空气源热泵机组的设计选型与工程案例分析

王宏新 汪若童

摘要：本文介绍了空气源热泵机组的使用功能和发展。对冬季和夏季的能耗问题进行了谈论。各个地区的环境温度对空气源选型及使用的影响。分析了空气源热泵系统的特点;对空气源热泵机组的应用与展望进行了探讨。

关键词：空气源热泵，设计选型，工程案例分析

一、空气源热泵的工作原理

空气源热泵，作为热泵技术的一种，是大自然能量的“搬运工”。基于逆卡诺循环原理，通过少量电能驱动压缩机运转，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，加热加水，用于供暖或制取生活热水，所以它有能耗低、效率高、安全性好、环保性强，源源不断的提取空气中的能量用于制冷和供暖。

空气源热泵运行原理，空气源热泵是一个能量搬运装置：

1、介质（冷媒）在蒸发器吸收大量空气中的热能Q1;2、通过压缩机做功Q2，将介质（冷媒）压缩成高温高压气体;3、介质（冷媒）经过热交换器交换热能Q3，以提供热水供末端使用。根据能量守恒定律：热能Q3=电能Q2+ 空气热泵Q1 能效比COP=热能Q3/电能Q2

二、空气源热泵的优势

1采暖过程“零”排放，空气源热泵系统采暖过程不释放固体颗粒物及SO2等大气污染物，能有效缓解城市冬季雾霾指数。燃煤锅炉供暖产生大量的固体废渣，占用大面积场地，空气源热泵可完全解决固体废渣的存储与运转等问题。2运行管理便利，空气源热泵无需专人值守、全自动化运行、自行决定供暖时间。3一机多用，一套热泵系统既能满足冬季取暖需求，又能满足夏季的空调制冷需求，真正做到冷、暖一体，对于三位一体的设备还可以提供生活热水，与锅炉或者集中热网相比，综合造价能低。4采暖费用低，传统的采暖设备。如锅炉、燃气壁挂炉、电采暖设备，其能效均小于1。空气源热泵机组从空气中获取低品位热泵转为高位热能，利用压缩机的逆卡诺循环设备能效大于3.0，相比其他的采暖方式，空气源热泵机组运行费用更低。5采暖舒适性，空气源热泵不受市政统一供热时间的限制，可根据气候变化情况灵活调整供暖时间，提高用户的采暖舒适性。并能根据室外环境温度及调整供暖热水温度，既能提高采暖舒适度又降低供暖能耗。6安装灵活，主机可安装在屋顶或地面，可省去冷冻机房土建投资及冷却系统投资;COP值较高，自动化程度高。

三、空气源热泵机组的设计选型

空气源热泵选型根据地域及室外坏境温度的不同，而直接影响设备的数量。

比如室内采暖温度同样取18℃，北京的室外采暖计算温度是-7.6℃，室内外温差是25.6℃;合肥的室外采暖计算温度是-1.7℃，室内外温差是18.7℃。两地温差相差6.9℃，同样的建筑，北京地区的能耗会大概比合肥多30%。

一）机组选型步骤，1项目信息整理：包括项目的地理位置、采暖面积、功能、围护结构情况、层高等;2确定单位热负荷指标：按功能确定单位热负荷;3计算制热量：总热负荷（W）=采暖面积（m2）×单位热负荷（W/m2）;4确定主机数量：根据计算得出的制热量选配主机台数。

二）影响热负荷的因素，1维护结构的耗热量2由外门、窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量3由外门开启时经外门进入室内的冷空气耗热量4通风耗热量5通过其他途径散失或获得的热量

三）末端形式，1风机盘管：水温要求45～50℃，按技术手册给定制热量选型。2地热盘管：水温要求40～45℃，供回水温差5～10℃。地暖盘管间距200左右，散热均能满足要求。3暖气片：水温要求50～60℃。热泵采暖建议按50℃设计，供回水温差设计为5℃。一般每平方配1.5片暖气片，或根据暖气片样板选型。

