空气源热泵系统.doc

空气源热泵1.1 空气源热泵的原理及特点空气源热泵又称热泵热水器，就是一种能全天24小时大水量、高水压、恒温提供不同热水需求，同时又能消耗最少的能源完成上述要求的热水器。并在高效制取生活热水的同时，能够像空调一样释放冷气，满足制冷需求，同时可以在阳台、储物间、车库等局部空间达到除湿的作用防止物品发霉变质或者快速晾干衣物。1.1.1发展历史第一代 大功率燃气热水器：1、出水温度和水压受气候条件影响大，不稳定不易调节水温。 2、燃烧能耗高并伴随排放大量有毒废气，使用年限低。 第二代 大功率电热水器：1、主要是能耗较高，容易漏电伤人，储水量不足。 2、水温过高导致内胆结垢严重使用寿命短。 第三代 太阳能热水器：1、理论上最为节能，但是考虑到实际情况现实环境中会经常下雨阴天及北方冬季等需要外加电辅助，就相当一个电热水器安全隐患大。 2、由于一般太阳能为开式系统热水的水压，完全由高差决定，舒适性差。 3、一般太阳能所使用的真空管极易破碎，维修麻烦，使用年限较低。 第四代：空气源热泵是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放出来，用于制冷。空气在失去能量降低温度的同时，大量的水蒸气被冷凝，因而释放的冷气湿度大大降低，相当于具有除湿的效果。因此该系统集节能中央热水、制冷、局部除湿功能于一体，大大挺高的产品的性价比和使用性能。为更多家庭享受高品质生活提供了条件1.1.2工作原理热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统由于必须有冷源（制冷机），如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。热泵利用的低温热源通常是环境（大气、地表水和大地）或各种废热由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生能源。空气源热泵是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放出来，用于制冷。空气在失去能量降低温度的同时，大量的水蒸气被冷凝，因而释放的冷气湿度大大降低，相当于具有除湿的效果。因此该系统集节能中央热水、制冷、局部除湿功能于一体，大大挺高的产品的性价比和使用性能。为更多家庭享受高品质生活提供了条件1.1.3供冷/热系统流程图空气源热泵通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4部分构成，传热工质在机组内封闭运行，空气源热泵热水机组目前常用的传热工质有R22和R134a，并通过冷凝器和蒸发器与外部发生热交换。1冬天供热在制热时,液态制冷剂在空气换热器中汽化,吸收空气中的热量,低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。由于制冷剂的温度高于水的温度。制冷剂从气态冷却为液态,液体制冷剂经膨胀阀节流后,在压力作用下进入空气换热器,低压气体制冷剂再次汽化,完成一次循环。在这个循环中,随着制冷剂状态的变动,实现了热量从空气侧向水侧的转移图一：制 热 原 理 图2夏季制冷在制冷时,液态制冷剂在水换热器中汽化,使水温降低。低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩,变为高温高压气体,进入空气换热器,由于制冷剂温度高于空气温度,制冷剂向空气传热,制冷剂经气体冷凝为高压液体,高压液态制冷剂经膨胀阀节流后进入水换热器,低压液体制冷剂再次汽化,完成一个循环。在这个循环过程中,随着制冷剂状态的变动,实现了热量从水侧向空气侧的转移.图二：制 冷 原 理 图机组用性能系数 来评价其运行效率， 的计算公式如下：=制热功率/输入功率在标准工况下，机组的值通常 。对不同的传热工质、压缩机类型、容量和种类的机组，其值会有些差异。在运行中，影响热泵机组值的主要因素是蒸发器和冷凝器外部介质 （空气或水）的工作温度，以及它们之间的温差。两者之间的温差越大，值就越低，反之，值就越高。空气源热泵的运行特点是机组出水温度过高，当需要高温热水时，需采用辅助热源；被加热水次温升通常为摄氏度，故采用蓄热运行。另外，机组均有最佳运行工况， 这时的值最高， 当运行工况偏离时， 值降低，偏离过大时甚至不能正常工作。由以上的工作原理可以看出，空气源热泵的工作原理与空调原理有一定相似，应用了逆卡诺原理，通过吸收空气中大量的低温热能，经过压缩机的压缩变为高温热能，传递给水箱中，把水加热起来。整个过程是一种能量转移的过程（从空气中用转移到水中），不是能量转换的过程，没有通过电加热元件加热热水，或者燃烧可燃气体加热热水。 1.1.4空气源热泵的优缺点空气源热泵是新型的绿色能源产业，与传统的燃气、电热水器产品相比，它不仅安全而且节能环保，即使与太阳能相比，也有明显的优势。它一改传统太阳能产品只依赖太阳光直射或辐射来收取能源的方式，利用设备内的冷媒从自然环境空气中采集热能并通过热交换器使冷水升温。