医院手术部排风空气源热泵夏季运行特性研究

王玉来 李永安 芦志凯

1 山东第一医科大学第二附属医院

2 山东建筑大学发展评估与规划处

空气源热泵在冬季制热运行时，可重复循环利用洁净手术部的排风作为其低温热源，即为基于洁净手术部排风的空气源热泵。在冬季制热运行时，通过回收利用洁净手术部的排风，对改善冬季制热时恶劣的运行工况有明显的效果，可大大提高其制热性能系数，增大其制热量，进一步改进工作性能[1]。夏季制冷运行时，洁净手术部排风的温度通常为22～25 ℃，相对湿度在60%左右，另外排风的洁净度也相当高，因此医院洁净手术部净化空调所使用的热泵在夏季制冷运行时，用排风作为高温热源，也可回收利用手术部较低温度排风的冷量，实现可再生能源重复循环利用，其性能也会有明显的提高。为更好的研究蒸发冷热泵机组的全年运行性能，需建立其性能模型[2]。本文建立了数学模型对医院手术室排风回收热泵的性能特性进行分析研究。

1 夏季制冷工况下热泵运行数学模型建立

目前，技术较为成熟且再生效率较高的是热泵热回收再生方法[3]。由于热泵空调制冷设备的局限性，一般在夏季制冷运行时，空气源热泵的制冷性能系数小于常规的冷水机组，也小于水源热泵机组。通常通过降低冷凝温度或者提高蒸发温度来提高热泵机组的制冷、制热系数，从而提高机组的能源利用效率[4]。

1）热泵压缩机的制冷功耗[5]

热泵压缩机的耗功率是指由电动机传至压缩机轴上的功率，也称压缩机的轴功率Pe

式中：Pi为压缩机直接用于压缩气体的指示功率，kW；Pm为用于克服运动机构的摩擦阻力的摩擦功率，kW。

热泵压缩机的输入功率Pin[4]

式中：ηd为传动效率，直联时为1，采用三角皮带联接时为0.90～0.95；ηo为电动机的效率。

热泵压缩机的制冷性能系数COP

2）冷凝器的流动换热[5]

冷凝器空气侧的换热量Qa(R)

式中：ma(R)为冷凝器空气侧的空气质量流量，kg/s；hao(R)为冷凝器出口的空气比焓值，kJ/kg；hai(R)为冷凝器入口的空气比焓值，kJ/kg。

冷凝器制冷剂侧的换热量Qr(R)

式中：αi(R)为换热系数，由热泵机组和va等决定；mr(R)为冷凝器制冷剂侧的质量流量，kg/s；hri(R)1为冷凝器入口制冷剂的比焓值，kJ/kg；hro(R)1为冷凝器出口制冷剂的比焓值，kJ/kg。

由管内外两侧的换热平衡可得：

式中：ξ1为冷凝换热效率，专业设备生产厂家提供。

3）工质流经热力膨胀阀时可近似认为绝热节流。

4）蒸发器的流动换热

制冷剂侧的流动换热Qr(R)2

式中：hro(R)2为蒸发器出口制冷剂的比焓值，kJ/kg；hri(R)2为蒸发器入口制冷剂的比焓值，kJ/kg。

蒸发器水侧的流动换热Qw(R)2

式中：mw(R)为蒸发器水侧的质量流量，kg/s；hwi(R)2为蒸发器水侧入口的比焓值，kJ/kg；hwo(R)2为蒸发器水侧出口的比焓值，kJ/kg。

由管内外换热平衡：

式中：ξ2为蒸发换热效率，专业设备生产厂家提供。

根据上述分析得出的数学模型公式和状态量，在特定温度下测得制冷量，性能系数COP，及普通空气源热泵的参照值，进一步分析在回收利用洁净手术部排风情况下空气源热泵的制冷性能特性。

2 实验过程及分析

采用对比实验法分析热泵夏季实际运行性能特性。把某医院洁净手术部其中1 台空气源热泵当作实验机组，其室外换热器引入洁净手术部的排风，另一同种型号机组作为参照机组（通常的环境条件）。然后对比实验机组和普通热泵机组，进一步研究基于洁净手术部排风空气源热泵的性能变化。图1 所示为排风热回收换热室流程图。

图1 排风热回收换热室流程图

实验所使用的仪器有：玻璃水银温度计、水流量计、铜-康铜热电偶、便携式干湿球温度测试仪、热球风速仪、PROVA-6600 型三相钩式电力计、电功率表。

实验方法和步骤：

1）选择夏季天气较炎热的测量日，以便可测得室外空气温度较高时（如36 ℃或35 ℃等）热泵制冷运行工况时的参数，随着室外气温的变化，可测得各温度下的热泵运行工况参数。测量室外空气温度（热泵附近），每隔10 min 记录一次，不少于3 次，其温度值取多次测量计算的平均值。

2）用便携式干湿球温度测试仪测量室外空气的湿度、排风的温度和湿度、进、出空气源热泵的空气温度和湿度，每隔10 min 记录一次，不少于3 次，其温度值和湿度值取多次测量计算的平均值。

