摘要：本文介紹了空氣源熱泵機組的種類(lèi)和發(fā)展；分析了空氣源熱泵機組在全負荷和部分負荷下的性能系數；對冬季和夏季的能耗問(wèn)題進(jìn)行了討論；通過(guò)與水冷式冷水機組系統的比較，分析了空氣源熱泵系統的特點(diǎn)；并且借鑒了一些國外的空氣源熱泵技術(shù)，對空氣源熱泵機組的應用與展望進(jìn)行了探討。

　　關(guān)鍵詞：空氣源熱泵 熱泵系統 性能系數

　　1.1 緒論

　　1.1.1 專(zhuān)題背景

　　隨著(zhù)改革開(kāi)放和大規模的基本建設的發(fā)展、人們對于生活環(huán)境的要求越來(lái)越高，空調系統作為室內空氣參數的主要調節裝置也就相應的越來(lái)越普及。人們對空調的要求也從原1來(lái)的夏季制冷發(fā)展到冬暖夏涼，發(fā)展到對空氣品質(zhì)的進(jìn)一步要求。而且在能源緊缺、強調可持續發(fā)展的今天，在某些大城市和特殊地區，出于環(huán)保的考慮限制使用鍋爐供暖，于是電動(dòng)熱泵技術(shù)成了人們的首選。其中又以空氣源熱泵冷熱水機組較為常見(jiàn)。

　　1.1.2 空氣源熱泵機組的特點(diǎn)

　　空氣源熱泵冷熱水機組是由制冷壓縮機、空氣/制冷劑換熱器、水/制冷劑換熱器、節流機構、四通換向閥等設備與附件及控制系統等組成的可制備冷、熱水的設備。按機組的容量大小分，又分為別墅式小型機組（制冷量10.6～52.8Kw），中、大型機組（制冷量70.3～1406.8kW）。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

　�。�1）用空氣作為低位熱源，取之不盡，用之不竭，到處都有，可以無(wú)償地獲��；

　�。�2）空調系統的冷源與熱源合二為一；夏季提供7℃冷凍水，冬季提供45~50℃熱水，一機兩用；

　�。�3）空調水系統中省去冷卻水系統；

　�。�4）無(wú)需另設鍋爐房或熱力站；

　�。�5）要求盡可能將空氣源熱泵冷水機組布置在室外，如布置在裙房樓頂上、陽(yáng)臺上等，這樣可以不占用建筑屋的有效面積；

　�。�6）安裝簡(jiǎn)單，運行管理方便

　�。�7）不污染使用場(chǎng)所的空氣，有利于環(huán)保；

　　1.2 空氣源熱泵機組的種類(lèi)和發(fā)展

　　1.2.1 分類(lèi)

　　1.從熱輸配對象分為：空氣/水-空氣源熱泵冷熱水機組，空氣/空氣-空氣源熱泵冷熱水機組；

　　2.從容量分為：小型（7kW以下），中型，大型（>70kW）；

　　3.從壓縮機型式分為：渦旋式、轉子式，活塞式，螺桿式，離心式；

　　4.從功能分為：一般功能的空氣源熱泵冷熱水機組，熱回收型的空氣源熱泵冷熱水機組，冰蓄冷型的空氣源熱泵冷熱水機組；

　　5.從驅動(dòng)方式分為：燃氣直接驅動(dòng)和電力驅動(dòng)。

　　1.2.2 發(fā)展

　　80年代中期以前空氣源熱泵冷水機組大多采用半封閉往復式多機頭壓縮機。由于調節靈活和壓縮機性能及換熱器性能的改善，機組的性能不斷提高。但在80年代中期以后，螺桿式壓縮機的技術(shù)進(jìn)步很快。它比壓縮式零部件少（為活塞式的十分之一），結構簡(jiǎn)單，無(wú)進(jìn)排氣閥，噪聲低，可無(wú)級調節，壓縮比大而對容積效率影響不大，故特別適用于氣候偏寒地區的空氣源熱泵和采用冰蓄冷的裝置。因此空氣源熱泵冷熱水機組采用螺桿式壓縮機的越來(lái)越廣泛，而且目前螺桿式壓縮機大多采用R-22為冷媒，可延續到2030年才會(huì )被禁用。其價(jià)格比起其它代替冷媒要便宜的多。目前使用R-22的螺桿式壓縮機的制冷量范圍為：140～3600kW.

