风冷热泵机组的原理、选型、设计

一、风冷热泵机组是什么？

风冷热泵机组是由压缩机——换热器——节流器——吸热器——压缩机等装置构成的一个循环系统。风冷热泵的基本原理是基于压缩式制冷循环，利用冷媒作为载体，通过风机的强制换热，从大气中吸取热量或排放热量，以达到制冷或制热的需求。

风冷热泵机组是中央空调机组的一部分，它主要区别于风冷冷水机组，风冷热泵在机组内部至少增加了一个四通换向阀，作为制冷或制热的功能切换，除具备风冷冷水机组制取冷水的功能外，风冷热泵机组还能切换到制热工况制取热水，通过强制换热，来满足室内温度的需要。

和大型中央空调采用水冷热泵机组不同，风冷热泵主要用于家用中央空调领域以及一些轻型工业、商用领域。

二、风冷热泵工作原理

风冷热泵机组是空调系统中的主机，由于采用风冷冷凝器不需要冷却塔，而蒸发器是水冷的，夏天制冷时提供冷水，冬季制热时提供热水，风机盘管是空调系统的末端装置，装在室内如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的、风冷热泵相对于空气源热泵来说它的能力要低一点，进出水温差是5℃左右（大部分公司的设置参数），而空气源的进出水温差能达到40℃。

风冷热泵机组与风机盘管共同使用，前者提供冷水或热水，后者将冷水或热水通过热交换，吸出冷风或热风。我们可以形象的把风冷热泵机组比作是中央空调的大脑，如果大脑不工作了，那中央空调将丧失全部功能，系统也将停止运行。