其特点包括：优点:1）设计先进通过计算机仿真测试实验室 ，模拟各种恶劣环境的运行 ，调试评估出机组系统的最优化配置方案及机组最合理的 COP 值。运用现代计算机仿真技术结合设计风道系统 ，有效减少高频噪音。2）智能控制强大的微电脑控制功能 ，彻底解决系统运行的安全问题 ，能够智能化的向终端用户提供连续、稳定的卫生热水。3）高端配置电子膨胀阀本身具有很大的调节能力 ，从而更保证了更强的节流能力 ；管翅片热交换器采用内螺纹铜管 ，翅片采用亲水铝箔 ，具有高效的热交换性能 ，从而增大其换热量 ；机组冷凝器采用进口高效优质的螺旋铜管制作 ，换热能力充足 ，能效比更高 ；拥有专利的融霜控制技术 ，保证机组具有良好的制热性能 ，除霜更快更彻底 ；确保机组能够稳定运行。4）高效节能空气源热泵是通过大量获取空气中免费热能，消耗的电能仅仅是压缩机用来搬运空气能源所用的能量，因此热效率高达380%600%，制造相同的热水量，空气源热泵的使用成本只有电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，太阳能热水器的1/2。高热效率是空气源热泵最大的特点和优势，在能源问题成为世界问题时，这是空气源热泵成为“第四代热水器”的最重要的法宝之一。5）绿色环保、安全可靠空气源热泵独特的使用原理，实现其在工作过程中彻底水电分离，从根本上杜绝漏电事故；并且由于其在使用过程中无需任何燃料输送管道，没有燃料泄露等引起火灾、爆炸、中毒等危险；同时，空气源热泵在工作过程中没有任何有毒气体、温室气体和酸雨气体排放，也没有费热污染。这些也成为空气源快速发展铺垫了宽阔的道路。6）全天候方便使用空气源热泵由于体积相对较小，可以安装在浴室、阳台和外墙等处，实现使用的无限制性；并且空气源热泵由微电脑控制自动运行，无需专人职守，保证全天候热水供应，同时结合其定时开关功能实现低谷用电，实现更节约的使用效果。6）全方位保护机组有全方位的保护系统、各种参数查询、故障查询、系统参数查询等功能 ，动行安全可靠、方便 ，真正做到无需人员值守，节省开支。缺点：1） 外观问题可以说，空气源热泵目前主要的弊病之一是体积硕大，对安装场所的选择有一定要求。空气源热泵一般可分为一体式和分体式两种，由于城市家庭卫生间普遍较小，因此不管是哪种类型，其庞大的身躯可能会让使用者望而却步。2） 结霜问题区域性特征明显，因其对外界环境温度依赖过大，其正常工作环境温度在-5度-40度之间，故基本适用于华东、华南等长江以南地区，广东、福建、浙江、湖南、江西、云南等省份空气能热泵发展比较良好。3） 压缩机易烧坏目前市面上的空气源热泵普遍采用循环式加热系统，该系统日益暴露出技术缺陷，即在高温高压工况下运行，容易使压缩机老化、碳化，加之系统润滑效果不好，导致压缩机易被烧坏。4） 换热器和套管换热器易结垢断裂。空气源热泵的出水温度通常可达到50至60摄氏度，在这个温度范围内水是最易结垢的，如果不能定期清洗换热器，对于板式换热器而言，就会胀破，对于套管式换热器而言，其内管会破裂，从而导致整个热泵热水机组失去功能。1.2空气源热泵系统的设计 由于空气源热泵冷热水机组具有夏季制冷、 冬季可利用室外空气做低位热源制热、 节约能源、 无需安装冷却塔等优点， 目前已得到广泛应用。但是空气源热泵冷热水机组在冬季运行时工况较为恶劣， 要确保系统安全、 稳定地工作，在系统设计时需全面考虑可能会遇到的问题。1.2.1设计问题的提出：1）：压缩机的工作特点（1）低温环境下热泵循环时压缩比过大冷热水机组既要供冷又要供热， 但二者的运行工况截然不同，制冷工况时，室外环境一般为 2 0 4 3 ，压缩比在2 8 42之间，压缩机处于较好的工作状态，当进入热泵循环时，室外温度可低至0 以下，此时热泵系统相当于一套低温制冷系统相应压缩比便高达5以上，由于压缩比过大，使得压缩机处于大负荷工作状态，容易引起轴承烧坏等故障，同时，高的压缩比又易造成排气温度的升高进而影响润滑油的润滑效果。 (2)压缩机易缺油，液击1低温环境下热泵循环时的缺油，液击 润滑油在压缩机中起到冷却、 润滑的作用， 足够的润滑油是压缩机正常工作的重要保证， 而压缩机工作时排气不可避免地会带出部分润滑油， 这部分润滑油必须能顺利地重新流回压缩机,否则,将造成压缩机缺油， 影响其正常工作。 目前，空气源热泵冷热水机组中常用的制冷剂是 R 2 2和R 1 3 4 a ，这些制冷剂在液态时能与润滑油完全混溶或有较大溶解度， 而在气态时与润滑油是不会混溶的， 因此， 在制冷剂呈液态时， 润滑油与之混合一起流动， 回油不成问题；当它们进入蒸发器后，制冷剂不断吸热蒸发，与润滑油分离开来， 这时制冷剂必须要有足够高的流速才能把润滑油夹带回来， 否则， 润滑油将逐渐积累在蒸发器管路底部，降低蒸发器的传热效率并最终导致压缩机缺油。由于热泵机组吸气管是按制冷工况下的最小回气速度设计的， 制冷时回气速度不成问题， 而制热工况下制冷剂流量仅为制冷工况下的一半甚至更少， 这就使回气速度大为降低，增加了回油难度，同时，在低温环境下，润滑油黏度的增加也加大了回油难度。