摘要：本文介紹了空氣源熱泵機組的種類和發(fā)展；分析了空氣源熱泵機組在全負荷和部分負荷下的性能系數(shù)；對冬季和夏季的能耗問題進行了討論；通過與水冷式冷水機組系統(tǒng)的比較，分析了空氣源熱泵系統(tǒng)的特點；并且借鑒了一些國外的空氣源熱泵技術(shù)，對空氣源熱泵機組的應(yīng)用與展望進行了探討。

　　關(guān)鍵詞：空氣源熱泵 熱泵系統(tǒng) 性能系數(shù)

　　1.1 緒論

　　1.1.1 專題背景

　　隨著改革開放和大規(guī)模的基本建設(shè)的發(fā)展、人們對于生活環(huán)境的要求越來越高，空調(diào)系統(tǒng)作為室內(nèi)空氣參數(shù)的主要調(diào)節(jié)裝置也就相應(yīng)的越來越普及。人們對空調(diào)的要求也從原1來的夏季制冷發(fā)展到冬暖夏涼，發(fā)展到對空氣品質(zhì)的進一步要求。而且在能源緊缺、強調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，在某些大城市和特殊地區(qū)，出于環(huán)保的考慮限制使用鍋爐供暖，于是電動熱泵技術(shù)成了人們的首選。其中又以空氣源熱泵冷熱水機組較為常見。

　　1.1.2 空氣源熱泵機組的特點

　　空氣源熱泵冷熱水機組是由制冷壓縮機、空氣/制冷劑換熱器、水/制冷劑換熱器、節(jié)流機構(gòu)、四通換向閥等設(shè)備與附件及控制系統(tǒng)等組成的可制備冷、熱水的設(shè)備。按機組的容量大小分，又分為別墅式小型機組（制冷量10.6～52.8Kw），中、大型機組（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?shù)孬@取；

　　（2）空調(diào)系統(tǒng)的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組布置在室外，如布置在裙房樓頂上、陽臺上等，這樣可以不占用建筑屋的有效面積；

　　（6）安裝簡單，運行管理方便

　�。�7）不污染使用場所的空氣，有利于環(huán)保；

　　1.2 空氣源熱泵機組的種類和發(fā)展

　　1.2.1 分類

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

　　2.從容量分為：小型（7kW以下），中型，大型（>70kW）；

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

　　4.從功能分為：一般功能的空氣源熱泵冷熱水機組，熱回收型的空氣源熱泵冷熱水機組，冰蓄冷型的空氣源熱泵冷熱水機組；

　　5.從驅(qū)動方式分為：燃氣直接驅(qū)動和電力驅(qū)動。

　　1.2.2 發(fā)展

　　80年代中期以前空氣源熱泵冷水機組大多采用半封閉往復(fù)式多機頭壓縮機。由于調(diào)節(jié)靈活和壓縮機性能及換熱器性能的改善，機組的性能不斷提高。但在80年代中期以后，螺桿式壓縮機的技術(shù)進步很快。它比壓縮式零部件少（為活塞式的十分之一），結(jié)構(gòu)簡單，無進排氣閥，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地區(qū)的空氣源熱泵和采用冰蓄冷的裝置。因此空氣源熱泵冷熱水機組采用螺桿式壓縮機的越來越廣泛，而且目前螺桿式壓縮機大多采用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的多。目前使用R-22的螺桿式壓縮機的制冷量范圍為：140～3600kW.

　　1.3 空氣源熱泵機組的性能系數(shù)cop

　　1.3.1 全負荷時的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，它是評價熱泵裝置的重要指標。通過分析，不論何種主機，出水溫度對cop的影響，冬季（共熱）比夏季（供冷）大的多。

　　1.3.2 部分負荷時的cop

　　估量空氣熱源熱泵機組全年運行的經(jīng)濟時，必須了解各機種的部分負荷性能。部分負荷特性Ф是指制冷機運行負荷率q（%）與耗功率N（%）之比。在夏季，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），而部分負荷性能系數(shù)cop‘=Фcop全。根據(jù)具體情況，部分負荷時的cop’有可能大于滿負荷時的cop，這是由于壓縮機能量調(diào)節(jié)（卸缸或調(diào)速等）而冷凝器、蒸發(fā)器的傳熱面積和風(fēng)量等未能調(diào)整而改善了工況，才使機組的部分負荷性能提高。