三、 风冷热泵机组的特点

风冷热泵机组的特点介绍，我们对比水冷热泵机组和变频多联机(VRV系统)一起来讲。

风冷热泵机组 VS 水冷热泵机组

一、水冷热泵机组的特点：

1、应用范围广，造价较低。

2、技术最成熟，也是目前应用最广的空调系统。

3、冷、热源一般集中设置，运行及维修管理方便。

4、夏季制冷效率比较高，能效比高。

5、初期投资相对较低，无保温水管系统大幅度降低了材料费用。

6、噪音源的数量低于风冷机组。

7、对机房的要求不高，只需满足一般的通风换气要求即可。

8、机组使用寿命要大大高于风冷机组。

9、体积相对较小，占地面积少。

二、风冷热泵机组的特点：

1、节约水资源，环保，设备利用率高。

2、安装在室外，如屋顶、阳台等处，无需建造专用机房，不占有效建筑面积，节省土建投资。

3、夏季供冷、冬季供热，省去了锅炉房，对工程建设和景观设计有利。

4、省去了冷却水系统和冷却塔、冷却水泵、管网及其水处理设备，节省了这部分投资和运营费用。

5、冬季供热节电，热泵供热比用电直接供热要省三分之二左右的电量。

6、热泵的形式多种，采用低噪声热泵，对周围环境的影响相对较小。

7、安全保护和自动控制同时装于一个机体内，运行可靠，安装和使用方便。

8、运行时间越长就越有利，维修保养费用低。

风冷热泵机组 VS 变频多联机VRV系统

项目		风冷冷(热)水模块式机组	变频多联机(VRV系统)
简介		1、风冷模块式冷热水机组是以空气为冷（热）源，以水为供冷（热）介质的中央空调机组。	1、VRV空调系统全称为Variable Refrigerant Volume系统，即变制冷剂流量系统。
		2、具有布置灵活、控制方式多样等特点，尤其适用于商场、医院、宾馆、工厂、办公大楼等场合使用。	2、系统结构上类似于分体式空调机组，采用一台室外机对应一组室内机（一般可达50台）。控制技术上采用变频控制方式，按室内机开启的数量控制室外机内的涡旋式压缩机转速，进行制冷剂流量的控制。
		3、风冷模块式冷热水机组配以标准水管接口和单元组合控制功能，使机组运行自如。安装完毕，接上电源、水路即可使用。	3、VRV空调系统与全空气系统，全水系统、空气—水系统相比，更能满足用户个性化的使用要求，设备占用的建筑空间比较小，而且更节能。正是由于这些特点，其更适合那些需经常独立加班使用的办公楼建筑工程项目
		4、当空调面积增减而需要增减主机时，更显出其方便自如。	4、VRV空调系统还具有集中控制管理环节，可以在控制室内对远端各组VRV空调系统进行监控管理，是一种比较完善的控制方式。
初投入		投入较经济、实惠；制冷面积约单价在280-350元/㎡之间；	属商用领域的高端产品，初投入成本略高；通常在350-450元/㎡之间；
维护		1、  二类中：能效比较高，设备主机集中，日后维护保养成本较低。	1、  二类中：能效比高，变频节能系数强，设备主机集中，日后维护保养成本较低。
		2、  风冷热泵系统每年一次对室内的过滤网（可以自行操作）和室外主机的水过滤器和对管道系统进行清洗和除垢即可。	2、  变频一拖多空调需要定期清洗室内的过滤网，操作简单，维护方便，可自己进行维护。
节能		能效比较高，EER值3.2以上，即耗电量偏低；	能效比高，EER值3.3-4.3；即耗电量最低
		开机率的节能：开机率低于30%时，略比氟系统耗能，开机率≥31%\≤50%时，所耗能相当，开机率大于50%时，比氟系统节能（以14KW的主机为例：当开机率为30%时，制冷4.2KW，所耗功率为2.0～2.4KW）；	开机率的节能：开机率低于30%时，比水系统节能，开机率≥31%\≤50%时，所耗能相当，开机率大于50%时，比水系统耗能（以15KW的主机为例 ：当开机率为30%时，制冷4.5KW，所耗功率为1.8～2.0KW）；
优 缺 点	室外主机	主机最少，主机可放至地面或屋面，室外主机二类中最重，单台65模块重量在800kg左右。	主机数较少且体积小（一般客载电梯可运）：主机可放至地面、屋面或建筑平台，单台主机重量在250kg左右。
	辅助功能	主机集中管理，室内末端自由调节性较强。附加功能少：制冷（热）、除湿、送风、定时等；相对优势：故障点较少；	附加功能多，除基本功能外，还有：全热新风模块、除甲酫、睡眠、；可扩展功能：网络控制、电话控制、集中控制、远程控制）；相对劣势：故障点略多。
	通讯	通讯控制简易；一般强电通讯。	通讯控制科技化、人性化、具有可扩展功能接口(如:远程控制,网络控制)。
	控制	控制精确度较低：	控制精度较高：
		1)、末端控制器是选配件，生产精度略低；	1)、末端控制器均是由设备原厂生产，是经过多次实验调配；
		2)、控制功能较少，属基本控制（制冷、制热、温度、送风）；	2)、控制功能较多；
		3)、控制点较少：根据环境温度来确定风盘的开关，导致提高或降低供回水温度，达到主机的运转功率（属于间接控制）；	3)、控制点较多（传感器较多）：由内外环温传感器、室内管温传感器、设定温度传感器、室外吸/排气传感器直接来调节压缩机的工作（属于直接控制）；
	速效	制冷/热属于二次交换，速度较氟系统略滞后几分钟；但人体舒适性强，长时间使用后相对不会产生口干鼻燥现象。	直接蒸发，速度较水系统快；一开机几分钟后就会有明显的感受。
	配置	室内外机的配置灵活；	室内外机的配置受局限；
优 缺 点	舒适性	因是水作载体，盘管表冷温度比较恒定，空气的除湿比较恒定，人体感觉舒适性强。	直接蒸发，盘管表冷温度较低，吸入空气中的水份较多，故除湿量大；但温差极小，人体感觉舒适性强
	维修成本	维修费用低：室内部份无电脑板，最大损坏部件只有电机；	维修费用略高：有电脑板，易出现故障的部件有：通讯控制、电机、电脑板；
	联机管	管材采用PP-R管或金属钢管，若干年后回收率较低；而室内外联机管不受管长限制；	管材采用铜管，若干年后回收率较高；内外机管长最长在120m；
	环保	较环保，虽然目前主机仍是采用R22作为冷媒，但传入室内的介质为水，冷媒的采用量较少；	最环保，冷媒介质采用R410，不含氯离子，不对大气层的臭氧进行破坏。是当前市场最环保的产品。
	缺点	在寒冷地区（如东北地区）制热时要配置电辅助加热设备，设备每年都必须进行一次检修及设备清洗，维保费用多。	系统多，制冷泄漏不易察觉。(连接压力表可查漏）
	设备使用寿命分析	地下水式水源热泵机组的一般设计寿命为12-15年（优质水质情况下），如果存在水质污染、水位低、污浊、杂质大等因素，使用寿命会缩短3-5年。	变频一拖多空调设备的设计使用寿命一般为30000 小时（18年左右）以上，最高可达40000 小时。

