淺談熱泵型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

摘要：熱泵型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：空調(diào)負(fù)荷與容量的確定，機(jī)組類型與臺數(shù)的確定，熱泵的位置，水泵的選擇與布置，熱泵空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備的選擇等。

關(guān)鍵字：空調(diào)負(fù)荷 熱泵空調(diào) 末端設(shè)備

1 空調(diào)負(fù)荷與容量的確定

空調(diào)負(fù)荷包括空調(diào)冷負(fù)荷和空調(diào)熱負(fù)荷。空調(diào)冷（熱）負(fù)荷指為將室內(nèi)的空氣參數(shù)維持在設(shè)計(jì)參數(shù)狀態(tài)，單位時(shí)間內(nèi)需向建筑提供的冷（熱）量。這是一個(gè)受室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、室內(nèi)人員、設(shè)備等散熱、散濕量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性質(zhì)、室外空氣環(huán)境參數(shù)（包括溫度濕度、氣流速度等）、太陽輻射強(qiáng)度等諸多因素影響的變量。在室內(nèi)外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)條件下的空調(diào)冷（熱）負(fù)荷為建筑物之空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算冷（熱）負(fù)荷。讓空調(diào)系統(tǒng)恰如其分地提供冷（熱）量，以滿足設(shè)計(jì)計(jì)算狀態(tài)下建筑物的需求，并隨時(shí)適應(yīng)建筑物空調(diào)冷（熱）負(fù)荷及其變化的需要是空調(diào)設(shè)計(jì)的根本目的。

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是第一步，空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算應(yīng)包括空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷的確定和各時(shí)段負(fù)荷的分析。其次，設(shè)備的容量必須滿足空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算冷(熱)負(fù)荷的要求，另外設(shè)備的配置應(yīng)適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷變化的特點(diǎn)。在以空氣源熱泵型冷熱水機(jī)組為冷源的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中熱泵機(jī)組的容量既要考慮到大樓各部分的同時(shí)使用系數(shù)，還應(yīng)考慮到熱泵的實(shí)際制冷量、實(shí)際供熱量會因設(shè)備間距限制等原因造成通風(fēng)不暢，部分氣流短路(這部分的出力損失約占5%左右)而受到影響,和室外換熱器因表面積灰、換熱器表面結(jié)垢、設(shè)備衰減等因素的影響,故所選擇的熱泵機(jī)組尚應(yīng)考慮安全系數(shù)。

由公式來表示： Q=β1•β2•QD。

式中，Q——熱泵機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的制冷（供熱）量KW QD——設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷，KW β1——同時(shí)使用系數(shù)，由具體工程定，一般為0.75～1.0 β2——安全系數(shù)，一般取1.05～1.10。

另外，熱泵機(jī)組既要滿足系統(tǒng)夏季的供冷要求，又要滿足系統(tǒng)冬季的空調(diào)供暖要求。各不同供應(yīng)商的熱泵機(jī)組的額定制冷量，額定供熱量的參數(shù)不盡相同，與各地區(qū)空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)不一定一致。對南京而言，一般供應(yīng)商所提供的熱泵機(jī)組額定制冷工況條件與實(shí)際一致或相近，一般空氣干球溫度為35℃，空調(diào)冷媒水進(jìn)出水溫度分別為12℃、7℃左右。而冬季制熱熱泵的額定工況條件為室外空氣溫度7～8℃，進(jìn)出水水溫為50-55℃。這一條件與南京地區(qū)冬季空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度相差甚遠(yuǎn)。南京氣候特征為冬冷夏熱。對于一般辦公、酒店為主的綜合樓，冬季空調(diào)供暖設(shè)計(jì)計(jì)算熱負(fù)荷約為夏季空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷的70-85%。在熱泵機(jī)組選擇時(shí)，應(yīng)查看熱泵機(jī)組對應(yīng)于當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)計(jì)算氣象參數(shù)條件的真實(shí)出力。如果熱泵機(jī)組在設(shè)計(jì)計(jì)算室外參數(shù)條件下的制冷量大于設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷，而制熱量等于熱負(fù)荷，則應(yīng)以熱負(fù)荷為準(zhǔn)選擇熱泵。反之，如果制冷量滿足設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷要求，而供熱量大于所需熱量，則可考慮部分選用風(fēng)冷型冷水機(jī)組，部分選用熱泵機(jī)組，以減少投資。一般情況下，按夏季負(fù)荷選定的熱泵，能滿足冬季供暖的要求。