液击对压缩机也是较大的威胁， 它是由于回液过多引起的。回液过多的原因主要有： 1 )制热工况下， 制冷剂蒸发量较少， 特别是润滑油在蒸发器中越积越多时， 蒸发受阻， 未蒸发的制冷剂液体进入压缩机引起液击的可能性大大增加。2 )在制热工况下， 为防止压缩机排气温度过高，常采用控制适量回液的方法，如果回液量的控制没把握好。 也可能造成回液过多。2 热泵机组逆循环除霜时的缺油和液击热泵机组在冬季运行时，常会面临空气侧换热器表面结霜的问题，这将影响换热器的换热效果，使蒸发压力降低，严重时会使机组停止运行，因此必须对空气侧换热器进行定期除霜。目前，热泵机组的除霜大多采用逆循环除霜的方法，即四通换向阀换向，使机组由制热循环转为制冷循环，高温排气进入空气侧换热器化霜，如图1所示，从图中可看出，四通阀换向瞬间，系统的吸气压力和排气压力变化剧烈， 对压缩机的冲击较大；压缩机相当于从制热时的冷凝器中吸气，这就使大量的制冷剂液体返回压缩机，造成压缩机的液击。另外， 在除霜过程中，制冷剂循环量较小，回气速度较低，也造成了回油困难。空气源热泵冷热水机组制热与除霜循环流程图2）系统的工作要求（1）节流元件方面常见的节流元件有毛细管和膨胀阀。毛细管具有稳定节流的特性，但它的流量调节能力差， 只适用于负荷稳定的场合。普通热力膨胀阀对流量的控制依赖于过热度，也就是说只有制冷剂在蒸发器出口存在过热时，热力膨胀阀才打开、供液，在热泵工况下，这将产生相当高的排气温度， 而且，如想通过适当回液的方法来降低排气温度， 这种热力膨胀阀显然不适用。 （2）系统控制方面要使系统安全、稳定地工作， 在系统控制方面也应有所考虑。例如， 无论在制冷还是制热工况下， 只要压缩机不运转， 总存在制冷剂在压缩机曲轴箱中的积累问题， 原因之一是停机时高低压压差的作用， 原因之二是润滑油对制冷剂的化学吸引作用， 尤其在压缩机温度比蒸发器温度低的时候。制冷剂在曲轴箱中的过分积累， 将在压缩机再次启动时造成液击， 因此，有必要在系统控制中考虑如何阻止制冷剂在压缩机中的积累。 1.2.2设计问题的解决办法：1）压缩机的选择热泵机组的压缩机应满足下列要求： ( 1 )空气源热泵冷热水机组的蒸发温度在-3 5 +1 5 范围内变化， 制热工况下冷凝温度高达 6 5 ， 压缩比为9 。要求压缩机在上述工况下仍有令人满意的效率， 而且不应有过高的排气温度。 ( 2 )吸入含油湿蒸气状制冷剂或吸入含油过热蒸气状制冷剂时， 压缩机均能稳定工作， 即不受吸气质量的影响。 ( 3 ) 压缩机应能承受短期内工作压力的迅速变化， 并能确保回油随制冷剂可靠地回到压缩机曲轴箱内。压缩机曲轴箱内必须设有浸没式加热装置( 如压缩机无加热装置， 应在压缩机底部缠绕加热丝) ， 确保油气分离， 并使压缩机内润滑油温度高于系统的蒸发温度， 以杜绝制冷剂向曲轴箱内迁移。但应严格控制加热装置的输入功率， 以防止润滑油过热和炭化。为此， 建议对大型的空气源热泵冷热水机组， 应首选螺杆式压缩机， 它对湿压缩不敏感， 输气量调节良好，能很好地适应负荷的变化。对小型的空气源热泵冷热水机组及模块化机组， 应选用涡旋式压缩机。它利用涡旋子与涡旋定子的啮合形成多个压缩室，随着涡旋转子的平动回转，各压缩室的容积不断变化， 以此达到压缩气体的目的，具有效率高、 噪音低、运行平稳、抗液击能力强的特点，有着其它压缩机不可比拟的优越性。 2）系统的配置( 1 )为解决热泵工况及除霜时回气速度低造成回油困难的问题， 吸气管道可设计成双吸气管路， 即制冷时， 机组走双路以保证回气顺畅， 制热及除霜时， 机组走单路以提高制冷剂的回气速度。( 2 )由于制冷工况和制热工况的制冷剂循环量不同，为了起调节作用，以适应工况变化的需要， 同时为了在除霜开始和结束时控制液态制冷剂回到压缩机的速度，系统应配置高压贮液器和吸气气液分离器， 并在气液分离器与压缩机之间加设油平衡连接管，确保积累在分离器中的油能返回压缩机。 ( 3 )在节流元件的选择上， 应选用以步进电机为执行器的电子膨胀阀， 使系统能精确控制制冷剂流量，以便更好地适应工况变化， 并能使回气过热度降到接近零度，从而提高蒸发器的传热效率，并使压缩机排气温度不致于过高。 ( 4 )在系统控制上，为防止停机时，制冷剂向压缩机曲轴箱的迁移，在系统控制上应设置抽空循环，即机组需长期停机时，在压缩机停机前，先关闭供液管上的电磁阀，低压侧的制冷剂被泵入冷凝器和贮液器内，直到吸气压力降到压缩机的吸气设定值时，压缩机在低压控制器的控制下停机，这样，在压缩机不工作时，制冷剂被隔离开，防止了它向压缩机曲轴箱的迁移。 .3空气源热泵机组施工热泵机组的选定与实施1.3.1热泵机组的选定空气源热泵机组，关键在于热泵。要靠热泵把存在于空气中的低品位热能搬运到水中去来把水加热，施工要求：1）要求压缩机能承受高温高压； 2）要求有较大换热表面积的蒸发器， 与空气接触的表面积越大， 在同等条件下能搬运到的热能就越多，能效就会越高越节能： 3）高性能的搬热的工质( 也称冷媒) ， 要能在严寒的冬季把寒冷的空气中低品位的热能采集提高搬运到水中去， 要求工质的两态( 液态与气态) 转换温度点要低于 一2 5， 同时要能产生6 0的热水又要求工质的临界压力要低，否则压力太高对压缩机不利或使压缩机进入高压保护而制不了高温热水。 