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風(fēng)冷熱泵冷熱水機組的選型和應(yīng)用 |
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風(fēng)冷熱泵冷熱水機組是九十年代在我國開始應(yīng)用的一種新型空調(diào)主機，此類機組既可供冷又可供熱，省卻了鍋爐房和冷卻水系統(tǒng)，安裝靈活方便。機組運行采用微電腦控制，可靠性較高。因此在長江流域的許多空調(diào)工程中得以廣泛采用。但由于各地氣候條件不同，再加上工程設(shè)計方面也缺少經(jīng)驗。因此在使用中也發(fā)現(xiàn)了不少問題。
在進(jìn)行一個工程的設(shè)計過程中，如果當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境允許，同時經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟分析比較后確定該工程空調(diào)冷熱源采用風(fēng)冷熱泵機組，那么設(shè)計人員應(yīng)該著手對國內(nèi)外相關(guān)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行分析比較，為用戶選擇一款較為經(jīng)濟合理的熱泵產(chǎn)品。選型的主要內(nèi)容首先是機組的總體性能分析，它包括熱泵機組的制冷量、制熱量、COP值、噪聲、外形尺寸、運行重量等參數(shù)。其次，分析該類熱泵的內(nèi)部配置，它包括壓縮機型式、冷凝器結(jié)構(gòu)及布置、熱力膨脹閥的配置、蒸發(fā)器型式、能量調(diào)節(jié)方式、融霜方式、安全保護及自動控制項目等等。在進(jìn)行上述分析比較后我們就可以選擇一款較為理想的機組，接下來的工作就是進(jìn)行設(shè)備布置，這過程中我們必須考慮設(shè)備之間的合理間距，輔助熱源的配置以及多臺熱泵整體運行噪聲對周圍環(huán)境的影響等。下面就以上幾方面的問題分別加以闡述。
風(fēng)冷熱泵的性能分析
風(fēng)冷熱泵的冷熱量：這兩個參數(shù)是決定風(fēng)冷熱泵正常使用的最關(guān)鍵參數(shù)，它是指風(fēng)冷熱泵的進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)出水溫度在設(shè)計工況下時其所具備的制冷量或制熱量。它可從有關(guān)廠家提供的產(chǎn)品樣本中查得。但目前在設(shè)計中也發(fā)現(xiàn)這樣的情況，那就是有的廠商所提供的樣本參數(shù)并未經(jīng)過測試而是抄自其它廠家的相關(guān)樣本。這給設(shè)計人員的正確選型帶來了一定困難。因此筆者建議在有條件的情況下設(shè)計人員可根據(jù)有關(guān)廠家的風(fēng)冷熱泵所配置的壓縮機型號，從壓縮機生產(chǎn)廠家處獲得該壓縮機的變工況性能曲線，根據(jù)熱泵的設(shè)計工況查得該壓縮機在熱泵設(shè)計工況下的制冷量和制熱量，從而判斷該樣本所提供參數(shù)的真?zhèn)巍?