　　1.3 空氣源熱泵機組的性能系數cop

　　1.3.1 全負荷時(shí)的cop

　　某一工況下，熱泵出力于熱泵入力（功耗）之比為性能系數cop，它是評價(jià)熱泵裝置的重要指標。通過(guò)分析，不論何種主機，出水溫度對cop的影響，冬季（共熱）比夏季（供冷）大的多。

　　1.3.2 部分負荷時(shí)的cop

　　估量空氣熱源熱泵機組全年運行的經(jīng)濟時(shí)，必須了解各機種的部分負荷性能。部分負荷特性Ф是指制冷機運行負荷率q（%）與耗功率N（%）之比。在夏季，它同樣受室外溫度影響（t出口一定）或出水溫度影響（t室外一定），而部分負荷性能系數cop‘=Фcop全。根據具體情況，部分負荷時(shí)的cop’有可能大于滿(mǎn)負荷時(shí)的cop，這是由于壓縮機能量調節（卸缸或調速等）而冷凝器、蒸發(fā)器的傳熱面積和風(fēng)量等未能調整而改善了工況，才使機組的部分負荷性能提高。

　　1.4 空氣源熱泵機組的能耗分析

　　1.4.1 供暖季節能耗分析

　　1.平衡溫度點(diǎn)對空氣源熱泵機組的制熱季節性能系數的影響

　　對于選定的空氣源熱泵機組，當建筑物的熱負荷較大時(shí)，平衡溫度點(diǎn)將增高，使整個(gè)供暖季的輔助加熱量的增加，從而導致制熱季節性能系數降低；當建筑物的熱負荷較小時(shí)，平衡溫度點(diǎn)將降低，導致整個(gè)供暖季的輔助加熱量的減小。同時(shí)，由于負荷的減小，機組有更多的時(shí)間處于部分負荷下運行。因此，制熱季節性能系數先是增大，然后會(huì )有所降低。且在相同平衡點(diǎn)溫度下，各地區使用熱泵機組具有不同的制熱季節性能系數值。

　　2.運行方式對空氣源熱泵機組制熱季節性能系數的影響

　　一班制時(shí)，熱泵機組都在白天運行，而白天時(shí)的室外氣溫要高于夜間，這使得在整個(gè)供暖季，一班制運行熱泵機組的制熱季節性能系數要高于三班制運行機組。

　　作為一種節能技術(shù)，要評價(jià)空氣源熱泵的節能效應，就必須用到一次能利用率E的概念，一次能利用率在這里指的是熱泵機組的制熱量與一次能耗的比值�？諝庠礋岜脵C組的一次能利用率的提高，一方面有待于進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，提高空氣源熱泵的制熱季節性能系數；另一方面則取決于我國平均發(fā)配電效率的提高。

　　1.4.2 供冷季節能耗分析

　　空氣源熱泵的供冷季節能耗分析采用負荷頻率表法。負荷頻率表法是建立在空調負荷與室內外溫差大致成比例這一假設基礎上的。該方法根據室外空氣干球溫度出現的年頻率數（用于全年運行的空調系統）或季節頻率數（用于季節性空調系統）和空調系統的全年或季節運行工況計算出不同室外空氣狀態(tài)下的加熱量和冷卻量。在計算出冷（熱）負荷后，再根據冷（熱）源機組的變工況性能表查出相應工況下的供冷（熱）季節小時(shí)頻率值相乘，然后累加，計算出冷（熱）源設備的耗能量。

　　經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現供冷季節性能系數與本地區的氣候條件是相一致的，因為供冷季節的氣候越炎熱，室外空氣溫度越高，空氣源熱泵的供冷季性能系數將越低。

　　1.5 空氣源熱泵機組與水冷式冷水機組的比較

　　1.5.1 占地面積

　　單就風(fēng)冷式制冷機外形尺寸而言，要比水冷式制冷機組的尺寸大，但水冷式制冷機需設置冷卻塔和冷卻水泵，因此水冷機的綜合尺寸較風(fēng)冷機要大很多。另外，風(fēng)冷式制冷機一般置于高層建筑的裙樓屋頂或多層建筑的屋頂，其外形尺寸同水冷式制冷機在屋頂設置冷卻塔的占地面積相當，這樣就節省了在建筑物內因設置了制冷機房而多占用的面積。這在寸土寸金的大城市中尤顯優(yōu)勢。

　　1.5.2 系統簡(jiǎn)單

　　風(fēng)冷式制冷機因沒(méi)有冷卻水系統，使制冷系統變得簡(jiǎn)單化，即省去了冷卻塔、冷卻水泵和管路的施工安裝工作量，也減小了冷卻水系統運行的日常維護、保養工作量與維修費用。

　　1.5.3 對建筑物美觀(guān)的影響

　　目前大部分建筑物的水冷式制冷機組，均采用冷卻塔循環(huán)水冷卻系統。冷卻塔安裝在大樓屋面，既影響建筑外觀(guān)，又與優(yōu)雅環(huán)境不協(xié)調。使用冷卻塔常常會(huì )遭到審美觀(guān)念較強的建筑師的反對。而風(fēng)冷式制冷機外形方正，高度一般不會(huì )超過(guò)3m，比冷卻塔要低一半左右，對建筑物外觀(guān)影響相對較小。而且風(fēng)冷機還可防止某些冷卻塔因瓢水而形成的“晴天下小雨”給人們帶來(lái)的不便。

　　1.5.4 水阻力

　　風(fēng)冷機組水系統的另一特點(diǎn)是，風(fēng)冷機水側阻力通常為30~50kPa，遠比一般水冷機的水側阻力80~100kPa要小。

　　1.5.5 節水方面

　　在空調工程上冷卻塔運行中所蒸發(fā)與風(fēng)耗的水量較大，而且無(wú)法回收。例如：深圳經(jīng)協(xié)大廈，空調冷卻水的補水量是整個(gè)大廈中日常生活用水的一倍。而風(fēng)冷機卻無(wú)須消耗冷卻水。