1.3.2方案论证与实施。( 1 ) 系统方案的论证。 空气源热泵机组必须由主机和水箱，循环泵组成， 通过循环把主机产热带入水箱， 对水箱的水逐渐升温加热，水系统的工作情况直接影响到整体效果，所以我们称之谓空气源热泵热水系统。常用的系统有直接大循环式和定温放水式两种不同形式。直接大循环又有一次加水加热放水和不间断使用补水两种。定温放水由加热水箱和储热水箱组成，加热水箱有不承压定温完全放水和承压不间断自动补水顶水放水式两种。这些系统各有优缺点，通过分析了2 T热泵热水小系统的特性，发现在加热的过程中，水温越低能效比COP值越高，随着水温的升高 C OP值在降低，相同外部工况下同等的水从 加热到5 0 时段与5 0 升高到 6 0 时段所耗用的能量接近。最后选用加热水箱定温全放水方式，控制系统虽然较复杂，但每加热一箱水都是从冷水初始温度到设定温度全过程加热充分发挥热泵输入功率随温升变化的特点 C OP值较高，节能效果明显。加之冬季机组间断工作不易结霜。 ( 2 ) 系统的构成。 设定目标日用热水量为4 5 T， 放1 0 的容积余量，我们的空气源热泵热水系统的日产热水能力需达到 5 0 T。 选用热泵工程机组 ，使其日产热水量为 5 0 T，根据四季环境温度和入水温度， 确定当地的平均环境温度。例如：假定平均环境温度为2 5 ，入水温度为 2 0 。l 0匹机每小时产 6 0 热水 7 5 0 L，用 8台 1 0匹机工作 8 .5小时可产 6 0 热水 5 0 T。冬季气温比较低，假定入水温度为 0 ，此时 1 0匹工机每小时产 6 O 热水4 0 0 L ， 最恶劣的情况下用 8台 1 0匹机工作 1 6小时可产 6 O 热水 50T。 选用一只储热水箱。5 0 T容量，内层不锈钢板,底板厚度 2 0 mm，侧板厚度 1 5 m m一2 0 mm，冲压加强成型，内径 7 m长 (分成 5 m与2 m) 3 m 宽 2 5 m高，外层材料玻璃钢板或不锈钢板冲压加强成型，两层中间 1 0 c m厚的P E橡塑保温， 整体底部 8 根 4 根 2 0号槽钢，在保温层中另加8号槽钢框架。水箱侧面各带液位显示，水箱顶部分别各内置1套不锈钢蒸气管消音装置，以便备份蒸气锅炉启动时使用。 选用两只加热水箱-均为 2 T容量，内外均为不锈钢，中间 5 0 m m西班牙聚氨脂填充保温。 选用热水循环泵,电磁阀 ,系统总电控柜与热泵热水机组匹配。 ( 3 ) 设定系统各环节水温。 安装：空气源热泵热水器和传统热水器不一样，传统电热水器对安装要求不高，但空气源热泵热水器安装要求较高，在安装过程中还要注意一些问题。空气源热泵热水器对安装要求可安装于卫生间、厨房、封闭式阳台、车库、楼梯转角、储藏室、阁楼、地下室甚至客厅等任何位置，尤其是厨房最佳，因为烧饭时厨房空气不好，闷热潮湿，空气源热泵热水器装设在厨房，将会极大改善厨房空气质量，降低厨房温度。空气源热泵热水器阳台安装小居室住户如果装设在敞开式未封闭阳台冷风外泄，就享受不到其他功能，但仅热水功能就比燃气热水器、电热水器、太阳能热水器更省电、省费用和安全、便捷，为求最佳效果，我们建议如住房较小，需安装在阳台的用户最好将阳台用铝合金封闭后进行空气（热泵）热水器安装，让空气和室内产生对流即可享受其他功能，更可以隔离室外的噪音和灰尘空气源热泵热水器安装注意事项：尽可能靠近墙面，以便于安装；接近水源和用水位置，以减少管路长度，分体式安装利于冬天将冷风排出室外（如有需要），减少热损；靠近室外墙地点，便于开凿小洞，以利于冬天将冷风排出室外。另外，最好有地面排水口，以便于将冷凝水排出。空气能热泵通常安装在厨房阳台，出风口通过风管与厨房链接，使得吹出的冷风能直接进入厨房，达到制冷的效果。安装时只需将冷热水口与房屋预留的冷热水链接，通上即可使用，安装非常简便。 操作：空气能热泵多采用微电脑智能控制器，内有时间设定，定时开关机功能，水温设定，通风设定，过热保护等多种智能控制功能。不过大部分功能已由厂家在出厂时就设定好了，直接使用默认值就行了，基本上只需要设定你需要的温度（通常设定在45-60度）就可以使用了。 1.3.3施工过程中的注意事项1 暖通设计人员应针对设计工程的具体情况进行综合经济性能比较，经方案优化后确定是否采用热泵系统，有蒸汽或客房、病房的大楼宜优先采用单冷主机加热交换系统；2 暖通设计人员一定要准确计算工程冷热负荷，确保热泵机组满足工程夏冬季负荷需要；3 螺杆式热泵机组无论是COP值还是维护费用、振动频率、噪音等性能均优于活塞式热泵机组；4 中小型工程采用的小型多台热泵机组配一台水泵或机组水泵数一一对应配置均可，但水泵数量最好不超过三台；5 应重视热泵机组运行环境，在满足热泵机组运行环境的前提下才能答应建筑师们对建筑的美观要求。1.3.4空气源热泵机组的案例解析案例：A工程为历史悠久且具有地方特色的对外营业饭店，设在屋面上的六台中央空调热泵机组型号为YCA90H（制冷量：81kW），水泵型号为SB-X80-65-155K（90t/h；31m；11kW）。