　　1.4 空氣源熱泵機組的能耗分析

　　1.4.1 供暖季節(jié)能耗分析

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

　　對于選定的空氣源熱泵機組，當建筑物的熱負荷較大時，平衡溫度點將增高，使整個供暖季的輔助加熱量的增加，從而導(dǎo)致制熱季節(jié)性能系數(shù)降低；當建筑物的熱負荷較小時，平衡溫度點將降低，導(dǎo)致整個供暖季的輔助加熱量的減小。同時，由于負荷的減小，機組有更多的時間處于部分負荷下運行。因此，制熱季節(jié)性能系數(shù)先是增大，然后會有所降低。且在相同平衡點溫度下，各地區(qū)使用熱泵機組具有不同的制熱季節(jié)性能系數(shù)值。

　　2.運行方式對空氣源熱泵機組制熱季節(jié)性能系數(shù)的影響

　　一班制時，熱泵機組都在白天運行，而白天時的室外氣溫要高于夜間，這使得在整個供暖季，一班制運行熱泵機組的制熱季節(jié)性能系數(shù)要高于三班制運行機組。

　　作為一種節(jié)能技術(shù)，要評價空氣源熱泵的節(jié)能效應(yīng)，就必須用到一次能利用率E的概念，一次能利用率在這里指的是熱泵機組的制熱量與一次能耗的比值。空氣源熱泵機組的一次能利用率的提高，一方面有待于進一步改進技術(shù)，提高空氣源熱泵的制熱季節(jié)性能系數(shù)；另一方面則取決于我國平均發(fā)配電效率的提高。

　　1.4.2 供冷季節(jié)能耗分析

　　空氣源熱泵的供冷季節(jié)能耗分析采用負荷頻率表法。負荷頻率表法是建立在空調(diào)負荷與室內(nèi)外溫差大致成比例這一假設(shè)基礎(chǔ)上的。該方法根據(jù)室外空氣干球溫度出現(xiàn)的年頻率數(shù)（用于全年運行的空調(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)的全年或季節(jié)運行工況計算出不同室外空氣狀態(tài)下的加熱量和冷卻量。在計算出冷（熱）負荷后，再根據(jù)冷（熱）源機組的變工況性能表查出相應(yīng)工況下的供冷（熱）季節(jié)小時頻率值相乘，然后累加，計算出冷（熱）源設(shè)備的耗能量。

　　經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)供冷季節(jié)性能系數(shù)與本地區(qū)的氣候條件是相一致的，因為供冷季節(jié)的氣候越炎熱，室外空氣溫度越高，空氣源熱泵的供冷季性能系數(shù)將越低。

　　1.5 空氣源熱泵機組與水冷式冷水機組的比較

　　1.5.1 占地面積

　　單就風(fēng)冷式制冷機外形尺寸而言，要比水冷式制冷機組的尺寸大，但水冷式制冷機需設(shè)置冷卻塔和冷卻水泵，因此水冷機的綜合尺寸較風(fēng)冷機要大很多。另外，風(fēng)冷式制冷機一般置于高層建筑的裙樓屋頂或多層建筑的屋頂，其外形尺寸同水冷式制冷機在屋頂設(shè)置冷卻塔的占地面積相當，這樣就節(jié)省了在建筑物內(nèi)因設(shè)置了制冷機房而多占用的面積。這在寸土寸金的大城市中尤顯優(yōu)勢。

　　1.5.2 系統(tǒng)簡單

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

　　1.5.3 對建筑物美觀的影響

　　目前大部分建筑物的水冷式制冷機組，均采用冷卻塔循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。冷卻塔安裝在大樓屋面，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的建筑師的反對。而風(fēng)冷式制冷機外形方正，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。而且風(fēng)冷機還可防止某些冷卻塔因瓢水而形成的“晴天下小雨”給人們帶來的不便。

　　1.5.4 水阻力

　　風(fēng)冷機組水系統(tǒng)的另一特點是，風(fēng)冷機水側(cè)阻力通常為30~50kPa，遠比一般水冷機的水側(cè)阻力80~100kPa要小。