風(fēng)冷熱泵的COP值：該值是確定風(fēng)冷熱泵性能好壞的重要參數(shù)，其值的高低直接影響到風(fēng)冷熱泵使用中的耗電量，因此，應(yīng)盡量選擇COP值高的機組。目前我國國家標(biāo)準(zhǔn)是COP值為2.57，多數(shù)進(jìn)口或合資品牌的COP在3左右，個別進(jìn)口品牌的高效型機組其值可達(dá)到3.8。
噪聲：噪聲也是衡量一臺風(fēng)冷熱泵機組的重要參數(shù)，它直接關(guān)系到熱泵運行時對周圍環(huán)境的影響。國內(nèi)有關(guān)專家曾根據(jù)工程實測對各類進(jìn)口熱泵的噪聲劃分為三檔，第一檔在85dB以上、第二檔在75～85dB之間、第三檔在75dB以下。我們在進(jìn)行工程設(shè)計選型中應(yīng)優(yōu)先選擇噪聲在80dB以下的機組。
外型尺寸：風(fēng)冷熱泵機組大多布置在室外屋頂，它在進(jìn)行設(shè)備布置時對設(shè)備與周圍墻面的間距、設(shè)備之間的間距都有明確要求，因此我們在進(jìn)行設(shè)備選型時必須考慮所選設(shè)備尺寸是否符合設(shè)備布置的尺寸要求。在性能相同的前提下應(yīng)優(yōu)先選用尺寸較小的機組，以減小設(shè)備的占地面積。
運行重量：由于風(fēng)冷熱泵機組大多布置在屋面，因此在選型時必須考慮屋面的承重能力，必要時應(yīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)商，增強屋面的承重能力。但在設(shè)備選型時我們應(yīng)優(yōu)先選擇運行重量較輕的機組。
風(fēng)冷熱泵的系統(tǒng)分析
所謂風(fēng)冷熱泵的系統(tǒng)分析，就是在風(fēng)冷熱泵的選型過程中除了比較各自的制冷量、制熱量、COP值、噪聲、運行重量、外形尺寸等參數(shù)外，還要對其各自的壓縮機型式、冷凝器型式及布置、熱力膨脹閥的配置、蒸發(fā)器型式、除霜方式、能量調(diào)節(jié)方式以及熱泵系統(tǒng)的自控和安全保護等等加以分析，比較其各自在系統(tǒng)配置方面的優(yōu)缺點。 壓縮機的型式：
目前用于風(fēng)冷熱泵的壓縮機型式主要有活塞式、渦旋式、螺桿式三種型式。根據(jù)熱泵工作的特點是運行時間長、壓縮比大等情況，筆者認(rèn)為渦旋式和螺桿式壓縮機將成為熱泵壓縮機的主流。其理由是：
1、渦旋式和螺桿式壓縮機較活塞式壓縮機具有傳動件少，從而使壓縮機的磨擦損耗相應(yīng)減少，整機的效率相應(yīng)提高。
2、由于熱泵機組的壓縮比較大，因此對于活塞式壓縮機在相同的余隙容積下其容積效率下降，從而造成整機效率的下降。而渦旋式和螺桿式壓縮機不存在這方面的問題。
3、用于風(fēng)冷熱泵的壓縮機其工作環(huán)境較其它在普通空調(diào)工況下工作的壓縮機要惡劣，每的運行時間也較長，工況變化范圍也較大，因此對壓縮機的可靠性要求就較高。渦旋式和螺桿式壓縮機具有零部件少，結(jié)構(gòu)緊湊的特點，所以尤其適用于熱泵機組。
4、目前所采用的風(fēng)冷熱泵機組一般都采用熱氣除霜的方法來排除冬季供熱工況下空氣側(cè)換熱器上積聚的霜。在除霜開始和結(jié)束時，系統(tǒng)要進(jìn)行反向運行，在原冷凝一方盤管中所積聚的液體制冷劑由于其中壓力突然降低為吸汽壓力而大量涌向壓縮機，造成壓縮機的濕沖程，這對于渦旋式和螺桿式壓縮機而言并沒有什么大問題，而這對于活塞式壓縮機來講極易造成氣閥和連桿的損壞。
5、另外就熱泵壓縮機本身而言渦旋式和半封閉螺桿式比活塞式的噪聲要低。
冷凝器的型式與布置
