风冷热泵技术浅析

风冷热泵技术浅析

王思洁

Analysis of Air Cooled Heat Pump Technology

摘要：风冷热泵机组是蒸汽压缩式制冷（热泵）机组中的一种。它作为一种比较成熟的冷热源产品，以其一机冬夏两用、占地面积小、无污染物排放、结构紧凑、安装方便等优点，近些年来在暖通实际工程设计中被广泛应用。本文就风冷热泵的原理、优缺点及其在设计中应小时当注意的几点问题做了简要分析及说明。

Abstract: Air-cooled heat pump unit is a kind of vapor compression refrigeration (heat pump) unit.As a more mature of cooling and heat source products, in recent years, it is widely used in HVAC engineering design.Because is a dual-purpose machine in winter and summer, small occupation area, no pollutant emission, compact structure, convenient installation，etc. In this paper, the principle, advantages and disadvantages of air cooled heat pump and some problems that should be paid attention to in the design are briefly described and analyzed.

关键词：风冷热泵，优缺点，减震，除霜

Keywords: air-cooled heat pump, advantages and disadvantages,shock absorption, defrost.

0.引言

近些年来，风冷热泵机组在工程设计被越来越多的设计师所采用。该系统在冬季室外温度不低于零下8℃，室内供热需求不大的地区（如我国长江流域、西南、华南地区）有着大量应用。目前市场上应用较多的为模块式风冷热泵机组（将各个独立的风冷热泵机组组合在一起使用）。它可以根据用户侧负荷的变化灵活控制模块单元机组的运行台数，降低了系统运行能耗，同时，其组合模式也为建筑改扩建提供了便利条件。

若想合理设计和使用风冷热泵系统，应了解其工作原理，并熟悉其优缺点，进而可以在工程设计中减少和避免一些实际问题。

1.风冷热泵原理

所谓热泵，就是利用外部能源从低品位热源（如空气、水、岩土）向高品位能转化的制热装置，通常讲就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统或是用作供热的制冷机称为热泵。

如图1-1所示，其主要由压缩机（包括原动机，如电机）、冷凝器、膨胀阀（或其他节流膨胀装置）和蒸发器等四大部件及连接管路、辅助设备、控制安全仪表组成，系统内充注制冷剂。其工作原理是基于压缩式制冷循环（逆卡诺循环，利用制冷剂作为载体，压缩机将从蒸发器来的低压制冷剂蒸汽进行压缩，变成高温、高压蒸汽后送入冷凝器，蒸汽受到空气的冷却放热并凝结成高压液体，再经膨胀阀膨胀节流后变成低压、低温的气液两相，进入蒸发器进行气化吸热制冷，吸热气化后的制冷剂再次进入压缩机进行下一个循环），通过室外风机进行强制换热，从大气中吸取或排放热量，进而达到制冷或制热的目的。

图1-1 风冷热泵制冷原理图（制热工况过程相反）

2.风冷热泵系统优缺点介绍

为了更好地选用风冷热泵机组和设计相应空调系统，应对它的优缺点有比较充分的认识和了解。

2.1风冷热泵系统优点介绍

风冷热泵机组属中小型机组，适合1000-10000平方米商场、酒店、办公、娱乐场所等，布置方便灵活。

该系统冷热源一体，可实现夏季供冷冬季供暖，还可提供生活热水，可谓一机多用。机组屋顶户外安装，节省了机房面积。风冷代替冷却塔冷却水系统，节省管路耗材，为用户节省投资。

风冷热泵一次能源利用率可达90%，冬季利用较少的电能从室外空气中获得较多的供热量，优于传统的锅炉作为热源的供暖方式，节约能源，降低用户成本。它供热时无燃烧燃料过程，避免了排烟污染环境。

设计时可采用模块机组组合形式，不必设置备用机组，运行过程中电脑自动控制，调节机组的运行状态，使供冷供热量与用户实际需求相协调。提高了整个空调系统的合理性和可靠性，便于控制、保养及维护。

2.2风冷热泵系统缺点介绍

风冷热泵的一般适用于冬季室外环境温度-5℃以上的地区，如冬季室外温度过低，会导致机组结霜除霜过于频繁，增加机组能耗，影响机组效率甚至导致机组无法正常运行。

夏季室外温度较高时，机组冷凝温度高，制冷量会下降。

室外机采用风冷方式，由于空气比热小，机组空气侧换热器体积比水冷换热器体积大很多，并且其能效比低于水冷方式。

在室外温度较低时启动困难，需增加辅助电加热，而且此时机组供热效率较低。由于相关技术的进步，现在已产生出在低温环境下拥有较高机组效率的风冷热泵机，如采用低温喷焓技术的机组，但此类机组一般成本较高。

2.3风冷热泵设计中应注意的问题

风冷热泵系统运行时，会出现各种实际问题，有些问题往往是设计不合理造成的。下面本文将着重就风冷热泵机组设计中可能遇到的选型、噪声、布置、除霜等问题进行逐一说明及分析，为优化机组设计选型布置、使其运行更加可靠稳定提供一些依据及方法。

1）机组供热量选择

机组冬季运行时，供热量随室外温度的降低而减少。如果选择机组时，环境温度取得过低，虽然在较低温度时仍能满足供热要求，但机组容量将增加。如果台数匹配不好，有可能在较多时间内运行效率降低。因此，选择机组的时候一般要求在绝大部分时间内满足供热量的供需要求，以保证机组的较高运行效率。供热量不足时可采用辅助加热器补充热量，热源可以是电、蒸汽或热水等。

另外，风冷热泵机组在产品样本中给出的制热量仅是名义工况下的瞬时热量，由于机组冬季需进行除霜，故机组冬季制热量应根据室外空调计算温度修正系数和化霜修正系数，按下式进行修正：