四、风冷热泵机组的选择

一、风冷热泵机组性能分析

1、冷热量

这个参数是决定风冷热泵正常使用的最关键参数，它是指风冷热泵的进风温度、进出水温度在设计工况下时其所具备的制冷量或制热量。它可从有关厂家提供的产品样本中查得。但目前在设计中也发现这样的情况，那就是有的厂商所提供的样本参数并未经过测试而是抄自其它厂家的相关样本。这给设计人员的正确选型带来了一定困难。因此笔者建议在有条件的情况下设计人员可根据有关厂家的风冷热泵所配置的压缩机型号，从压缩机生产厂家处获得该压缩机的变工况性能曲线，根据热泵的设计工况查得该压缩机在热泵设计工况下的制冷量和制热量，从而判断该样本所提供参数的真伪。

2、COP值

该值是确定风冷热泵性能好坏的重要参数，其值的高低直接影响到风冷热泵使用中的耗电量，因此，应尽量选择COP值高的机组。目前我国国家标准是COP值为2.57，多数进口或合资品牌的COP在3左右，个别进口品牌的高效型机组其值可达到3.8.

3、噪声

噪声也是衡量一台风冷热泵机组的重要参数，它直接关系到热泵运行时对周围环境的影响。国内有关专家曾根据工程实测对各类进口热泵的噪声划分为三档，第一档在85dB以上、第二档在75~85dB之间、第三档在75dB以下。我们在进行工程设计选型中应优先选择噪声在80dB以下的机组。

4、外型尺寸

风冷热泵机组大多布置在室外屋顶，它在进行设备布置时对设备与周围墙面的间距、设备之间的间距都有明确要求，因此我们在进行设备选型时必须考虑所选设备尺寸是否符合设备布置的尺寸要求。在性能相同的前提下应优先选用尺寸较小的机组，以减小设备的占地面积。

5、运行重量

由于风冷热泵机组大多布置在屋面，因此在选型时必须考虑屋面的承重能力，必要时应与结构专业协商，增强屋面的承重能力。但在设备选型时我们应优先选择运行重量较轻的机组。

二、风冷热泵机组系统分析

所谓风冷热泵机组的系统分析，就是在风冷热泵的选型过程中除了比较各自的制冷量、制热量、COP值、噪声、运行重量、外形尺寸等参数外，还要对其各自的压缩机型式、冷凝器型式及布置、热力膨胀阀的配置、蒸发器型式、除霜方式、能量调节方式以及热泵系统的自控和安全保护等等加以分析，比较其各自在系统配置方面的优缺点。

1、压缩机的型式

目前用于风冷热泵的压缩机型式主要有活塞式、涡旋式、螺杆式三种型式。根据热泵工作的特点是运行时间长、压缩比大等情况，笔者认为涡旋式和螺杆式压缩机将成为热泵压缩机的主流。其理由是：

①、涡旋式和螺杆式压缩机较活塞式压缩机具有传动件少，从而使压缩机的摩擦损耗相应减少，整机的效率相应提高。

②、由于热泵机组的压缩比较大，因此对于活塞式压缩机在相同的余隙容积下其容积效率下降，从而造成整机效率的下降。而涡旋式和螺杆式压缩机不存在这方面的问题。

③、用于风冷热泵的压缩机其工作环境较其它在普通空调工况下工作的压缩机要恶劣，每次开启的运行时间也较长，工况变化范围也较大，因此对压缩机的可靠性要求就较高。涡旋式和螺杆式压缩机具有零部件少，结构紧凑的特点，所以尤其适用于热泵机组。