系统运行后，发现部分热泵机组启动不了。维护人员先对冷冻水泵检查，发现水泵运行电流为额定电流的一半，水泵厂承认质量有问题，换叶轮后其参数基本接近于设计值。系统再次运行后，个别热泵机组启动不了的问题依然存在，这说明该问题的根源不是水泵。这时有的设计人员开始怀疑一泵拖六台热泵机组及冷冻水管采用异程布置的方案有问题，认为采用泵、热泵机组一一对应方案较可靠。维护人员始终认为上面两种方案都可行。但问题在哪里?后经进一步检查发现个别热泵机组出水管上水流开关的调整螺丝甚至调至下限，仍也启动不了，要用起子硬压平衡板机组才能开启。经现场反复研究水流开关的构造后，终于发现在水流开关平衡板的另一端有一个很不起眼的小螺丝，它与前面讲到的调整螺丝作用力相反，它们一起调整使平衡板调至适当位置，水流开关才能正常工作。故障排除后，系统运行正常至今。案例：B工程热泵机组型号同A工程，为五台，它采用一台热泵机组串联一台水泵然后再五套并联的形式，系统运行基本正常，只是五路并联热泵机组、水泵出现水流量较大，使热泵机组出水温度在10以上。案例：C工程为十八层高层建筑，面积近20000M2，屋顶设三台698KW活塞式热泵机组。屋顶四周为高2.8M钢筋混凝土女儿墙,同时屋顶设有正方梯形形状的钢架玻璃幕墙,幕墙外圈底边比屋面高1.80M,内圈顶面镂空，但面积较小。维护人员发现这些情况后认为：热泵机组闷在玻璃罩内，必将影响机组夏天冷凝器散热效果及冬天蒸发器散冷效果，机组开启一段时间后将会使热泵机组冷凝器的高压保护(夏季)及蒸发器的低压保护(冬季)动作而停机。因此建议把梯形玻璃幕墙罩取消掉，但业主怕影响立面效果而不同意取消，在此情况下只能把幕墙外圈底边抬至屋面上2.8M，把幕墙内圈顶面适当扩大镂空面积。案例：无独有偶，D工程（二十一层）初步设计时二台698kW活塞式热泵机组设在主楼屋顶，高大船形玻璃幕墙把热泵机组包得严严实实，在精美造形幕墙顶部只有较少的透气处。设计人员得知C工程出现的情况后，立即将热泵机组改放至宽敞的裙房屋顶。1.4空气源热泵的适用性分析1.4.1适用性分析空气源热泵技术目前主要应用在热水器和空调上，从功能利用来讲，其可用于制冷，地板采暖以及中央热水 空气源热泵空调适合大于150平米的高档公寓，一套系统即可实现中央空调，地板采暖， 中央生活热水三项功能，相比常规的中央空调，节能 20%-30%以上。由于其运行使用电能，因此运行中没有任何污染及废弃物 。可以实现制冷，地板采暖和供应生活热水为一体，实现一机多用。与其他的电热器相比，具有无与伦比的优势。第一，利用热回收技术，实现制冷的同时，免费享受生活用热水，热水温度可达到55-60 的高温；第二，在空调和地板采暖不用的情况下，可单独生产生活用热水，热水温度可达到55-60 的高温；第三，在提供地板采暖的同时也可生产生活用热水，热水温度可达到55-60 的高温 第四，可以实现定时利用低谷电力加热生活热水，费用更省；第五，可以选装中央循环热水，热水即开即用；第六，在生活热水水箱里内置电加热装置，可使生活用水系统水温更稳定虽然空气源热泵在我国得到了大范围的推广，然而十几年的运行实践发现其适用运行效果并不理想。其主要原因是空气源热泵室外换热器结霜、除霜问题导致机组运行不稳定和可靠性差。学者研究表明，空气源热泵在-55之间，相对湿度在 70%以上的气象条件下运行时其室外换热器表面是最易结霜的。据此，我国空气源热泵结霜地区可分为：低结霜区，如济南、北京、郑州、西安、兰州等；中霜区，如成都、重庆、桂林等；一般结霜区，如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等；重霜区，如长沙因此，在我国较大区域内存在空气源热泵结霜问题。室外换热器结霜主要从两个方面影响空气源热泵机组的运行：一是霜层增加了导热热阻，降低了蒸发器的传热系数。二是霜层加大了空气流经蒸发器的阻力，降低了空气流量，这是结霜对室外换热器性能影响的主要方面。当室外换热器结霜后，随着霜层的增厚，将会导致蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减、电流加大等，最终空气源热泵机组不能正常运行。因此，空气源热泵结霜问题是制约其高效运行的一个瓶颈，是关系到空气源热泵更广泛、更高效运行的亟待解决的关键问题。1.4.2空气源热泵系统的应用技术分析和产品1 出水温度和制冷剂 从空气源热泵的原理可知，空气源热泵热水器可以提高生活用水的温度，而一般与人体皮肤直接接触的最适宜热水温度在4 0 4 5 之间，因而热泵热水器要能满足洗浴等一般生活热水需求，必须至少能把出水温度升高到 5 0 以上，另外考虑到一些应用场合会要求超过 5 0 的生活热水，最合适的空气源热泵热水器是要能产生 6 0 以上的出水温度。而这一点主要受到制冷剂参数和压缩机性能及供应的限制，R 2 2 、R 1 3 4 a 、R 4 1 0 a 和 C02是目前热泵热水器最常用的几种制冷剂。 