冷凝器所用翅片型式目前主要有開窗片和波紋片兩種，開窗片換熱效率較高，因此前兩年生產(chǎn)的熱泵機組中經(jīng)常得以采用。但由于我國城市大氣質(zhì)量較差，而這類翅片極易積灰，且較難清理，使用時間一長，換熱效果大大下降。所以當(dāng)前熱泵用冷凝器多采用波紋片配內(nèi)螺紋銅管，其具有換熱效率較高，不易積灰，風(fēng)阻小等特點。
冷凝器的翅片間距也很講究，作為冷凝器使用時以肋化比高、傳熱系統(tǒng)數(shù)大為好，故希望片距小些較好。但當(dāng)其作為蒸發(fā)器使用時，翅片一結(jié)霜，使用時的換熱效果就會大大降低，因此希望片距大一些；一般片距以3mm為宜。
冷凝器的布置型式同其換熱效果和外形尺寸有著直接的關(guān)系。通常熱泵的冷凝盤管布置成直型盤管、V型盤管、W型盤管三種型式。但V型盤管間的較大空間內(nèi)除了軸流風(fēng)機外并無其它零部件，空間利用率低。直型盤管間雖然集中布置了壓縮機、四通閥、蒸發(fā)器等系統(tǒng)有關(guān)零部件，但由于盤管高度較高，迎風(fēng)面速不均勻，冷凝器換熱效率較低，且氣流組織不理想，空氣阻力較大。而W型布置克服了上述缺點，不僅可改善氣流組織提高換熱效率，降低空氣阻力，而且由于在同樣空間條件下，冷凝盤管傳熱面積增大，空間利用率較高，從而縮小了機組外形尺寸。
熱力膨脹閥配置
現(xiàn)在熱泵制冷系統(tǒng)中有采用單膨脹閥和雙膨脹閥兩種方式，所謂雙膨脹閥就是制熱工況和制冷工況各采用一只膨脹閥。如果系統(tǒng)采用一只膨脹閥，按標(biāo)準(zhǔn)制冷工況進(jìn)行選型，由于熱泵系統(tǒng)在制熱工況下運行時系統(tǒng)的制熱量隨著環(huán)境溫度的下降也隨之下降。這時膨脹閥的制熱能力也會有所下降，但其下降的幅度要小于系統(tǒng)制熱能力的下降。這樣在制熱工況下隨著環(huán)境溫度的下降，對系統(tǒng)而言所配置膨脹閥顯得過大。過大的膨脹閥會引起蒸發(fā)器供液過多，蒸發(fā)壓力上升，與室外空氣換熱量減少，從而導(dǎo)致熱泵供熱量的減少。
當(dāng)前許多廠家的熱泵機組多采用雙膨脹閥型式，制冷膨脹閥按標(biāo)準(zhǔn)制冷工況來選擇。制熱膨脹閥如若按標(biāo)準(zhǔn)制熱工況來選擇，那在低溫工況下運行時膨脹閥會顯得過大，所以根據(jù)筆者自己的體會建議制熱膨脹閥按環(huán)境溫度-7℃，熱水進(jìn)口溫度40℃，出口溫度45℃來選型，按這樣條件計算后選定的膨脹閥能在不低于-15℃的環(huán)境溫度下正常運行。
蒸發(fā)器型式
目前在風(fēng)冷熱泵機組中常用的蒸發(fā)器主要是板式換熱器和干式殼管式換熱器。板式換熱器多用在小型風(fēng)冷熱泵中，它具有傳熱效率高、蒸發(fā)器不易積油的特點；尤其是新的帶有內(nèi)置式分配裝置的板塊解決了板片間制冷劑分配均勻性這一關(guān)鍵問題，能在相同的出水溫度下提高蒸發(fā)溫度15～2℃，提高了制冷效率。干式殼管式蒸發(fā)器多用在大中型風(fēng)冷熱泵中，目前其傳熱管已廣泛采用高效管，因此換熱效率有很大提高。但總的來講不及板式換熱器。而且其回油相對困難，常積存于換熱器底部。如在底部設(shè)回油管與吸汽管相通，則由于有液體制冷劑帶入，導(dǎo)致制冷劑過熱度不穩(wěn)定，影響膨脹閥的工作和系統(tǒng)的制冷量。
軸流風(fēng)機的配置
軸流風(fēng)機的配置首先要滿足冷凝器(空氣側(cè)換熱器)的換熱要求，根據(jù)經(jīng)驗風(fēng)冷熱泵機組所配軸流風(fēng)機風(fēng)量與標(biāo)準(zhǔn)制冷量(環(huán)境溫度35℃，出水溫度7℃)之比大約在0.071～0.095/kJ之間，此外還要保證冷凝器迎風(fēng)面的風(fēng)速，因為這關(guān)系到冬季運行時空氣側(cè)換熱器的結(jié)霜速度，迎風(fēng)面風(fēng)速越大冬季運行時越不容易結(jié)霜。但風(fēng)量過大風(fēng)機的功耗也要增大，同時噪聲也要增大，因此一般情況下迎風(fēng)面風(fēng)速取3～5m/s。另外，風(fēng)機配置時還要考慮噪聲，目前一般選用大直徑、低轉(zhuǎn)速、且葉片扭轉(zhuǎn)角度較小的軸流風(fēng)機以降低風(fēng)機噪聲。