④、目前所采用的风冷热泵机组一般都采用热气除霜的方法来排除冬季供热工况下空气侧换热器上积聚的霜。在除霜开始和结束时，系统要进行反向运行，在原冷凝一方盘管中所集聚的液体制冷剂由于其中压力突然降低为吸汽压力而大量涌向压缩机，造成压缩机的湿冲程，这对于涡旋式和螺杆式压缩机而言并没有什么大问题，而这对于活塞式压缩机来讲极易造成气阀和连杆的损坏。

⑤、另外就热泵压缩机本身而言涡旋式和半封闭螺杆式比活塞式的噪声要低。

2、冷凝器的型式与布置

冷凝器所用翅片型式目前主要有开窗片和波纹片两种，开窗片换热效率较高，因此前两年生产的热泵机组中经常得以采用。但由于我国城市大气质量较差，而这类翅片极易积灰，且较难清理，使用时间一长，换热效果大大下降。所以当前热泵用冷凝器多采用波纹片配内螺纹铜管，其具有换热效率较高，不易积灰，风阻小等特点。

冷凝器的翅片间距也很讲究，作为冷凝器使用时以肋化比高、传热系统数大为好，故希望片距小些较好，但当其作为蒸发器使用时，翅片一结霜，使用时的换热效果就会大大降低，因此希望片距大一些；一般片距为3mm为宜。

冷凝器的布置型式同其换热效果和外形尺寸有着直接的关系。通常热泵的冷凝盘管布置成直型盘管、V型盘管、W型盘管三种型式。但V型盘管间的较大空间内除了轴流风机外并无其它零部件，空间利用率低。直型盘管间虽然集中布置了压缩机、四通阀、蒸发器等系统有关零部件，但由于盘管高度较高，盘管高度较高，迎风面速不均匀，冷凝器换热效率低，且气流组织不理想，空气阻力较大。而W型布置克服了上述缺点，不仅可改善气流组织提高换热效率，降低空气阻力，而且由于在同样空间条件下，冷凝盘管传热面积增大，空间利用率较高，从而缩小了机组外形尺寸。

3、热力膨胀阀配置

现在热泵制冷系统中有采用单膨胀阀和双膨胀阀两种方式，所谓双膨胀阀就是制热工况和制冷工况各采用一只膨胀阀。如果系统采用一只膨胀阀，按标准制冷工况进行选型，由于热泵系统在制热工况下运行时系统的制热量随着环境温度的下降也随之下降。这时膨胀阀的制热能力也会有所下降，但其下降的幅度要小于系统制热能力的下降。这样在制热工况下随着环境温度的下降，对系统而言所配置膨胀阀显得过大。过大的膨胀阀会引起蒸发器供液过多，蒸发压力上升，与室外空气换热量减少，从而导致热泵供热量的减少。

当前许多厂家的热泵机组多采用双膨胀阀型式，制冷膨胀阀按标准制冷工况来选择。制热膨胀阀如若按标准制热工况来选择，那在低温工况下运行时膨胀阀会显得过大，所以根据笔者自己的体会建议制热膨胀阀按环境温度﹣7℃，热水进口温度40℃，出口温度45℃来选型，按这样条件计算后选定的膨胀阀能在不低于﹣15℃的环境温度下正常运行。

4、蒸发器型式

目前在风冷热泵机组中常用的蒸发器主要是板式换热器和干式壳管式换热器。板式换热器多用在小型风冷热泵中，它具有传热效率高、蒸发器不易积油的特点；尤其是新的带有内置式分配装置的板块解决了板片间制冷剂分配均匀性这一关键问题，能在相同的出水温度下提高蒸发温度1.5~2℃，提高了制冷效率。

干式壳管式蒸发器多用在大中型风冷热泵中，目前其传热管已广泛采用高效管，因此换热效率有很大提高。但总的来讲不及板式换热器。而且其回油相对困难，常积存于换热器底部。如在底部设回油管与吸汽管相通，则由于有液体制冷剂带入，导致制冷剂过热度不稳定，影响膨胀阀的工作和系统的制冷量。