2 機(jī)組類型與臺數(shù)的確定

熱泵型冷熱水機(jī)組根據(jù)壓縮機(jī)的不同可分為渦旋式熱泵機(jī)組、往復(fù)式熱泵機(jī)組和螺桿式熱泵機(jī)組，按機(jī)組結(jié)構(gòu)大小、組合規(guī)模不同，熱泵機(jī)組可分為整體式熱泵機(jī)組和模塊式熱泵機(jī)組。整體式熱泵機(jī)組與模塊式熱泵機(jī)組沒有本質(zhì)的區(qū)別，所謂模塊式熱泵就是指一臺熱泵機(jī)組由若干臺熱泵單元（有獨(dú)立的制冷回路、獨(dú)立的蒸發(fā)、冷凝、獨(dú)立的框架，甚至有獨(dú)立的控制板）并聯(lián)而成，各單元增減組合靈活方便，任意一單元的故障不影響其余各單元的工作。

每單元的額定制冷量為55KW左右。國內(nèi)熱泵機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)以生產(chǎn)模塊式熱泵機(jī)組為多，而整體式熱泵機(jī)組從外觀上看是一組合單元，一整體框架，雖然內(nèi)部可有多臺壓縮機(jī)，甚至有2個(gè)以上的制冷回路，但它們之間一般不可再分解。模塊式熱泵機(jī)組的主要優(yōu)點(diǎn)是噪音低、振動小，由于系統(tǒng)總的制冷回路多，冬季化霜時(shí)對系統(tǒng)水溫影響小。系統(tǒng)互備性也好，另外，熱泵機(jī)組一般置于屋頂，模塊式熱泵機(jī)組由于各單元組合靈活，各單元尺寸小，重量輕，故具有運(yùn)輸?shù)跹b、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。如工程較大，模塊式熱泵機(jī)組會由于制冷單元數(shù)量較多，而存在故障點(diǎn)多、維護(hù)量大的可能，額定工況下的效率也略低于整體機(jī)組。另外，由于模塊化熱泵一般采用板式換熱器，對水質(zhì)要求較高，對各單元之間水力平衡的要求也較高。綜上所述，對較小系統(tǒng)，或?qū)Τ叽纭⒅亓康跹b等有特殊要求的場合，模塊式熱泵有其優(yōu)越性。

所選用模塊式熱泵應(yīng)注意三個(gè)問題：一是水質(zhì)要求，入口要設(shè)較高過濾效率的過濾器，二是水力平衡要好，三是拼裝塊數(shù)不宜過多，以免影響換熱器的進(jìn)風(fēng)面積。一般一組不宜超過6個(gè)單元。在選擇整體式熱泵機(jī)組時(shí)，應(yīng)考慮到空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化的特點(diǎn)和設(shè)備間的互備性，考慮到冬季熱泵化霜時(shí)盡可能減少對水溫的影響。一般一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的熱泵臺數(shù)不宜低于2-3臺，每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的配置的熱泵機(jī)組的總的制冷回路數(shù)不宜少于4-6個(gè)。當(dāng)然，熱泵的臺數(shù)還應(yīng)考慮大樓功能、用戶單元?jiǎng)澐帧⒂?jì)量、管理等綜合因素。致于往復(fù)式熱泵機(jī)組與螺桿式熱泵機(jī)組，從理論上講，螺桿式熱泵運(yùn)動部件少，維護(hù)量少，效率也高，噪音也低。但由于熱泵的噪音很大一部分來源于風(fēng)機(jī)，而且壓縮機(jī)的噪音可以通過加隔音罩等辦法降低，故實(shí)際上螺桿式熱泵的噪音比活塞式熱泵的噪音略低（約3-5dB(A)）。另外，對于熱泵機(jī)組熱阻主要在室外換熱器側(cè)，熱泵的效率還受兩器面積等因素的影響，故從工程角度，螺桿式熱泵與活塞型熱泵在效率上的差異有限。但螺桿式熱泵的價(jià)格高于往復(fù)式熱泵。

