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      風冷熱泵機組的原理、選型、設計

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      風冷熱泵機組的原理、選型、設計

       

      一、風冷熱泵機組是什么?

       

      風冷熱泵機組是由壓縮機——換熱器——節流器——吸熱器——壓縮機等裝置構成的一個循環系統。風冷熱泵的基本原理是基于壓縮式制冷循環,利用冷媒作為載體,通過風機的強制換熱,從大氣中吸取熱量或排放熱量,以達到制冷或制熱的需求。

       

      風冷熱泵機組是中央空調機組的一部分,它主要區別于風冷冷水機組,風冷熱泵在機組內部至少增加了一個四通換向閥,作為制冷或制熱的功能切換,除具備風冷冷水機組制取冷水的功能外,風冷熱泵機組還能切換到制熱工況制取熱水,通過強制換熱,來滿足室內溫度的需要。

       

      和大型中央空調采用水冷熱泵機組不同,風冷熱泵主要用于家用中央空調領域以及一些輕型工業、商用領域。

       

       

      二、風冷熱泵工作原理

       

      風冷熱泵機組是空調系統中的主機,由于采用風冷冷凝器不需要冷卻塔,而蒸發器是水冷的,夏天制冷時提供冷水,冬季制熱時提供熱水,風機盤管是空調系統的末端裝置,裝在室內如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣,采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置,熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量,并把它傳遞給被加熱的對象(溫度較高的物體),其工作原理與制冷機相同,都是按照逆卡諾循環工作的、風冷熱泵相對于空氣源熱泵來說它的能力要低一點,進出水溫差是5℃左右(大部分公司的設置參數),而空氣源的進出水溫差能達到40℃。

      風冷熱泵機組與風機盤管共同使用,前者提供冷水或熱水,后者將冷水或熱水通過熱交換,吸出冷風或熱風。我們可以形象的把風冷熱泵機組比作是中央空調的大腦,如果大腦不工作了,那中央空調將喪失全部功能,系統也將停止運行。

       

       

      三、 風冷熱泵機組的特點

       

      風冷熱泵機組的特點介紹,我們對比水冷熱泵機組和變頻多聯機(VRV系統)一起來講。

       

      風冷熱泵機組 VS 水冷熱泵機組

       

      一、水冷熱泵機組的特點:

      1、應用范圍廣,造價較低。

      2、技術最成熟,也是目前應用最廣的空調系統。

      3、冷、熱源一般集中設置,運行及維修管理方便。

      4、夏季制冷效率比較高,能效比高。

      5、初期投資相對較低,無保溫水管系統大幅度降低了材料費用。

      6、噪音源的數量低于風冷機組。

      7、對機房的要求不高,只需滿足一般的通風換氣要求即可。

      8、機組使用壽命要大大高于風冷機組。

      9、體積相對較小,占地面積少。

       

       

      二、風冷熱泵機組的特點:

       

      1、節約水資源,環保,設備利用率高。

      2、安裝在室外,如屋頂、陽臺等處,無需建造專用機房,不占有效建筑面積,節省土建投資。

      3、夏季供冷、冬季供熱,省去了鍋爐房,對工程建設和景觀設計有利。

      4、省去了冷卻水系統和冷卻塔、冷卻水泵、管網及其水處理設備,節省了這部分投資和運營費用。

      5、冬季供熱節電,熱泵供熱比用電直接供熱要省三分之二左右的電量。

      6、熱泵的形式多種,采用低噪聲熱泵,對周圍環境的影響相對較小。

      7、安全保護和自動控制同時裝于一個機體內,運行可靠,安裝和使用方便。

      8、運行時間越長就越有利,維修保養費用低。

       

      風冷熱泵機組 VS 變頻多聯機VRV系統

       

       

       

      四、風冷熱泵機組的選擇

       

      一、風冷熱泵機組性能分析

       

      1、冷熱量

      這個參數是決定風冷熱泵正常使用的最關鍵參數,它是指風冷熱泵的進風溫度、進出水溫度在設計工況下時其所具備的制冷量或制熱量。它可從有關廠家提供的產品樣本中查得。但目前在設計中也發現這樣的情況,那就是有的廠商所提供的樣本參數并未經過測試而是抄自其它廠家的相關樣本。這給設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計人員可根據有關廠家的風冷熱泵所配置的壓縮機型號,從壓縮機生產廠家處獲得該壓縮機的變工況性能曲線,根據熱泵的設計工況查得該壓縮機在熱泵設計工況下的制冷量和制熱量,從而判斷該樣本所提供參數的真偽。

       

      2、COP值

      該值是確定風冷熱泵性能好壞的重要參數,其值的高低直接影響到風冷熱泵使用中的耗電量,因此,應盡量選擇COP值高的機組。目前我國國家標準是COP值為2.57,多數進口或合資品牌的COP在3左右,個別進口品牌的高效型機組其值可達到3.8.

