关于风冷热泵空调系统的设计方法

空调负荷包括空调冷负荷和空调热负荷。空调冷(热)负荷指为将室内的空气参数维持在设计参数状态,单位时间内需向建筑提供的冷(热)量。这是一个受室内设计参数,室内人员、设备等散热和散湿量,围护结构性质,室外空气环境参数(包括温度、湿度、气流速度等),太阳辐射强度等诸多因素影响的变量。让空调系统恰如其分地提供冷(热)量,以满足设计计算状态下建筑物的需求,并随时适应建筑物空调冷(热)负荷及其变化的需要是空调设计的根本目的。
在空调系统设计过程中,空调负荷计算是第一步。空调负荷的计算应包括空调设计计算负荷的确定和各时段负荷的分析;其次,设备的容量必须满足空调设计计算冷 (热)负荷的要求;另外设备的配置应适应空调负荷变化的特点。在以空气源热泵型冷热水机组为冷源的空调系统设计中,热泵机组的容量既要考虑到大楼各部分的同时使用系数,还应考虑到热泵的实际制冷量和实际供热量会因设备间距限制等原因造成通风不畅,部分气流短路(这部分的出力损失约占5%左右)而受到影响, 和室外换热器表面积灰和表面结垢、设备衰减等因素的影响,故所选择的热泵机组应考虑安全系数。
由公式来表示:Q=β1?β2?QD.
式中:Q——热泵机组在设计工况下的制冷(供热)量,KW
QD——设计计算负荷,KW
β1——同时使用系数,由具体工程定,一般为0.75~1.0
β2——安全系数,一般取1.05~1.10
另外,热泵机组既要满足系统夏季的供冷要求,又要满足系统冬季的供暖要求。不同供应商的热泵机组的额定制冷量、额定供热量的参数不尽相同,与各地区空调室外设计参数不一定一致。对南京而言,一般供应商所提供的热泵机组额定制冷工况条件与实际一致或相近,一般空气干球温度为35℃,空调冷冻水进出水温度分别为12℃、7℃左右。而冬季制热的额定工况条件为室外空气温度7~8℃,进出水水温为50-55℃。这一条件与南京地区冬季空调设计计算温度相差甚远。南京气候特征为冬冷夏热。对于一般办公、酒店为主的综合楼,冬季空调供暖设计计算热负荷约为夏季空调设计计算冷负荷的70-85%.在热泵机组选择时,应查看热泵机组对应于当地设计计算气象参数条件的真实出力。如果热泵机组在设计计算室外参数条件下的制冷量大于设计计算冷负荷,而制热量等于热负荷,则应以热负荷为准选择热泵。反之,如果制冷量满足设计计算冷负荷要求,而供热量大于所需热量,则可考虑部分选用风冷型冷水机组,部分选用风冷型热泵机组,以减少投资。一般情况下,按夏季冷负荷选定的热泵,能满足冬季供暖的要求。
机组类型与台数的确定
风冷热泵型冷热水机组根据压缩机的不同可分为涡旋式热泵机组、活塞式热泵机组和螺杆式热泵机组;按机组结构大小、组合规模不同,热泵机组可分为整体式热泵机组和模块式热泵机组。整体式热泵机组与模块式热泵机组没有本质的区别,所谓模块式热泵就是指一台热泵机组由若干台热泵单元(有独立的制冷回路,独立的蒸发、冷凝,独立的框架,甚至有独立的控制板)并联而成,各单元增减组合灵活方便,任意一单元的故障不影响其余各单元的工作。
国内的热泵机组生产企业以生产模块式热泵机组为多,而整体式热泵机组从外观上看是一组合单元、一整体框架,虽然内部可有多台压缩机,甚至有两个以上的制冷回路,但它们之间一般不可再分解。模块式热泵机组的主要优点是噪音低、振动小,由于系统总的制冷回路多,冬季化霜时对系统水温影响小。系统互备性也好。另外,热泵机组一般置于屋顶,模块式热泵机组由于各单元组合灵活,各单元尺寸小、重量轻,故具有运输、吊装、安装方便等优点。如工程较大,模块式热泵机组会由于制冷单元数量较多,而存在故障点多、维护量大的可能性,额定工况下的效率也略低于整体式机组。另外,由于模块化热泵一般采用板式换热器,对水质要求较高,对各单元之间水力平衡的要求也较高。综上所述,对较小系统,或对尺寸、重量、吊装等有特殊要求的场合,模块式热泵有其优越性。
至于活塞式热泵机组与螺杆式热泵机组,从理论上讲,螺杆式热泵机组的运动部件少,维护量少,效率高,噪音也低。但由于热泵的噪音很大一部分来源于风机,而且压缩机的噪音可以通过加隔音罩等办法降低,故实际上螺杆式热泵的噪音比活塞式热泵的噪音略低(约3-5dB(A))。另外,对于热泵机组的热阻主要在室外换热器侧,热泵的效率受两器面积等因素的影响,故从工程角度出发,螺杆式热泵与活塞型热泵在效率上的差异有限,但螺杆式热泵的价格高于活塞式热泵。
关于制冷剂问题,有条件时尽可能选用对环境影响小的制冷剂,如R134a、R407C等,其中应优选R407C,其次是R134a;从制冷剂价格考虑,目前最便宜的是R22.