關(guān)于制冷劑問題，有條件時(shí)盡可能選用對環(huán)境影響小的制冷機(jī)，如R134a、R407C等，其中應(yīng)優(yōu)選R407C其次是R134a，從冷劑價(jià)格考慮，目前最便宜的是R22。

3 熱泵的位置

熱泵的位置有下列幾種，一是置于裙樓頂，二是置于塔樓頂，三是置于窗臺，四是置于凈高較高的室內(nèi)。考慮到吊裝及日后更換等原因，熱泵被較多的置于裙樓頂。當(dāng)熱泵置于裙樓頂時(shí)，要評估其對主樓及周圍環(huán)境的影響，較大的熱泵機(jī)組（≥200RT），單機(jī)噪音在75～85db(A)左右。有必要時(shí)可加隔音屏障，或在主樓靠熱泵側(cè)避免開門，做雙層窗或高質(zhì)量中空玻璃取代普通單層玻璃窗。布置于窗臺的熱泵往往是每層要求獨(dú)立配置、單獨(dú)計(jì)量的場所，只限于較小容量的熱泵，宜采用側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)排風(fēng)的形式。選用上排風(fēng)熱泵時(shí)應(yīng)安裝導(dǎo)流風(fēng)管，改成側(cè)排風(fēng)。即使室內(nèi)有較高凈空，熱泵置于室內(nèi)是不可取的，受條件限制必須設(shè)于室內(nèi)時(shí)，室內(nèi)應(yīng)有穿堂風(fēng)可利用，要有足夠的進(jìn)風(fēng)面積，并將排風(fēng)通過風(fēng)道有組織排至室外，防止氣流短路。加接排風(fēng)管時(shí)，對風(fēng)機(jī)應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整，避免因阻力的增加而減少通風(fēng)量。比較理想的方法還是將熱泵機(jī)組置于塔樓頂，以使熱泵有良好的通風(fēng)條件并使噪音影響面降為最小。

但應(yīng)注意，熱泵不能臨近住宅或其他對噪音要求較高的房間布置，不得緊貼住宅（客房）上面或下面布置熱泵及水泵。熱泵機(jī)組宜采用彈簧減振器隔振，減振器型號及布置點(diǎn)經(jīng)計(jì)算確定。熱泵靠女兒墻及主樓的距離大于3m，熱泵間間距不宜小于3m，有條件時(shí)距離應(yīng)加大。熱泵的布置除考慮對周圍影響小，通風(fēng)好外，還應(yīng)考慮管線布置、設(shè)備吊裝及以后的更換等因素，有條件時(shí)留出1～2臺熱泵位置，為發(fā)展留下余地，并為設(shè)備安裝及更換考慮足夠的荷載條件。

4 水泵的選擇與布置

水泵的數(shù)量宜與熱泵的臺數(shù)相對應(yīng)。熱泵與水泵的連接方式宜采用一對一串聯(lián)的方式，熱泵與水泵聯(lián)動。熱泵數(shù)量較多時(shí)，水泵可貼臨熱泵布置，水泵應(yīng)具有防水性能并加擋雨吸音罩，熱泵數(shù)量較少時(shí)，水泵宜集中布置于室內(nèi)。備用水泵可采用先不安裝臨時(shí)替換的方法。如果水泵采用先水泵組并聯(lián)再與并聯(lián)的熱泵組相串聯(lián)的方式，則并聯(lián)的熱泵數(shù)量不宜超過6臺，并應(yīng)有可靠的水力平衡措施。這種連接方式應(yīng)將水泵布置于臨近熱泵的室內(nèi)，也可以置于地下室，水泵的臺數(shù)應(yīng)考慮1～2臺的備用泵。在選擇水泵規(guī)格時(shí)，盡可能選低轉(zhuǎn)速泵，以減低噪音，水泵的流量可按系統(tǒng)所需流量的1.1倍選取，水泵的揚(yáng)程應(yīng)等于系統(tǒng)所需克服的總阻力。水泵的功耗應(yīng)控制在熱泵出力的1/30之內(nèi)。水泵的布置要有一定的間距，有條件時(shí)預(yù)留1～2臺水泵的安裝位置以備發(fā)展之需。水泵也應(yīng)有可靠的隔振措施。