5、轴流风机的配置

轴流风机的配置首先要满足冷凝器（空气侧换热器）的换热要求，根据经验风冷热泵机组所配轴流风机风量与标准制冷量（环境温度35℃，出水温度7℃）之比大约在0.071~0.095/KJ之间，此外还要保证冷凝器迎风面的风速，因为这关系到冬季运行时空气侧换热器的结霜速度，迎风面风速越大冬季运行时越不容易结霜。但风量过大风机的功耗也要增大，同时噪声也要增大，因此一般情况下迎风面风速取3~5m/s。另外，风机配置时还要考虑噪声，目前一般选用大直径、低转速、且叶片扭转角度较小的轴流风机以降低风机噪声。

6、能量调节方式

目前在风冷热泵机组中常用的能量调节方式有压缩机台数控制、压缩机间隙运行、气缸卸载调节（活塞式）、变频调速（涡旋式）、滑阀无级调节（螺杆式）。从能量调节方式中我们可以看出台数控制、压缩机间隙运行、气缸卸载调节都是属于有级调节，而变频调速和滑阀无级调节属于无级调节。无级调节具有节能、噪音和振动小、起动小、起动性能好同时也降低了对供电系统的干扰。从这点也可看出涡旋式和螺杆式压缩机的优热。

7、除霜方式

各生产厂生产的机组其除霜方法基本相同，大多采用热汽除霜法；所不同是除霜的控制技术。常见的有压差控制法、温差控制法、温度时间控制法，其中以温度时间控制法最为普遍。这种控制技术中除霜参数的设置最为关键。除霜参数包括除霜温度、除霜时间、除霜间隔。除霜温度是由通过位于膨胀阀后的感温元件来感应节流后的液体温度，一般设定值为﹣5℃，除霜时间隔是计时器控制，一般定为4min。除霜时间也是由计时器控制，一般不超过10min。热泵发温度下降到﹣5℃，并且距上一次除霜时间间隔够40min，机组就进入除霜模式。如果除霜时间超过1010min而盘管内的液体温度仍未上升到﹢5℃，机组也要停止化霜恢复制热。

在上述三个参数中除霜时间间隔是直接受环境影响的，但目前多数厂家的除霜时间隔仍采用固定值，这种做法导致在低温高湿地区结霜严重的情况下，由于没有到设定时间而不能进行除霜，从而造成霜层过厚甚至冻结，机组低压保护而停机的现象。这个问题应在机组调试中加以注意。因此笔者建议一方面在热泵的除霜参数设置上应该因地制宜，不能一概而论。另一方面就是前面曾提到的在低温高湿的地区不宜使用热泵机组。

8、风冷热泵机组安全保护与控制

目前国内风冷热泵机组的保护与控制多采用计算机控制，其又包括可编程控制和微电脑控制，两者的控制原理大致相同。

①、一台风冷热泵的安全保护系统至少要包括以下几个方面：

a、吸气压力过低保护

b、排气压力过高保护

c、油压保护

d、冷水温度过低保护

e、水侧换热器断水保护

f、压缩机启动时间间隔保护

g、压缩机内藏电机过热保护

h、电机过载保护

i、电源电压过低保护

j、三相电缺相保护

k、油温控制

②、风冷热泵控制至少要包括：

a、除霜控制

b、多台压缩机顺序控制

c、能量调节

d、故障停机与显示

e、远程控制接口（用于远程设置运行参数以及控制机组启停、将机组运行参数和故障内容显示于控制终端）。

五、风冷热泵的工程设计布置

一、风冷热泵机组的布置

风冷热泵机组在使用中不同程度的都存在这样一种现象，即夏季制冷量不足，冬季制热量不足的现象。造成这种现象的原因是多方面的，这里除了设备本身的因素外也有工程设计中的问题。主要是设备布置不合理造成气流短路，夏季机组高温排风被重新吸入，造成进风温度过高冷凝压力上升，导致机组制冷量下降；冬季正在融霜的机组排出的湿空气被旁边正在供暖的机组吸入造成吸入空气湿度过高，加剧了供暖机组的结霜速度，从而使其融霜时间延长，供暖时间减少，从而使机组的供热量减少。