能量調(diào)節(jié)方式
目前在風(fēng)冷熱泵機組中常用的能量調(diào)節(jié)方式有壓縮機臺數(shù)控制、壓縮機間隙運行、氣缸卸載調(diào)節(jié)(活塞式)、變頻調(diào)速(渦旋式)、滑閥無級調(diào)節(jié)(螺桿式)。從能量調(diào)節(jié)方式中我們可以看出臺數(shù)控制、壓縮機間隙運行、氣缸卸載調(diào)節(jié)都是屬于有級調(diào)節(jié)，而變頻調(diào)速和滑閥無級調(diào)節(jié)屬于無級調(diào)節(jié)。無級調(diào)節(jié)具有節(jié)能、噪聲和振動小、起動性能好同時也降低了對供電系統(tǒng)的干擾。從這點也可看出渦旋式和螺桿式壓縮機的優(yōu)熱。
除霜方式
各生產(chǎn)廠生產(chǎn)的機組其除霜方法基本相同，大多采用熱汽除霜法；所不同是除霜的控制技術(shù)。常見的有壓差控制法、溫差控制法、溫度時間控制法，其中以溫度時間控制法最為普遍。這種控制技術(shù)中除霜參數(shù)的設(shè)置最為關(guān)鍵。除霜參數(shù)包括除霜溫度、除霜時間、除霜間隔。除霜溫度是由通過位于膨脹閥后的感溫元件來感應(yīng)節(jié)流后的液體溫度，一般設(shè)定值為-5℃，除霜時間隔是計時器控制，一般定為4min。除霜時間也是由計時器控制，一般不超過10min。熱泵發(fā)溫度下降到-5℃，并且距上一次除霜時間間隔夠40min，機組就進(jìn)入除霜模式。如果除霜時間超過1010min而盤管內(nèi)的液體溫度仍未上升到+5℃，機組也要停止化霜恢復(fù)制熱。
在上述三個參數(shù)中除霜時間間隔是直接受環(huán)境影響的，但目前多數(shù)廠家的除霜時間隔仍采用固定值，這種做法導(dǎo)致在低溫高濕地區(qū)結(jié)霜嚴(yán)重的情況下，由于沒有到設(shè)定時間而不能進(jìn)行除霜，從而造成霜層過厚甚至凍結(jié)，機組低壓保護而停機的現(xiàn)象。這個問題應(yīng)在機組調(diào)試中加以注意。因此筆者建議一方面在熱泵的除霜參數(shù)設(shè)置上應(yīng)該因地制宜，不能一概而論。另一方面就是前面曾提到的在低溫高濕的地區(qū)不宜使用熱泵機組。
安全保護與控制
目前國內(nèi)風(fēng)冷熱泵機組的保護與控制多采用計算機控制，其又包括可編程控制和微電腦控制，兩者的控制原理大致相同。
一臺風(fēng)冷熱泵的安全保護系統(tǒng)至少要包括以下幾個方面
1)吸氣壓力過低保護
2)排氣壓力過高保護
3)油壓保護
4)冷水溫度過低保護
5)水側(cè)換熱器斷水保護
6)壓縮機啟動時間間隔保護
7)壓縮機內(nèi)藏電機過熱保護
8)電機過載保護
9)電源電壓過低保護
10)三相電缺相保護
11)油溫控制
風(fēng)冷熱泵控制至少要包括
1)除霜控制
2)多臺壓縮機順序控制
3)能量調(diào)節(jié)
4)故障停機與顯示
5)遠(yuǎn)程控制接口(用于遠(yuǎn)程設(shè)置運行參數(shù)以及控制機組啟停、將機組運行參數(shù)和故障內(nèi)容顯示于控制終端)
風(fēng)冷熱泵的工程設(shè)計
風(fēng)冷熱泵的布置：