5 熱泵空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備的選擇

夏季工況條件下，熱泵機(jī)組額定供回水溫度分別為7℃和12℃，這與一般空調(diào)器的額定工況相一致，空調(diào)器的選擇計(jì)算與其他形式的空調(diào)系統(tǒng)一致。冬季工況條件，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在額定條件下（室外空氣8℃），熱泵機(jī)組的額定供回水溫度一般分別在47℃、42℃。而當(dāng)室外溫度較低時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供水溫度一般維持在39～40℃。這一水溫條件明顯低于鍋爐供熱系統(tǒng)的額定供回水溫度（分別為60℃和50℃），也即低于一般空調(diào)器性能參數(shù)表中給出的額定進(jìn)出水溫度（也分別為60℃和50℃），由于水溫不一樣，空調(diào)器的散熱量有明顯差異。有學(xué)者因此認(rèn)為熱泵空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備應(yīng)在夏季工況計(jì)算選擇結(jié)果的基礎(chǔ)上有所放大。但根據(jù)我們的計(jì)算，南京地區(qū)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的末端可以采用夏季制冷工況條件下的計(jì)算選擇結(jié)果。這一方面是由于南京地區(qū)一般建筑物的供暖熱負(fù)荷小于夏季供冷冷負(fù)荷，另外，同樣的空調(diào)器，60℃進(jìn)水溫度條件下的供熱量明顯大于7℃進(jìn)水條件下的制冷量。冬季當(dāng)進(jìn)水溫度降至39～40℃時(shí)，空調(diào)器的散熱量能滿足室內(nèi)供暖的要求。另外，習(xí)慣上按中檔參數(shù)選擇空調(diào)器，本身就有一定的裕量。如果熱泵空調(diào)系統(tǒng)有4個(gè)以上的制冷回路，化霜對水溫不會造成明顯的波動，故一般不會影響室內(nèi)溫度的波動。但當(dāng)系統(tǒng)熱泵只有1～2個(gè)回路時(shí)，為減少化霜對室內(nèi)溫度的影響，有條件時(shí)，可將空調(diào)器啟停控制與水溫同步，如當(dāng)水溫低于35℃時(shí)，空調(diào)器風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)水溫高于35℃時(shí)風(fēng)機(jī)恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣可有效提高室內(nèi)的舒適性。

6 減少熱泵機(jī)組噪音影響的措施

減少熱泵機(jī)組噪音的影響，一方面應(yīng)從熱泵機(jī)組著手，如壓縮機(jī)加消音套，風(fēng)機(jī)采用靜音型，即盡可能選用低噪音的熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組除自身內(nèi)部壓縮機(jī)臺座有良好減振外，熱泵整機(jī)底座也應(yīng)有減振措施，盡可能選用彈簧減振器，彈簧減振器應(yīng)通過認(rèn)真計(jì)算確定。另外，在布置上，熱泵機(jī)組應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離房間，或與相鄰的房間之間加隔聲屏，但應(yīng)注意隔聲屏不應(yīng)阻礙通風(fēng)氣流的流通。一般說來，將熱泵機(jī)組布置于主樓頂影響面最小。從樓內(nèi)走向熱泵所在屋面平臺的出入口應(yīng)做隔音門并設(shè)隔聲套間，或熱泵機(jī)組與大樓核心筒 之間有輔助房間（如水泵間、配電間）等隔斷。水泵也是主要的噪音源，水泵的減振隔噪同樣重要。置于屋面的水泵宜設(shè)帶配重平衡塊的彈簧減振臺座。有條件將水泵置于室內(nèi)，既可防雨，又可隔音，水泵間應(yīng)做吸音處理，如水泵置于室外，防雨罩內(nèi)貼吸音材料對降噪有效果。另外，水泵宜選用低轉(zhuǎn)速泵，水泵房通向內(nèi)走道的門應(yīng)做隔音門，有條件時(shí)設(shè)隔音門套。