从国内外的热泵热水器发展现状来看，应该说 R 1 3 4 a的应用逐渐己替代了R 2 2，除了环保要求的原因外，R 1 3 4 a能产生较高的出水温度及压力较低应是主要因素。R 4 1 0 a和 C 0 z 因压力较高应用相对较少。 2 用水方式和产品类型生活热水主要有两种典型的用水方式，一种是连续长时间大量用水如淋浴，另一种是短时间少量频繁多次用水如洗手。目前市场上主要有两种类型的热水器：快速热水器和容积式热水器。快速热水器是指冷水在从流进热水器到流出热水器的极短时间内就被加热到所需热水温度，最常用的就是燃气快速热水器，也有电快速热水器，其优点是即开即用、无储水热损失、体积小、占地面积小、安装方便、价格较低。缺点是不太合适第二种用水方式，一般也不能供多个用水点同时用水，有最低供水压力限制要求，另外对能源输入能力也有较高的要求，比如若使用电快速热水器则配电能力至少也要68 K W以上 。 容积式热水器则使用一个大容积的承压水箱把热水器产生的热水先储存起来，等需要时再放出来使用，最常用的就是容积式电热水器，也有燃气容积式热水器，其优点是适用于任何一种形式的用水方式，可作为热水供应中心来满足多点同时用水的需求，水温稳定，无水压限制，所需的能源输入能力也较小，一般小于同样用途的快速热水器，以家用容积式电热水器为例，配电功率只需 1 K W以上就可满足使用。 缺点是要提前启动热水器来加热水箱中的水，有保温热损失，水箱占用空间大，运输安装不方便，价格也较贵。 空气源热泵热水器由于需要压缩机工作时才能产生热水，而压缩机又不能像燃气燃烧器或电加热管一样频繁起停，因而热泵热水器只能采用容积式的结构形式来既满足频繁用水的要求又保证压缩机的起停次数限制。 3 蒸发器结构形式 空气源热泵热水器的蒸发器主要有三种形式：强制空气对流换热翅片式盘管 ( 与空调换热盘管类似) ，自然空气对流换热平板 ( 与冰箱散热板类似 ) ，太阳能加热平板 ( 与平板式太阳能吸热板类似) 。后两种蒸发器结构因加工工艺复杂，吸热能力小 ( 只适用于家用小型机) ，安装不方便，除霜困难，因而很少采用。而翅片式盘管加工工艺成熟，工作可靠，能适应各种大小换热量的要求，故应用最广泛。 4 冷凝器常用结构形式和布置方式 ( 1 )冷凝器与水箱分开布置，水泵带动水箱中的水经过冷凝器并升温，冷凝器可采用套管式、板式或壳管式等。 优点一 空气源热泵完全同水箱分离，水箱和冷凝器可单独更换；水箱内无结垢问题，只要不漏水即可长期使用；水箱可使用种普通保温热水箱，不需专门定制；容易实现根据水温对冷凝压力的控制；能用于各种加热能力的热泵热水器。 缺点一 需要水泵；冷凝器结垢会比较快且除垢困难；水泵一旦循环会导致水箱内的冷热水混合加剧而破坏水温分层，导致水箱项部的水温下降，使得水箱顶部的出口供水水温降低，也就降低了水箱的热水产率。 ( 2 )冷凝器与水箱一体布置，采用浸泡式盘管等形式的凝器直接加热水箱内的水。 优点一 不需水泵；水箱内传热均匀：压缩机启动运行时不破坏水温分层，不影响热水产率，且优先加热水箱项部的出口水温 。 缺点一 水箱和冷凝器一体，一旦任一部件损坏必须一同更换；整个水箱部件需定制；只适合用于小加热量的热水器：冬天冷水温度较低且刚启动时较难控制冷凝压力。5 系统结构形式 ( 1 )整体式结构，水箱、压缩机、冷凝器 ( 包括水泵) 、 蒸发器 ( 包括风机)和冷媒系统、电控等所有部件都集合在一起成为一个整体。 优点 一整装出厂容易保证产品质量，且现场安装工作量小，对安装工人的技术要求相对较低，只涉及到水路和电路连接；热水器既可室内安装也可室外安装，若安装在室内在夏天还可用来降低其周围环境温度和湿度。 缺点 一考虑到水箱尺寸不能太大，只适合加热量小和水箱容积小的家用或轻型商用热水器采用；若安装在室内而冬天又需要采暖的话，蒸发器排出的冷气就会成为负荷而起不到节能效果；安装在室内时会有压缩机和风机运行的噪音，且对安装空间有最小尺寸限制，不能安装在壁柜等狭窄空间内。 因家用或轻型商用热泵热水器的压缩机和蒸发器等部件尺寸比较小，一般就直接把这些部件布置在水箱顶部，并设计成圆筒状以减小占地面积。( 2 )半分体式结构，将压缩机、蒸发器及其风机系统和相关冷媒系统、电控组成一个独立的部件， 水箱和冷凝器 ( 包括水泵)等其它部件则集合在一起成为一个另一部件。 优点 一现场安装方式布置灵活，水箱部件和蒸发器部件即可同时安装在室内，也可同时安装在室外，或一个部件安装在室内另一个部件安装在室外：水箱部件对室内安装空间也没有特别要求，可安装在壁柜等狭窄空间内以配合装修，而蒸发器部件则可安装在室外以完全避免机组运行噪音对室内的影响。 缺点 一 现场安装调试较复杂，除水路和电路连接外，还涉及到冷媒管路连接；考虑到水箱尺寸不能太大，只适合加热量小和水箱容积较小的家用或轻型商用热水器采用；若压缩机蒸发器部件放在室内时噪音会较大。 ( 3 )分体式结构，除水箱外，将压缩机、冷凝器 ( 包括水泵) 、蒸发器 ( 包括风机)和冷媒系统、电控等其它所有部件集合在一起成为一个整体，大多数情况下热泵热水器厂家 并不提供标准配置水箱，而是根据不同客户的工程实际情况另行购买水箱。 