四、空气源热泵机组实际工程案例

一）工程概况1.工程名称：兴城市新桥医院。2.工程地址：辽宁省兴城市。3.建筑功能：医院，主要为病房、办公室、食堂等。4.工程范围：主楼共五层，辅楼共二层，建筑面积约 4000 m2，末端为暖气片+风机盘管，此项目为改造项目，非节能建筑。

二）实际使用效果，冬季采暖，室内温度：冬季23℃±2℃。夏季制冷，室内温度：夏季26℃±2℃。末端形式：全空气系统风机盘管暖气片地热

三）设备选型

考虑到当地环境温度，空气源热泵选用奥利凯品牌，可在环境温度为-30℃时正常运行。确定符合使用实际情况的气温和进水水温。针对本项目考虑采暖兼制冷，设计末端为暖气片+风盘，供/回水温度分别为55/50℃（供暖）。

根据采暖负荷计算及设计经验，空气源热泵主机型号为：50P，对应机组台数为：2台：①实际空调使用约为建筑面积的70%，即空调面积约为2800平;②奥利凯50P低环境温度空气源热泵最高出水温度为55℃。

五、空气源热泵机组能耗分析

（一）供暖季节能耗分析1、平衡温度点对空气源热泵机组的制热季节性能系数的影响，对于选定的空气源热泵机组，当建筑物的热负荷较大时，平衡温度点将增高，使整个供暖季的辅助加热量增加，从而导致制热季节性能系数降低，当建筑物的热负荷较小时，平衡温度点将降低，导致整个供暖季的辅助加热量的减小。同时，由于负荷的减小，机组有更多的时间处于部分负荷下运行。因此，制热季节性能系数先是增大，然后会有所降低。且在相同平衡点温度下，各地区使用热泵机组具有不同的制热季节性能系数值。2、运行方式对空气源热泵机组制热季节性能系数的影响一班制时，热泵机组都在白天运行，而白天时的室外气温要高于夜间，这使得在整个供暖季，一班制运行热泵机组的制热季节性能系数要高于三班制运行机组。作为一种节能技术，要评价空气源热泵机组的节能效应，就必须用到一次能利用率E的概念，一次能利用率在這里指的是热泵机组的制热量与一次能耗的比值。空气源热泵机组的一次能利用率提高，一方面有待于进一步改进技术，提高空气源热泵的制热季节性能系数;另一方面则取决于我国平均发电配电效率的提高。

二）供冷季节能耗分析，空气源热泵的供冷季节能耗分析采用负荷频率表法。负荷频率表法是建立在空调负荷与室内外温差大致成比例这一假设基础上的。该方法根据是室外空气干球温度出现的年频率数（用于全年运行的空调系统）或季节频率数（用于季节性空调系统）和空调系统的全年或季节运行工况计算出不同室外空气状态下的加热量和冷却量。在计算出冷（热）负荷后，再根据冷（热）源机组的变工况性能表查出相应工况下的供冷（热）季节小时频率值相乘，然后累加，计算出冷（热）源设备的耗能量。经过分析，发现供冷季节性能系数与本地区的气候条件是相一致的，因为供冷季节的气候越炎热，室外空气温度越高，空气源泵的供冷季性能系数将越低。

六、结论

综上所述，尽管许多人对当地冬季热泵供暖的可靠性和合理性持一定的怀疑态度，但由于空气源热泵的上述某些优点，空气源热泵冷热水机组的发展也相当的快。同时我们也不难看出在空调冷热源的选择方面，空气源热泵冷热水机组作为中央空调的冷热源有着很多优势，如设备利用率高，在气候适宜地区可冬夏共用，省去了锅炉房和冷却水系统，符合我国缺水国情。另外，机组可安装在室外，节省了机房的建筑面积。空气源热泵只是从空气中吸取热量或向空气中释放热量，并不构成对空气的污染，对环境几乎不造成什么影响。因此该机组在中小型建筑中得到了广泛地应用。

参考文献

[1]《民用建筑供暖通风空气调节设计规范》GB50736-2012

[2]陆耀庆《实用供热空调设计手册》（第二版）中国建筑工业出版社

[3]《全国民用建筑工程设计技术措施》2003年版

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