寒冷地區空氣源熱泵機組應用探討

張奕宜

(蘭州有色冶金設計研究院甘肅蘭州730000)

    過去我國北方寒冷地區由于夏季最高溫度峰值較低，高溫天氣持續時間短，所以在關注室內環境的問題上，一直比較注重于冬季供熱。近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，對室內環境的要求也越來越高，對夏季制冷也提出了更高的要求，因此不但有越來越多的新建建筑采用了中央空調系統，而且也有很多舊有建筑諸如商場、賓館、辦公樓等存在空調改擴建的情況。本文僅就空調系統選用空氣源熱泵機組作為冷熱源時談一些淺見。

1、空氣源熱泵機組的特點

    1.1空氣源熱泵機組是一種單元整體式機組，集制冷、加熱、送風、空氣凈化、電器控制等于一體，機組結構緊湊，自帶冷熱源，常以模塊化設計，組合方便。

    1.2機組在結構上考慮了防雨措施，安裝于屋頂或室外平臺上時，可不設防雨和遮陽設施。

    1.3機組自帶全電腦控制，自動化程度高，而且機組電器連接緊湊，現場只需連接少量的控制線和主電源線即可。

    1.4機組采用風冷卻系統，具有安裝于屋頂或室外平臺上，不占用室內的有效面積，省去冷卻水系統等優點；但也使機組存在一個顯著的弱點：就是在其供熱運行時，隨室外溫度的降低，其供熱量逐漸減少，而建筑物的熱負荷卻逐漸增加。所以在實際工程的應用中，這一特點也是機組選用時最關注的問題。

2、機組在空調改擴建工程中的應用

    對于舊有建筑空調系統改擴建工程而言，一般原有采暖供熱系統不拆除，新增空調系統的主要作用為夏季供冷、過渡季節的供熱及最冷天氣時的附加供熱。

    由于北方寒冷地區夏季最高溫度峰值較低，高溫天氣持續時間短，空氣源熱泵機組即使采用風冷形式，仍可滿足夏季絕大多數天氣狀況時的供冷要求，以蘭州某商場為例，即使在空調系統改擴建中使用了空氣源熱泵冷熱水機組，經過一個夏季的運行，除在最高氣溫持續的幾天里達不到室內設計溫度的要求外，其余時間均運行狀況良好。

    北方寒冷地區的過渡季室外氣溫變化多，晝夜溫差大，此時由于供暖系統的停運，室內溫度常低于人體舒適溫度的要求，新增的空調系統間歇啟用、全新風工況運行，由于此時室外溫度不是很低，因此建筑物的耗熱量相對較低，而熱泵機組的效率是比較高的，所以選用空氣源熱泵機組作為熱源，可以達到比較理想的使用要求。

    對于最冷天氣時的附加供熱運行，雖然熱泵機組的效率偏低，但由于原采暖系統已滿足供熱要求，因此對附加供熱量的要求并不高。所以采用空氣源熱泵機組作為新增空調系統的冷熱源，可以使新增空調系統滿足使用要求。

    另外，采用空氣源熱泵機組作為新增空調系統的冷熱源，也減少了使用水冷機組在改造工程中的一些困難，例如水冷機組需要在室內占用機房，而機房位置的選取需考慮系統配置、剪力墻的位置、噪聲振動對周圍房間的影響等諸多因素，對于布局開問已建成的建筑物來說有時還是比較困難的。顯然，空氣源熱泵機組因為置于室外而避開了這一難題。再例如水冷機組的冷卻水系統，對于已建成的建筑物來說，其安裝過程中的工作量往往大于新建建筑，而空氣源熱泵機組因為采用風冷系統，不但節省了冷卻水系統的設備投資，而且也免去了安裝的工作量。

    因此筆者認為，在空調改擴建工程中，應優先考慮采用空氣源熱泵機組作為新增空調系統冷熱源的方案。

3、機組在新建建筑空調系統中的應用

    3.1機組作為空調系統唯一冷熱源時的不足

    新建建筑采用中央空調系統時，一般不再設采暖系統，因此，中央空調系統需擔負起建筑物全年的供冷供熱負荷。由于北方地區的建筑物冬季耗熱量大于夏季制冷量，因此如采用空氣源熱泵機組作為空調系統唯一的冷熱源時，需按照冬季熱負荷選取設備容量。冬季所有機組同時運行，夏季部分機組運行。前面已經談到空氣源熱泵機組采用風冷的形式，其弱點在于供熱(冷)量的不穩定，而北方地區的冬季最低氣溫峰值低，低溫天氣持續時間長，對冬季的供熱要求比較高，所以采用這一方案，初投資比較大。從夏季供冷的要求考慮，系統的富裕量頗大，而冬季供熱時，卻不能完全保證空調系統的室內設計溫度。針對這一情況，增設輔助熱源的方式是合理的。

    3.2確定輔助熱源規模的方案探討

    (1)方案一：主要是基于能量平衡的概念設計確定的，即首先根據建筑物的夏季冷負荷(Q冷)確定空氣源熱泵機組的規模，以此計算出機組在冬季可供給的熱量(Q1)，再根據建筑物的冬季熱負荷(Q)，扣除機組在額定參數下可供給的熱量(Q1)，其余熱負荷(Q2)采用燃油或燃氣鍋爐供給，以此確定輔助熱源的規模，運行時，當室外氣溫(tw)低于機組供熱的額定室外溫度時，啟動輔助熱源系統，空氣源熱泵機組在整個供熱季節始終運行。

    (2)方案二：在方案一中，由于空氣源熱泵機組隨著室外溫度的降低，效率也不斷降低，而鍋爐的效率并不受室外溫度的影響，因此當室外溫度低于某一個值時，空氣源熱泵機組的效率將低于鍋爐的效率。如果在這一階段依然采用空氣源熱泵機組與鍋爐同時運行，勢必增加一次能源的消耗量；如果在確定輔助熱源的規模時，采用最佳能源利用率平衡點溫度的概念，即確定一轉換溫度，確定條件是當熱泵機組的利用系數等于鍋爐的利用系數時，即E熱泵=E鍋爐，在此溫度以上，運行熱泵機組，該溫度以下，關閉熱泵機組，全部運行輔助熱源。這樣，就可以保證熱泵機組在較高：的效率下運行，使整個供熱季節均能獲得較高的一次能源利用率，從而減少了一次能源的消耗量。但是，根據相關資料顯示，平衡點溫度往往高于機組供熱的額定室外溫度，所以采用這一方案，會增加輔助熱源的設備容量，初投資將大于方案一。

    由于各地區氣象條件的差異，熱泵機組和鍋爐的效率在各地區是不相同的，因此各地的平衡點溫度不同。另外空氣源熱泵機組除有冷熱水機組外，也有全冷劑系統，而輔助熱源的供熱介質為熱水，因此輔助熱源系統的投資在整個空調系統中所占的比例也不相同；所以在實際的工程應用中，究竟采用那種方案確定輔助熱源的規模，還需根據實際情況，進行經濟比較之后決定。  

參考文獻:

[1]姜益強姚楊馬最良．空氣源熱泵冷熱水機組供熱最佳能源利用率平衡點溫度的研究．《建筑熱能通風空調))2000．2

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)