供熱量，熱泵無法滿足建筑物溫度要求，為保證設備的供熱穩定性，需設置輔助熱源，輔助熱源的熱量為建筑物耗熱量與熱泵供熱量的差值；反之，則無需設置輔助熱源。

3 室外機位置的選取

風冷模塊機組室外機位置的選擇也是設計方案中重要的一環。位置的選取關系到設備的安裝、檢修、散熱以及對周圍聲環境的影響。下面針對以上問題進行分析：

3.1 安裝、檢修方面

風冷模塊機組放置位置方案需考慮設備吊裝、安裝的便捷性。風冷模塊機組名義制冷量150kW機器運行重量近1噸，通常需要用吊車進行吊裝。從安裝及后期檢修的角度來說，風冷模塊機組位置應盡量靠近道路或者有方便吊裝及運輸的通道。同時，設備放置區需提前預制鋼結構或混凝土結構的基礎。如采用混凝土結構基礎，其基礎重量甚至可能大于設備重量。故方案設計時需特別注意核對設備放置區域的預留荷載，設備布置在主梁附近更為穩妥。

3.2 散熱方面

風冷模塊機組放置位置需考慮其散熱問題。隨著建筑造型及使用功能的日新月異，室外機預留位置可能會造成送排風短路，特別是夏季，空氣流通不暢，無法滿足設備散熱要求，會導致機組連續過熱保護而停機。故風冷模塊機組應盡量布置在室外送排風順暢的區域，如屋頂或建筑周邊開闊區等。

風冷模塊機組通常為側進風、上排風。機組布置區域周邊的墻高、設備據墻距離以及頂部空間的通透性均會對模塊機組散熱產生影響。參照設備廠家的樣本數據，設備布置時需特別注意如下幾類間距：

（1）風冷模塊機組的間距為S1，S1≥0.4米且需滿足設備檢修的最小寬度；（S1隨設備制冷量增大需對應增大）；

（2）風冷模塊機組臨一面外墻，機組距墻體間距為S2，S2≥0.6米；

（3）風冷模塊機組位于兩面外墻之間，機組距墻體間距S2，當周圍墻體高度L不高于0.9m時，S2≥0.6米；當周圍墻體高度L高于0.9m時，S2≥0.6+（L-0.9）米；

（4）風冷模塊機組頂部與遮擋物間距為S3，S3≤15米時，需考慮遮擋物對設備的散熱影響。

當設備間距無法滿足以上間距要求時，可采取一些輔助措施防止送排風氣流短路。常見的方式主要包括改變排風氣流方向和控制送排風風速，通常機組進風氣流速度控制在1.5m/s~2m/s，排風口排風速度不宜小于7m/s，可有效地避免送排風氣流短路[5]。必要時可借助數值模擬的方法輔助氣流組織的設計。如果采用措施仍無法保證送排風的順暢，則需結合設備廠商建議，考慮增加制冷制熱量衰減系數。

3.3 噪聲方面

風冷模塊機組的噪聲主要包含兩部分，一是機組風扇及壓縮機的噪聲，二是配套水泵、定壓補水設備的噪聲。其中，配套水泵、定壓補水設備可設置在機房內，并采用消聲措施減小噪聲對周圍環境的影響。而風冷模塊機組需放置在室外通風良好位置，會對周圍聲環境產生影響，需重點關注。

風冷模塊機組制冷量80kW~300kW的單臺設備噪音約70~80dB（A）。通常情況下，風冷模塊機組會選擇多臺設備進行組合，總噪音是由多臺設備噪音共同疊加的，其噪音值較單臺設備而言更大。常規民用建筑允許最高噪聲值統計詳見表1[6]。

表1 民用建筑允許最高噪聲值統計

參照以上數據，單臺風冷熱泵模塊機組噪聲均大于以上房間允許最高噪聲值。故在風冷模塊機組的方案中，特別是對于設備放置區域周邊有居民樓、醫院、療養院等建筑以及風冷模塊機組服務建筑與周圍建筑使用時間不同時，需評估機組噪聲對周圍建筑的影響。噪聲對周圍建筑的影響評估可參照下式進行計算[7]：

式中，r為噪聲由L0衰減至L的距離，m；r0為測點距機組的距離（與L0相對應），m；L0為機組噪音測點的A聲級噪音，dB，可按產品樣本數據或實測數據選取；L為某處環境所允許的A聲級噪音，dB，可按國家有關規范選取。

當風冷熱泵模塊機組與相鄰建筑實際距離大于計算距離r時，就可滿足環境允許噪聲標準；反之，就需要采取降噪措施。常用的降噪方式包括給設備設置整體或局部隔聲罩，在送排風處加裝消聲百葉及消聲器等方式[8]。具體消聲措施需根據項目實際情況進行選擇。

4 結語

在采用風冷模塊機組作為冷熱源時，首先確定機組的供熱可靠性及經濟性，需核算融霜周期、機組的冬季性能系數及融霜工況的影響。其次，確定項目是否需設置輔助熱源，當室外設計溫度低于平衡點溫度時，需設置輔助熱源。最后，需考慮風冷模塊機組的放置位置。其放置位置應有方便的運輸通道；應滿足設備與周圍構筑物的距離要求；應滿足周圍環境對噪聲的限值要求；如不滿足以上要求，需相應采取措施。本次僅針對以上三個方面進行了分析，并不夠全面。下一步，擬針對風冷模塊機組應用中的其他關鍵問題繼續開展研究，以期得到一個更為完善的方案。