       

      3、噪聲

      噪聲也是衡量一臺風冷熱泵機組的重要參數,它直接關系到熱泵運行時對周圍環境的影響。國內有關專家曾根據工程實測對各類進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。我們在進行工程設計選型中應優先選擇噪聲在80dB以下的機組。

       

      4、外型尺寸

      風冷熱泵機組大多布置在室外屋頂,它在進行設備布置時對設備與周圍墻面的間距、設備之間的間距都有明確要求,因此我們在進行設備選型時必須考慮所選設備尺寸是否符合設備布置的尺寸要求。在性能相同的前提下應優先選用尺寸較小的機組,以減小設備的占地面積。

       

      5、運行重量

      由于風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,必要時應與結構專業協商,增強屋面的承重能力。但在設備選型時我們應優先選擇運行重量較輕的機組。

       

      二、風冷熱泵機組系統分析

       

      所謂風冷熱泵機組的系統分析,就是在風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、蒸發器型式、除霜方式、能量調節方式以及熱泵系統的自控和安全保護等等加以分析,比較其各自在系統配置方面的優缺點。

      1、壓縮機的型式

      目前用于風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。根據熱泵工作的特點是運行時間長、壓縮比大等情況,筆者認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,從而使壓縮機的摩擦損耗相應減少,整機的效率相應提高。

      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、用于風冷熱泵的壓縮機其工作環境較其它在普通空調工況下工作的壓縮機要惡劣,每次開啟的運行時間也較長,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,結構緊湊的特點,所以尤其適用于熱泵機組。

      ④、目前所采用的風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換熱器上積聚的霜。在除霜開始和結束時,系統要進行反向運行,在原冷凝一方盤管中所集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。

       

      2、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,因此前兩年生產的熱泵機組中經常得以采用。但由于我國城市大氣質量較差,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。所以當前熱泵用冷凝器多采用波紋片配內螺紋銅管,其具有換熱效率較高,不易積灰,風阻小等特點。

       

      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、傳熱系統數大為好,故希望片距小些較好,但當其作為蒸發器使用時,翅片一結霜,使用時的換熱效果就會大大降低,因此希望片距大一些;一般片距為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除了軸流風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、蒸發器等系統有關零部件,但由于盤管高度較高,盤管高度較高,迎風面速不均勻,冷凝器換熱效率低,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。

       

      3、熱力膨脹閥配置

      現在熱泵制冷系統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。如果系統采用一只膨脹閥,按標準制冷工況進行選型,由于熱泵系統在制熱工況下運行時系統的制熱量隨著環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制熱能力的下降。這樣在制熱工況下隨著環境溫度的下降,對系統而言所配置膨脹閥顯得過大。過大的膨脹閥會引起蒸發器供液過多,蒸發壓力上升,與室外空氣換熱量減少,從而導致熱泵供熱量的減少。

       

      當前許多廠家的熱泵機組多采用雙膨脹閥型式,制冷膨脹閥按標準制冷工況來選擇。制熱膨脹閥如若按標準制熱工況來選擇,那在低溫工況下運行時膨脹閥會顯得過大,所以根據筆者自己的體會建議制熱膨脹閥按環境溫度﹣7℃,熱水進口溫度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℃的環境溫度下正常運行。

       

      4、蒸發器型式

      目前在風冷熱泵機組中常用的蒸發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冷熱泵中,它具有傳熱效率高、蒸發器不易積油的特點;尤其是新的帶有內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鍵問題,能在相同的出水溫度下提高蒸發溫度1.5~2℃,提高了制冷效率。

       

      干式殼管式蒸發器多用在大中型風冷熱泵中,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。如在底部設回油管與吸汽管相通,則由于有液體制冷劑帶入,導致制冷劑過熱度不穩定,影響膨脹閥的工作和系統的制冷量。

       

      5、軸流風機的配置

      軸流風機的配置首先要滿足冷凝器(空氣側換熱器)的換熱要求,根據經驗風冷熱泵機組所配軸流風機風量與標準制冷量(環境溫度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面的風速,因為這關系到冬季運行時空氣側換熱器的結霜速度,迎風面風速越大冬季運行時越不容易結霜。但風量過大風機的功耗也要增大,同時噪聲也要增大,因此一般情況下迎風面風速取3~5m/s。另外,風機配置時還要考慮噪聲,目前一般選用大直徑、低轉速、且葉片扭轉角度較小的軸流風機以降低風機噪聲。

       

      6、能量調節方式

      目前在風冷熱泵機組中常用的能量調節方式有壓縮機臺數控制、壓縮機間隙運行、氣缸卸載調節(活塞式)、變頻調速(渦旋式)、滑閥無級調節(螺桿式)。從能量調節方式中我們可以看出臺數控制、壓縮機間隙運行、氣缸卸載調節都是屬于有級調節,而變頻調速和滑閥無級調節屬于無級調節。無級調節具有節能、噪音和振動小、起動小、起動性能好同時也降低了對供電系統的干擾。從這點也可看出渦旋式和螺桿式壓縮機的優熱。

       

      7、除霜方式

      各生產廠生產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。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。這種控制技術中除霜參數的設置最為關鍵。除霜參數包括除霜溫度、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節流后的液體溫度,一般設定值為﹣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。熱泵發溫度下降到﹣5℃,并且距上一次除霜時間間隔夠40min,機組就進入除霜模式。如果除霜時間超過1010min而盤管內的液體溫度仍未上升到﹢5℃,機組也要停止化霜恢復制熱。