热泵机组的位置
热泵机组的位置有下列几种:一是置于裙楼顶,二是置于塔楼顶,三是置于窗台,四是置于净高较高的室内。考虑到吊装及日后更换等原因,热泵机组较多的置于裙楼顶。当热泵机组置于裙楼顶时,要评估其对主楼及周围环境的影响,较大的热泵机组(≥200RT),单机噪音在75~85db(A)左右。有必要时可加隔音屏障,或在主楼靠机组侧避免开门,做双层窗或高质量中空玻璃取代普通单层玻璃窗。布置于窗台的热泵机组往往是每层要求独立配置、单独计量的场所,只限于较小容量的热泵机组,宜采用侧进风侧排风的形式。选用上排风热泵机组时应安装导流风管,改成侧排风。即使室内有较高净空,热泵机组置于室内是不可取的,受条件限制必须设置于室内时,室内应有穿堂风可利用,要有足够的进风面积,并将排风通过风道有组织地排至室外,防止气流短路。加接排风管时,对风机应作相应的调整,避免因阻力的增加而减少通风量。比较理想的方法还是将热泵机组置于塔楼顶,使热泵机组有良好的通风条件,并使噪音影响面降为最小。
但应注意,热泵机组不能临近住宅或其他对噪音要求较高的房间布置,不得紧贴住宅(客房)上面或下面布置热泵机组及水泵。热泵机组宜采用弹簧减振器隔振,减振器型号及布置点经计算确定。热泵机组靠女儿墙及主楼的距离大于3m,机组间的间距不宜小于3m,有条件时距离应加大。热泵机组的布置除考虑对周围环境影响小,通风好外,还应考虑管线布置、设备吊装及以后的更换等因素,有条件时留出1~2台机组位置,为以后发展留下余地,并为设备安装及更换考虑足够的荷载条件。
水泵的选择与布置
水泵的数量宜与热泵机组的台数相对应。热泵机组与水泵的连接方式宜采用一对一串联的方式,热泵机组与水泵联动。热泵机组数量较多时,水泵可贴临热泵机组布置,水泵应具有防水性能并加挡雨吸音罩;热泵机组数量较少时,水泵宜集中布置于室内。备用水泵可采用先不安装而临时替换的方法。如果水泵采用先水泵组并联再与并联的热泵机组相串联的方式,则并联的热泵机组数量不宜超过6台,并应有可靠的水力平衡措施。这种连接方式应将水泵布置于临近热泵的室内,也可以置于地下室,水泵的台数应考虑1~2台的备用泵。在选择水泵规格时,尽可能选低转速泵,以减低噪音,水泵的流量可按系统所需流量的1.1倍选取,水泵的扬程应等于系统所需克服的总阻力。水泵的功耗应控制在热泵出力的1/30之内。水泵的布置要有一定的间距,有条件时预留1~2台水泵的安装位置以备发展之需。水泵也应有可靠的隔振措施。

末端设备的选择(一级)
夏季工况条件下,热泵机组额定供回水温度分别为7℃和12℃,这与一般空调器的额定工况相一致,空调器的选择计算与其他形式的空调系统相一致。冬季工况条件,热泵空调系统在额定条件下(室外空气8℃),热泵机组的额定供回水温度一般分别在47℃、42℃。而当室外温度较低时,热泵空调系统的供水温度一般维持在39~40℃。这一水温条件明显低于锅炉供热系统的额定供回水温度(分别为60℃和50℃),也即低于一般空调器性能参数表中给出的额定进出水温度 (也分别为60℃和50℃),由于水温不一样,空调器的散热量有明显差异。有学者因此认为热泵空调系统的末端设备应在夏季工况计算选择结果的基础上有所放大。但根据我们的计算,南京地区热泵空调系统的末端可以采用夏季制冷工况条件下的计算选择结果。这一方面是由于南京地区一般建筑物的采暖热负荷小于夏季供冷冷负荷,另外,同样的空调器,60℃进水温度条件下的供热量明显大于7℃进水条件下的制冷量。冬季当进水温度降至39~40℃时,空调器的散热量能满足室内供暖的要求。此外,习惯上按中档参数选择空调器,本身就有一定的裕量。如果热泵空调系统有4个以上的制冷回路,化霜对水温不会造成明显的波动,故不会影响室内温度的波动。但当热泵系统只有1~2个回路时,为减少化霜对室内温度的影响,有条件时,可将空调器启停控制与水温同步,如当水温低于35℃时,空调器风机停止运转,当水温高于35℃时风机恢复运转。这样可有效提高室内的舒适性。