因此风冷热泵应尽可能布置在室外，进风应通畅，排风不应受到阻挡。避免造成气流短路。如有阻挡物，应符合一定的要求。许多生产等单位提供的设计手册中对机组之间的间距及机组与墙间的距离均有明确要求，大致如下：机组间的距离应保持在2米以上，机组与主体建筑（或高度较高的女儿墙）间的距离应保持在3米以上。另外为避免排风短路在机组上部不应设置挡雨棚之类的遮挡物。如果机组必须布置在室内，应采取提高风机静压的办法，接风管将排风排至室外。排风口的风速要大（7米/秒），使其具有一定的射程，而进风口速度则要小（2米/秒），进排风口垂直高差应尽可能大，以避免气流短路。

二、辅助热源机组的配置 

风冷热泵冬季的供热量是随室外气温的下降而降低，室外气温每降低1℃，供热量大约降低2%；而随室外气温的下降，室内需热量却需增加，所以应考虑设置辅助热源，辅助热源可以是电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、汽-水热交换器等等。根据工程经验风冷热泵机组每1RT制冷是配置0.6kW辅助热源是较为稳妥的，这样的配置可以充分保证整幢建筑在冬季的空调效果。当然目前许多工程出于投资的考虑往往不配置辅助热源，这也是许多采用热泵的建筑在冬季空调效果不好的其中一个原因。

影响风冷热泵冬季供热量的主要原因是冬季室外空气的相对湿度，特别是室外空气相对湿度大于75%的地区，风冷热泵的结霜较快；除霜时须停止供热，使机组的总供热量下降，功耗增大。因此笔者建议冬季室外空气相对湿度平均值高于75%的地区不宜使用此类机组。如若有其它原因而必须选用热泵机组的话，应考虑配置辅助热源。

 三、工程的噪声控制 

风冷热泵空调工程的噪声控制首先是在设备选型阶段就要优先选择噪声较低的品牌，目前单台风冷热泵的噪声一般在65～85dB之间，每增加一台机组，整体噪声将增加3dB，当一个工程中热泵的台数较多时则噪声就较难控制。因此在选用热泵的工程中机组的台数不宜过多，换句话讲就是热泵不宜在大型空调工程中采用，一般情况一个工程的热泵台数不应超过5台。

另外，在机组的布置中除应考虑排风通畅，避免排风回流以外，在机组的底座及进出水管处必须安装减震装置，隔震效率要满足设计要求。在供冷、供热站内的空调水主干管道要安装有减震的吊架或支架，防止机组和水泵的振动通过管道传到其它地方。

再则，在有条件的情况下机组应尽可能布置在主楼屋面，减小其噪声对主楼本身和周围环境的影响。

六、风冷机的工业应用

风冷机组分为单冷型和热泵型，其中热泵型机组集制冷、制热、热回收功能于一体，能实现夏季降温，冬季采暖，制取生活热水，一机多用。产品广泛适用于华东、华南、西南、西北地区以及一些水源缺乏的区域。同时对冬季气温相对较低且无锅炉或其他供热条件的地区尤为适用。

风冷机组可直接放置在屋顶、裙楼平台或水平地面上，无需建造专用机房、锅炉房，安全而清洁，以室外空气为直接冷（热）源。是目前冷（热）水空调设备产品中保养维修比较经济、简单的机种。

因此除了家用，风冷机的主要工业应用如下：

纺织、漂染、制衣、塑胶、激光技术、焊接、热力塑型、机械切削加工、非切削加工、铸造、表面处理、电镀、电泳、医疗设备、电子行业、电路板生产、电子芯片制造、化工、造纸、制药业、食品加工业、铝型材、铝合金、钢化玻璃、镀膜玻璃生产、超声波清洗、首饰加工、皮革、皮草加工、油墨生产、养殖业、喷涂、玩具、鞋类等有高温的工厂车间、适合于开敞式及半开敞式环境。

来源：制冷世界