       

      在上述三個參數中除霜時間間隔是直接受環境影響的,但目前多數廠家的除霜時間隔仍采用固定值,這種做法導致在低溫高濕地區結霜嚴重的情況下,由于沒有到設定時間而不能進行除霜,從而造成霜層過厚甚至凍結,機組低壓保護而停機的現象。這個問題應在機組調試中加以注意。因此筆者建議一方面在熱泵的除霜參數設置上應該因地制宜,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不宜使用熱泵機組。

       

      8、風冷熱泵機組安全保護與控制

      目前國內風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。

       

      ①、一臺風冷熱泵的安全保護系統至少要包括以下幾個方面:

      a、吸氣壓力過低保護

      b、排氣壓力過高保護

      c、油壓保護

      d、冷水溫度過低保護

      e、水側換熱器斷水保護

      f、壓縮機啟動時間間隔保護

      g、壓縮機內藏電機過熱保護

      h、電機過載保護

      i、電源電壓過低保護

      j、三相電缺相保護

      k、油溫控制

      ②、風冷熱泵控制至少要包括:

      a、除霜控制

      b、多臺壓縮機順序控制

      c、能量調節

      d、故障停機與顯示

      e、遠程控制接口(用于遠程設置運行參數以及控制機組啟停、將機組運行參數和故障內容顯示于控制終端)。

       

       

      五、風冷熱泵的工程設計布置

       

      一、風冷熱泵機組的布置

       

      風冷熱泵機組在使用中不同程度的都存在這樣一種現象,即夏季制冷量不足,冬季制熱量不足的現象。造成這種現象的原因是多方面的,這里除了設備本身的因素外也有工程設計中的問題。主要是設備布置不合理造成氣流短路,夏季機組高溫排風被重新吸入,造成進風溫度過高冷凝壓力上升,導致機組制冷量下降;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。

       

      因此風冷熱泵應盡可能布置在室外,進風應通暢,排風不應受到阻擋。避免造成氣流短路。如有阻擋物,應符合一定的要求。許多生產等單位提供的設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)間的距離應保持在3米以上。另外為避免排風短路在機組上部不應設置擋雨棚之類的遮擋物。如果機組必須布置在室內,應采取提高風機靜壓的辦法,接風管將排風排至室外。排風口的風速要大(7米/秒),使其具有一定的射程,而進風口速度則要小(2米/秒),進排風口垂直高差應盡可能大,以避免氣流短路。

       

      二、輔助熱源機組的配置 

       

      風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,室內需熱量卻需增加,所以應考慮設置輔助熱源,輔助熱源可以是電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、汽-水熱交換器等等。根據工程經驗風冷熱泵機組每1RT制冷是配置0.6kW輔助熱源是較為穩妥的,這樣的配置可以充分保證整幢建筑在冬季的空調效果。當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效果不好的其中一個原因。

       

      影響風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,風冷熱泵的結霜較快;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,應考慮配置輔助熱源。

       

       三、工程的噪聲控制 

       

      風冷熱泵空調工程的噪聲控制首先是在設備選型階段就要優先選擇噪聲較低的品牌,目前單臺風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,當一個工程中熱泵的臺數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不宜過多,換句話講就是熱泵不宜在大型空調工程中采用,一般情況一個工程的熱泵臺數不應超過5臺。

       

      另外,在機組的布置中除應考慮排風通暢,避免排風回流以外,在機組的底座及進出水管處必須安裝減震裝置,隔震效率要滿足設計要求。在供冷、供熱站內的空調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盡可能布置在主樓屋面,減小其噪聲對主樓本身和周圍環境的影響。

       

      四、風冷機的工業應用

       

      風冷機組分為單冷型和熱泵型,其中熱泵型機組集制冷、制熱、熱回收功能于一體,能實現夏季降溫,冬季采暖,制取生活熱水,一機多用。產品廣泛適用于華東、華南、西南、西北地區以及一些水源缺乏的區域。同時對冬季氣溫相對較低且無鍋爐或其他供熱條件的地區尤為適用。

       

      風冷機組可直接放置在屋頂、裙樓平臺或水平地面上,無需建造專用機房、鍋爐房,安全而清潔,以室外空氣為直接冷(熱)源。是目前冷(熱)水空調設備產品中保養維修比較經濟、簡單的機種。

       

      因此除了家用,風冷機的主要工業應用如下:

       

      紡織、漂染、制衣、塑膠、激光技術、焊接、熱力塑型、機械切削加工、非切削加工、鑄造、表面處理、電鍍、電泳、醫療設備、電子行業、電路板生產、電子芯片制造、化工、造紙、制藥業、食品加工業、鋁型材、鋁合金、鋼化玻璃、鍍膜玻璃生產、超聲波清洗、首飾加工、皮革、皮草加工、油墨生產、養殖業、噴涂、玩具、鞋類等有高溫的工廠車間、適合于開敞式及半開敞式環境。

      來源:暖通空調在線

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