　　1.5.6 部分負荷時(shí)的能耗問(wèn)題

　　美國特靈（TRANE）公司曾做過(guò)水冷離心式冷水機組和風(fēng)冷離心式冷水機組在全負荷和部分負荷的耗電量比較：其數據見(jiàn)表1

　　表1 水冷機與風(fēng)冷機耗電量比較

　　從表中數據可見(jiàn)，在全負荷時(shí)，由于風(fēng)冷式冷水機組的冷凝溫度高于水冷式機組，故風(fēng)冷機的壓縮機需要較大的功率，因此風(fēng)冷式冷水機組耗電量確比水冷機要大，大約大15%左右。但在2/3負荷時(shí)兩者基本持平，且風(fēng)冷機耗電量還略低。而在1/3負荷時(shí)，風(fēng)冷機的耗電量遠遠低于水冷機，大約低30%左右。但由于空調負荷在整個(gè)夏季的分布是極不平衡的，甚至在一天之內各時(shí)段的負荷也差別很大，故機組在最大負荷下運行的時(shí)間是極其有限的，即制冷機大都處于部分負荷下運轉，因此使用風(fēng)冷機的能耗不比水冷機的能耗大。

　　1.5.7 風(fēng)冷機與冷水機綜合費用的比較

　　制冷機的綜合費用，包括一次性投資費用和運行維護費用，就一次性投資費用而言，風(fēng)冷機要比水冷機花錢(qián)多，但是水冷機造價(jià)加上冷卻塔、冷卻水泵、管道和水處理等費用，水冷機的一次性投資費用并不比風(fēng)冷機少太多，況且冷卻水系統中冷卻塔、水管路和水泵等設備的維護保養費、水處理費、冷凝器清洗費等均較風(fēng)冷機組高。冷水機組年運行時(shí)間越長(cháng)，對風(fēng)冷式制冷機組越有利，風(fēng)冷機與水冷機組相比較，其處投資回收期短。所以，南方地區用于空調的冷水機組更適合采用風(fēng)冷式制冷機組。從冷卻條件來(lái)看，南方地區夏季室外濕球溫度較高，也對水冷式制冷機組不利。

　　1.6 空氣源熱泵機組的應用與展望

　　1.6.1 空氣源熱泵機組的應用

　　在此借鑒一些國外的做法：

　　1、對于供熱負荷遠小于供冷負荷的地區，可以對與供熱負荷相應的冷量部分用熱泵提供熱量（冬）和冷量（夏），而其余冷量由cop較高的制冷設備（如離心式）來(lái)解決。這樣夏季的電耗可得以節省。

　　2、采用蓄熱方法，冬季以中午熱泵出力有余，可將該熱量積蓄在蓄熱槽里，到晨、晚不足時(shí)使用，這種蓄熱方法可以在水蓄熱系統中應用，也可以在空氣源熱泵的冰蓄熱裝置中實(shí)現。

　　3、采用熱回收式熱泵，即在熱泵循環(huán)中增設一冷媒/水換熱器，夏季回收部分冷凝器排熱量，冬季可回收空調區內的熱量補充采熱蒸發(fā)器的不足，即在冬季時(shí)不僅是空氣熱源，同時(shí)又利用了內區水熱源。最近國外推出一種與夏季冰蓄冷相結合的空氣源熱泵裝置，全年可實(shí)現八種運行工況，冬季則可根據一天內氣候變化規律完成熱泵供熱功能，彌補了過(guò)去熱泵出力與建筑能耗有相反趨向的不足。

　　4、當有條件多能源供冷供熱時(shí)，可合理組織供能模式，例如：當高層建筑物的標準層為辦公樓而下部裙房為綜合用途者，則高層部分可用空氣源熱泵裝置（有條件時(shí)考慮儲冰），低層部分可采用燃氣吸收式系統。當電動(dòng)制冷設備與燃氣吸收式聯(lián)合供能時(shí)，則可按夏季優(yōu)先用燃氣、冬季優(yōu)先用電力來(lái)協(xié)調供能。

　　5、當利用燃氣作能源時(shí)，可試行熱力原動(dòng)機（燃氣機）直接帶動(dòng)的空氣源熱泵，它不僅利用了空氣熱源，還從原動(dòng)機的排熱中回收大量熱量，其能量利用系數可達1.5左右。國外已有容量達240kW的整體式機組。

　　1.6.2 空氣源熱泵機組的展望

　　隨著(zhù)城市建設對建筑立面美觀(guān)性的要求、對冷卻塔使用的制約等因素，和對能源的利用率，以及某些城市對冷卻塔使用的制約等因素，那么，空氣源冷水機組作為空調冷熱源，在某些地區的使用將會(huì )愈來(lái)愈多，空氣源熱泵也將向著(zhù)成熟和完善的方向繼續發(fā)展。

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