优点一 现场安装方式布置灵活，水箱和热泵本体即可同时安装在室内，也可同时安装在室外，或一个部件安装在室内另一个部件安装在室外；现场安装相对较简单，只涉及到水管路和电路连接；水箱与热泵本体之间的安装距离没有限制：水箱容积可灵活配备来满足不同热水需求，比如一台小型热泵热水器也可能通过配一个大水箱来满足短时间超过其能力十几倍的大量热水需求：热泵本体也可根据需要安装在常年需要制冷的房间内来利用制热水时的免费冷量，而此时仍可将大尺寸的水箱放在室外以免占用室内空间；适合各种大小加热能力的热泵热水器采用，大型热泵热水器一般采用此种形式。 缺点一 每个工程项目都需要专门订购水箱；热水器若室内安装时，噪音会比较大；除了冷热水进出水路外，还需要安装热水循环管路。 通常室外安装的产品形式如下图所示 ( 蒸发器风机一般采用轴流风扇) ，国内商用热泵热水器大多采用此种结构形式 。1.4.3影响空气源热泵系统性能的分析1）环境温度对系统性能的影响环境温度变化对系统制热量和 C O P的影响系统的制热量随着外温的下降而迅速下降，而需热量却随着外温的下降而迅速上升，当外界温度很低时，系统的制热量将小到无法满足这些地区的冬季采暖需求；，随着室外环境温度的降低，系统的供热量有明显的衰减，机组 C O P急剧下降、 压缩机的排气温度和压力不断升高，长期运行将对机组构成安全隐患。下图表示制热量相对值随环境温度的变化，从图中可看出在输人功率一定的条件下， 机组制热能力随环境温度的降低而降低，当环境温度为 一l 0 时，机组制热量只有环境温度为 2 1 时的 2 8 。 . 图四：制热量相对值随环境温度的变化曲线此外 ，机组在 一I O以下的环境温度条件下运行时，室外蒸发器会产生结霜问题，这不但会削弱空气侧换热，而且增加空气的流动阻力，引起机组的故障率会大幅增加，建议在该环境下，采用多热源形式或采用二级压缩的循环方式，降低排气温度并提高机组制热能力。根据专家通过实验得出： 环境温度根据它对空气源热泵系统 C O P值的不同影响可以分为高、 中、 低三个温区，其中中温区( 5 3 0 ) 环境温度的变化对系统工作效率影响显著， 环境温度 3 0 时系统运行性能最佳。图五：系统COP随环境温度的变化曲线图5给出了供水温度为时，空气源热泵随环境温度的变化。由图可知，随着环境温度的升高，热泵热水器的也升高。当环境温度从增加到时，热泵热水器的从.增加到.，增加了.2）环境温度对系统冷凝压力和蒸发压力之比的影响图6：冷凝压力和蒸发压力之比随环境温度的变化曲线图6反映了随环境温度的降低，压比逐渐增大。由于压缩机输入功率受环境温度的变化影响较小，环境温度降低，系统压比增大，压缩机的输气系数变小，制冷量也会变小。环境温度为 一 3 时， 系统压比可高达 6 0，因此在低温运行系统时，会引起耗功增大、效率降低。图7反映了蒸发温度及冷凝温度随环境温度的变化状况。当供水温度维持在 5 0 时，系统冷凝温度基本不变，蒸发温度却随着环境温度的升高而升高，且当环境温度高于4 0 以上时，蒸发温度大于 2 4 ，压缩机基本上处于超界运行状态，这极易引起压缩机过载，影响其使用寿命。图7：冷凝温度和蒸发温度随环境温度的变化曲线3）环境温度对系统性能的影响图8：COP随热水温度的变化曲线实验表明水箱设定温度升高将导致空气源热泵热水器运行性能下降，而且环境温度愈低，水箱设定温度对 C O P的影响愈大。热泵热水器在运行过程中，随着水温的不断升高，系统的加热功率和 C O P在逐渐减小，水温由3 5 上升到5 4。C O P降低了约3 6 。其主要原因是冷凝温度升高导致了制热量减小，压缩机功耗增加。如图 8所示 ,在环境温度 为2 4 ，系统 C O P随热水温度的变化曲线图，从图中可以看出，随着设定热水温度越高，系统C O P的值越低 ，当热水温度从1 5 高到5 5 时，空气源热泵热水器的C O P从5 .2 8降到了2 .4 9 ,降幅达 5 2 .8 。 4）不同的制冷剂对系统效率的影响在空气源热泵热水器运行过程中，由于不同的制冷剂有不同的热力性能，得到的效果不同。相关主业人士测试了热泵系统在典型空调工况下采用工质 R 1 3 4 a ，R 4 0 4 a ，R 4 0 7 c时的性能 ，结果表明采用 R 4 0 7 c热泵的性能与采用 R 2 2比较接近 ，R 4 0 7 c 是比较理想的替代工质 。 5）工质充注量的多少对系统 C O P的影响图9反映了在环境温度为2 4时 ，工质充注量对系统 C O P的变化。C O P的值随充注量的增加先增大后减小，对于本实验装置来说，1 5 k g工质充注量是最佳的，能达到最大的C O P 。显然，各气候条件下的最佳充注量是随环境变化的。 图9：系统COP随工质充注量的变化曲线在对热泵系统进行了打压检漏 、抽真空后 ，就要加入热泵工质，制冷剂充注量过多或过少都将影响制冷装置的工作性能。空气源热泵热水器因其特殊的变工况运行条件，充注量的变化对系统的工作性能影响更大。