　　1.5.5 節(jié)水方面

　　在空調(diào)工程上冷卻塔運行中所蒸發(fā)與風(fēng)耗的水量較大，而且無法回收。例如：深圳經(jīng)協(xié)大廈，空調(diào)冷卻水的補水量是整個大廈中日常生活用水的一倍。而風(fēng)冷機卻無須消耗冷卻水。

　　1.5.6 部分負荷時的能耗問題

　　美國特靈（TRANE）公司曾做過水冷離心式冷水機組和風(fēng)冷離心式冷水機組在全負荷和部分負荷的耗電量比較：其數(shù)據(jù)見表1

　　表1 水冷機與風(fēng)冷機耗電量比較

　　從表中數(shù)據(jù)可見，在全負荷時，由于風(fēng)冷式冷水機組的冷凝溫度高于水冷式機組，故風(fēng)冷機的壓縮機需要較大的功率，因此風(fēng)冷式冷水機組耗電量確比水冷機要大，大約大15%左右。但在2/3負荷時兩者基本持平，且風(fēng)冷機耗電量還略低。而在1/3負荷時，風(fēng)冷機的耗電量遠遠低于水冷機，大約低30%左右。但由于空調(diào)負荷在整個夏季的分布是極不平衡的，甚至在一天之內(nèi)各時段的負荷也差別很大，故機組在最大負荷下運行的時間是極其有限的，即制冷機大都處于部分負荷下運轉(zhuǎn)，因此使用風(fēng)冷機的能耗不比水冷機的能耗大。

　　1.5.7 風(fēng)冷機與冷水機綜合費用的比較

　　制冷機的綜合費用，包括一次性投資費用和運行維護費用，就一次性投資費用而言，風(fēng)冷機要比水冷機花錢多，但是水冷機造價加上冷卻塔、冷卻水泵、管道和水處理等費用，水冷機的一次性投資費用并不比風(fēng)冷機少太多，況且冷卻水系統(tǒng)中冷卻塔、水管路和水泵等設(shè)備的維護保養(yǎng)費、水處理費、冷凝器清洗費等均較風(fēng)冷機組高。冷水機組年運行時間越長，對風(fēng)冷式制冷機組越有利，風(fēng)冷機與水冷機組相比較，其處投資回收期短。所以，南方地區(qū)用于空調(diào)的冷水機組更適合采用風(fēng)冷式制冷機組。從冷卻條件來看，南方地區(qū)夏季室外濕球溫度較高，也對水冷式制冷機組不利。

　　1.6 空氣源熱泵機組的應(yīng)用與展望

　　1.6.1 空氣源熱泵機組的應(yīng)用

　　在此借鑒一些國外的做法：

　　1、對于供熱負荷遠小于供冷負荷的地區(qū)，可以對與供熱負荷相應(yīng)的冷量部分用熱泵提供熱量（冬）和冷量（夏），而其余冷量由cop較高的制冷設(shè)備（如離心式）來解決。這樣夏季的電耗可得以節(jié)省。

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

　　3、采用熱回收式熱泵，即在熱泵循環(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)的熱量補充采熱蒸發(fā)器的不足，即在冬季時不僅是空氣熱源，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)合的空氣源熱泵裝置，全年可實現(xiàn)八種運行工況，冬季則可根據(jù)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的不足。

　　4、當有條件多能源供冷供熱時，可合理組織供能模式，例如：當高層建筑物的標準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），低層部分可采用燃氣吸收式系統(tǒng)。當電動制冷設(shè)備與燃氣吸收式聯(lián)合供能時，則可按夏季優(yōu)先用燃氣、冬季優(yōu)先用電力來協(xié)調(diào)供能。

　　5、當利用燃氣作能源時，可試行熱力原動機（燃氣機）直接帶動的空氣源熱泵，它不僅利用了空氣熱源，還從原動機的排熱中回收大量熱量，其能量利用系數(shù)可達1.5左右。國外已有容量達240kW的整體式機組。

　　1.6.2 空氣源熱泵機組的展望

　　隨著城市建設(shè)對建筑立面美觀性的要求、對冷卻塔使用的制約等因素，和對能源的利用率，以及某些城市對冷卻塔使用的制約等因素，那么，空氣源冷水機組作為空調(diào)冷熱源，在某些地區(qū)的使用將會愈來愈多，空氣源熱泵也將向著成熟和完善的方向繼續(xù)發(fā)展。

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