                  (3-1-1)

：机组制热量,kW

q：产品样本中的瞬时制热量（名义工况：室外空气干球温度为7℃，湿球温度为6℃）,kW

:使用地区室外空调计算温度的修正系数，按产品样本选取。

:机组化霜修正系数，应根据生产厂家提供的数据进行修正；当无数据时，可按每小时化霜一次取0.9，二次取0.8。

2）COP及IPLV

COP是衡量风冷热泵机组性能好坏的重要参数。COP=制冷量/耗电量，设计时应选择COP值较高的机组，来达到以较低的耗电量获得较高的制冷量。IPLV是风冷热泵机组的综合部分负荷性能系数，它反应了风冷热泵机组部分负荷运行时的性能。随着我国公共节能事业的发展，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》等国家相关规范对风冷热泵等设备的性能系数做了相关规定。在实际工程设计中，应选用符合规范要求的的节能环保型设备。

最新《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中对风冷热泵的COP和IPLV值也进做了相关规定，详见表3-2-2和表3-2-3。

表3-2-3 名义制冷工况和规定条件下定频风冷热泵机组的制冷性能系数（COP）

表3-2-3 定频风冷热泵机组综合部分负荷性能系数（IPLV）

3）机组防腐

风冷热泵机组一般安装于屋顶室外，常年经历风吹日晒雨淋，特别是部分污染和酸雨严重的城市和空气中盐分较多的沿海地区，机组使用几年就会外表面锈迹斑斑，不仅影响机组外观更降低了机组使用寿命。

因此在设备选用时，应根据项目当地的环境气候情况，综合考虑机组防锈防腐蚀措施。目前的作法有：1）机组的顶板、底板、框架、面板全部用不锈钢材料制造2）框架为一般角钢、槽钢经镀锌处理，面板、顶板等用烤漆板或彩色钢板3）顶板、底板用不锈钢钢板，框架用铝合金，面板用镀锌板，表面经磷酸锌处理后，再烤聚脂漆4）顶板为不锈钢，底板为镀锌钢板表面涂环氧树脂，框架为铝合金。面板用镀锌钢板，表面喷涂PVC面层5）不锈钢框架铝合金面板，顶板、底板用经过防腐处理的镀锌钢板。机组装配用的螺丝、螺帽及辅助金属材料，均经镀锌处理或采用不锈钢材料。

4）辅助热源与除霜

风冷热泵冬季使用时，其供热量受室外温度影响很大。在寒冷地区，冬季室外空调计算温度很低，风冷热泵的蒸发温度低，压缩机在高压缩比下工作会导致压缩机的容积效率下降，热泵的制热能力及制热性能系数都将下降。室外温度每降低1℃，供热量大约降低2%。室外温度下降，室内热负荷就会增加，此时机组供热量却无法满足室内需求，这种情况需要考虑设置辅助热源以满足室内负荷要求，如辅以小型锅炉、蒸汽或电采暖等。

    冬季室外空气的温度和相对湿度对风冷热泵稳定运行也有较大影响。冬季制热工况下，当室外换热器表面温度低于空气露点温度时，风冷换热器表面会结露。而机组在运行一段时间后，换热器表面温度低于0℃就会结霜，影响换热器传热效果和系统制热效果。因此解决好冬季风冷热泵除霜问题是保证机组稳定运行的关键。目前，普遍使用的是反循环除霜。通过四通换向阀将制热过程转换为制冷过程，室外蒸发器转换为散热的冷凝器，机组吸收室内热量排放至室外来融化室外换热器上的结霜。此法方便简单，只需四通阀转换即可实现除霜目的，无需增加其他设备，但冬季四通阀频繁进行转换动作，易磨损损坏，且机组除霜时会停止对室内供热，导致供热量不足，室内温度降低。

在实际工程中，风冷热泵因其全年能效比较好，多用于夏热冬冷地区及无集中供热和燃气的地区的中小型建筑。寒冷地区因结霜及供热效率问题不适合采用风冷热泵进行冬季供热，如必须采用时，机组冬季运行性能系数应大于1.8,并应设置辅助热源以保证冬季供热量。冬季室外计算温度低于10℃应采用低温型风冷热泵。

5）承重与减振

在屋顶布置风冷热泵机组时，必须考虑屋面的承重能力，并应由结构专业核算载荷是否满足要求，如不满足，需增强屋面的承重能力。设备选型时，在其他参数相同时，应尽量选择重量较轻的机组。风冷热泵机组在运行时会产生振动，影响下层房间的使用。因此布置设备时，应尽量布置在次要房间（楼梯间、卫生间、库房、设备用房等）的屋顶上，避开人员经常或长时间停留的房间（办公室，客房，休息室等）。同时应设置相应的减振措施：机组的底座及进出水管处必须安装减振装置，隔振效率要满足设计要求。空调水主干管道要安装有减振的吊架或支架，防止机组和水泵的振动通过管道传到其它地方。

3.结论

随着空调制冷技术的发展，风冷热泵系统及其相关技术也将不断成熟。冬季低温环境运行效率和除霜等问题也将会逐步改善，这会使风冷热泵系统在未来民用建筑中得到更加广泛的应用。

参考文献

[1] 全国勘察设计注册公共设备工程师暖通空调专业考试复习教材.中国建筑工业出版社.

[2] 全国民用建筑工程设计技术措施  暖通空调·动力.中国计划出版社.

[3] 杨俊华,吴伯谦.风冷热泵除霜方法及其控制.制冷与空调,2006,02.

[4] 江华.选用风冷热泵冷热水机组应注意的问题.制冷与空调,2005,04.