充注量过少 ， 蒸发 、冷凝压力低 ，系统运行最大功率低 ， C O P低 ，系统加热时间变长； 如果充注量过多，蒸发、 冷凝压力高，系统运行最大功率高，对系统损耗大， C O P 也不高，在最佳充注量附近系统运行性能对充注量的改变不敏感 。在实际的制冷剂充注中， 应尽可能保证蒸发器出口有一定的过热度， 这样既可以保证系统稳定运行 ，也可使得C O P较高 ，这一点可作为系统最佳充注量的一个判断依据。6）节流装置对系统稳定性能的影响通过实验，发现采用不同的毛细管，热泵系统在各种环境下的性能差别较大。环境温度较高时，粗而短的毛细管性能更好；环境温度较低时，细而长的毛细管性能更好。在3 5 的环境温度下 ，短毛细管系统性能比长毛细管性能高 2 1 ， 而在1 5时 ，长毛细管系统性能比短毛细管高 3 。 由于空气源热泵热水器中的套管换热器的冷却水温不断升温，使用毛细管难以满足制热量需求， 这就需要工质流量随之变大， 因此，为了稳定系统性能 ，用热力膨胀阀代替毛细管是较为合理的。 1.4.4选型步骤 除了对空气源热泵系统的应用技术分析以及系统分析以外，在采用空气源热泵系统时还要主要到以下问题：1较适用于夏热冬冷地区的中小型公共建筑;2 夏热冬暖地区采用时,应以热负荷选型,不足冷量由水冷机组提供;3 在寒冷地区,当冬季运行性能系数低于1.8时或具有集中热源、气源时不宜采用.注：冬季运行性能系数=冬季室外空调计算温度时的机组供热量(KW) / 机组输入功率因此在选取合适的空气源热泵系统时，应特别考虑考虑到当地具体的地理条件、气候条件等因素，选型时应该特别需确定下列几个参数： 系统热负荷( k w) ； 自来水补水温度( ) ； 热水设计温度( ) ； 环境温度( ) ( 冬季室外极限温度和室外计算温度) ； 水系统热损失。( 1 )查询当地气象、水文参数 ,确定自来水补水温度,环境温度。 ( 2 )计算系统热负荷。 热负荷计算公式： Q=V c ( t rt ) k 8 6 0 公式中， Q为系统热负荷( k W h ) ； V为设计热水量( L ) ； C 为水的比热； t r 为设计热水温度( ) ； t l 为自来水补水温度 ( ) ； k为考虑水系统热损失的安全系数， 取1 .0 5 1 .2 0 。 ( 3 )确定热泵工作时间， 名义工况下确定热泵的型号和数量 。 热泵的数量确定： N=Q ( T W) 公式中， N为热泵数量( 台) ； Q为系统热负荷 ( k W h ) ； T为名义工况下设计运行时间( 一般取 1 O 1 8 h ) ； W 为名义工况下热泵制热量( k W) 。 ( 4 )按冬季温度条件校核热泵制热量。 按项目当地冬季计算温度 ，查询空气源热泵的性能曲线 ( 由生产厂家提供) ， 确定热泵冬季计算温度时的制热量，按热泵最长工作时间来核对热泵日制热总量， 如满足不了制热 要求， 重新调整热泵型号和数量， 或者加辅助电加热和其它补热方式。 1.4.5应用实例长江工程职业技术学院学生公寓热水系统工程： 地处武汉，在校生6 0 0 0 人， 日用水量 1 5 0 m3 ， 水温 5 5 ， 要求使用空气源热泵制热，同时不受阴雨、风雪等天气影响， 一年四季全天候自动运行，可无人值守，可根据需要灵活定时供给，也可实现多个时间段的定时控制。 确定空气源热泵的型号和数量 ( 1 )查询气象参数。 武汉的气象参数 ： 年平均气温 1 6 C，冬季室外计算干球温度一5 ， 相对湿度 76 ， 冬季平均气温5 左右，最低气温一4 。自来水温度是 1 0 C；夏季室外计算干球温度 3 5 ，湿球 2 8 ，自来水温度是 2 0 。气候条件比较适合使用空气源热泵 。 ( 2 )确定总用水量，并根据总热水量确定总热负荷。 总热水量 1 5 0 立方米d ， 取安全系数=1 .1 ，则总热负荷 ： Q =1 5 0 0 0 0( 5 52 O )1.1 8 6 0一 6 7 1 5 k c a l k W h ( 3 )选定热泵的型号， 计算热泵数量。 设定热泵工作时间 1 5 h d ，假设选用某型号热泵，其性能曲线如下图所示。该热泵名义工况下的制热量为43kw图 三计算热泵数量： N =Q( Tw)一 6 7 1 5( 1 54 3 ) 1 0台 ( 4 )校核冬季工况的制热量，取安全系数点：1 .2 ，则冬季总热负荷： Q = 1 5 0 0 0 0 ( 5 5 1 0 ) 1 .2 8 6 O一9 4 1 9 k c a l k W h 按冬季室外计算温度 一5 校核， 冬季热泵工时间按 1 8 h d ，则单台热泵实际需要的制热量： Q =Q/ ( N T)=9 4 1 9( 1 0 1 8 )= 5 2 .3 k W 参考热泵性能曲线图2 ,该热泵在环境温度 一5 时的制热量约为 3 2 k w，所以要选择的辅助电加热功率： W= ( 5 2.3 3 2 )=2 O .3 2 O k W 结论：需选用 1 O台热泵，另配 2 0 k w辅助电加热，能够满足该项目的要求。 1.空气源热泵系统效益分析1.4.1 节能方面我国建筑能耗占全国总能耗近 3 0 ，并继续增加 ，其中热水能耗占民用建筑能耗