風(fēng)冷熱泵冷熱水機組在使用中不同程度的都存在這樣一種現(xiàn)象，即夏季制冷量不足，冬季制熱量不足的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，這里除了設(shè)備本身的因素外也有工程設(shè)計中的問題。主要是設(shè)備布置不合理造成氣流短路，夏季機組高溫排風(fēng)被重新吸入，造成進(jìn)風(fēng)溫度過高冷凝壓力上升，導(dǎo)致機組制冷量下降；冬季正在融霜的機組排出的濕空氣被旁邊正在供暖的機組吸入造成吸入空氣濕度過高，加劇了供暖機組的結(jié)霜速度，從而使其融霜時間延長，供暖時間減少，從而使機組的供熱量減少。
因此風(fēng)冷熱泵應(yīng)盡可能布置在室外，進(jìn)風(fēng)應(yīng)通暢，排風(fēng)不應(yīng)受到阻擋。避免造成氣流短路。如有阻擋物，應(yīng)符合一定的要求。許多生產(chǎn)等單位提供的設(shè)計手冊中對機組之間的間距及機組與墻間的距離均有明確要求，大致如下：機組間的距離應(yīng)保持在2米以上，機組與主體建筑(或高度較高的女兒墻)間的距離應(yīng)保持在3米以上。另外為避免排風(fēng)短路在機組上部不應(yīng)設(shè)置擋雨棚之類的遮擋物。如果機組必須布置在室內(nèi)，應(yīng)采取提高風(fēng)機靜壓的辦法，接風(fēng)管將排風(fēng)排至室外。排風(fēng)口的風(fēng)速要大(7米/秒)，使其具有一定的射程，而進(jìn)風(fēng)口速度則要小(2米/秒)，進(jìn)排風(fēng)口垂直高差應(yīng)盡可能大，以避免氣流短路。
輔助熱源的配置
風(fēng)冷熱泵冬季的供熱量是隨室外氣溫的下降而降低，室外氣溫每降低1℃，供熱量大約降低2%；而隨室外氣溫的下降，室內(nèi)需熱量卻需增加，所以應(yīng)考慮設(shè)置輔助熱源，輔助熱源可以是電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、汽-水熱交換器等等。根據(jù)工程經(jīng)驗風(fēng)冷熱泵機組每1RT制冷是配置0.6kW輔助熱源是較為穩(wěn)妥的，這樣的配置可以充分保證整幢建筑在冬季的空調(diào)效果。當(dāng)然目前許多工程出于投資的考慮往往不配置輔助熱源，這也是許多采用熱泵的建筑在冬季空調(diào)效果不好的其中一個原因。
影響風(fēng)冷熱泵冬季供熱量的主要原因是冬季室外空氣的相對濕度，特別是室外空氣相對濕度大于75%的地區(qū)，風(fēng)冷熱泵的結(jié)霜較快；除霜時須停止供熱，使機組的總供熱量下降，功耗增大。因此筆者建議冬季室外空氣相對濕度平均值高于75%的地區(qū)不宜使用此類機組。如若有其它原因而必須選用熱泵機組的話，應(yīng)考慮配置輔助熱源。
工程的噪聲控制：
風(fēng)冷熱泵空調(diào)工程的噪聲控制首先是在設(shè)備選型階段就要優(yōu)先選擇噪聲較低的品牌，目前單臺風(fēng)冷熱泵的噪聲一般在65～85dB之間，每增加一臺機組，整體噪聲將增加3dB，當(dāng)一個工程中熱泵的臺數(shù)較多時則噪聲就較難控制。因此在選用熱泵的工程中機組的臺數(shù)不宜過多，換句話講就是熱泵不宜在大型空調(diào)工程中采用，一般情況一個工程的熱泵臺數(shù)不應(yīng)超過5臺。
另外，在機組的布置中除應(yīng)考慮排風(fēng)通暢，避免排風(fēng)回流以外，在機組的底座及進(jìn)出水管處必須安裝減震裝置，隔震效率要滿足設(shè)計要求。在供冷、供熱站內(nèi)的空調(diào)水主干管道要安裝有減震的吊架或支架，防止機組和水泵的振動通過管道傳到其它地方。
再則，在有條件的情況下機組應(yīng)盡可能布置在主樓屋面，減小其噪聲對主樓本身和周圍環(huán)境的影響。 |
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