3）用热球风速仪在排风管断面的不同位置测量洁净手术部排风的风速，用热球风速仪在迎风面的不同位置测量空气源热泵的迎面风速，每隔10 min 记录一次，不少于3 次，其风速值取多次测量计算的平均值。

4）热泵机组的供、回水管路上装有铜-康铜热电偶温度计、压力表、水流量计，可测量供、回水的温度和水流量值。

5）热泵机组压缩机的耗功量可从配电柜各回路上用三相钩式电力计测出数值的多少，系统的总耗功量可从配电柜安装的总电功率表上读出，每一温度下压缩机的耗功量测量时间不小于30 min。

夏季制冷运行时，排风直接引入换热小室与室外空气混合，由于两种空气的密度相差不大，也可近似取气体的体积流量代替质量流量，混合气体温度t'h的计算公式为：

式中：tao为室外空气温度，℃；tp为洁净手术部排风的温度，℃（夏季制冷运行时为25 ℃左右）；Vao为进入热泵的室外空气流量，m3/h；Vp为洁净手术部的排风量，m3/h；ρao为室外空气的密度，kg/m3；ρp为洁净手术部排风的密度，kg/m3；ρh为混合空气的密度，kg/m3。

进、出室外换热器的湿空气的比焓值可以用下式计算[6]：

式中：t 为进、出室外换热器湿空气的温度，℃；d 为进、出室外换热器湿空气的含湿量，g/kg干空气；db为饱和空气的含湿量，g/kg干空气；φ 为湿空气的相对湿度（可由现场测量得到）。

式中：t1、t2为热泵进、出水温度，℃。

3 计算及性能分析

3.1 制冷量计算

当室外空气温度为35 ℃时，由测量所得对照机组的（普通空气源热泵）出水温度t1=6.9 ℃，进水温度t2=12.27 ℃（多次测量的平均值），进、出热泵机组的水流量为21.5 m3/h。实验机组（基于洁净手术部排风的空气源热泵）的出水温度t/1=6.53 ℃，进水温度t/2=12.09 ℃，进出热泵机组的水流量为21.6 m3/h。由式（15）计算得出对应热泵的制冷量QH为134 kW，基于洁净手术部排风的空气源热泵的制冷量为139.5 kW，依次计算出各制冷量值（如图2）。

图2 制冷量随室外空气温度的变化关系

由现场测量值计算可得热泵机组压缩机的耗功量，详见图3。

图3 压缩机耗功量随室外空气温度的变化关系

由式（3）计算可得热泵的制冷系数。如t=35 ℃时，现场测得普通空气源热泵（普通热泵） 的制冷量QH=134 kW，压缩机耗功量W=42.8 kW，可得制冷系数COPR=3.13。同理可得基于洁净手术部排风的空气源热泵（基于排风热泵）的制冷量Q/R=139.5kW，压缩机耗功量W/=41.5 kW，可得制冷系数COP/R=3.36。详见图4。

图4 制冷系数COP 随室外空气温度的变化关系

图2～图4 的横坐标均为室外空气温度。由图示可知，当室外空气温度为35 ℃时，普通空气源热泵的制冷量QR为134 kW，COP 为3.13，而此时基于洁净手术部排风空气源热泵的制冷量QR为139.5 kW，COP达到3.36，制冷量提高了4.1%，COP 提高了7.35%。基于洁净手术部排风的空气源热泵的制冷量QR、制冷性能系数COP 和普通空气源热泵相比都有所提高，而且随着室外空气温度的升高，提高的幅度逐渐增大。在相同的室外空气温度下，基于洁净手术部排风空气源热泵的QR/、COP 与普通空气源热泵相比都有所增大。可见，与普通空气源热泵相比，基于洁净手术部排风的空气源热泵在夏季制冷运行时，其制冷量、性能系数等特性有明显的改善和提高。

3.2 基于排风热泵性能特性改进途径

1）空气源热泵实际运行的制冷量、性能系数COPR 值等，与热泵机组生产厂家彩页或铭牌标注的参数值有差距。首先应该归结于实验的测试手段和所用仪器比较原始，使用试验设备的方法不够专业，测试所采用的方法和实验条件差异所致。其次是在设备实际运行过程中进行的，受室外环境限制，当室外空气温度达到一定数值时，往往实际运行负荷会变化或波动，如：有的手术室突然开启或关闭，对数据测量也会产生很大影响。因此要想提高热泵的性能，重点应分析基于洁净手术部排风的空气源热泵的各项性能相关因素，研究专门适用于医院洁净手术部净化空调系统的风冷热泵机组。

2）改变传统空气源热泵的结构方式，研发“分体式”热泵机组，把室外换热器放置在风管结构小室内，并适当减小换热器迎风面的风速，充分利用洁净手术部的低温排风，最大限度的实现对室内排风进行冷热量回收[7]。

3）热泵机组生产厂家铭牌标注的参数值，是在一定的理想状况下得出的，和实际运行状态存在一定差距，存在气候区域差异。同时在某些方面反映出热泵机组生产厂家彩页标注的参数值的特定局限性，设计师在工程设计选用热泵机组型号时，应与具体的使用工况相结合。

4 结语

1）基于洁净手术部排风空气源热泵在夏季制冷运行时，可回收洁净手术部的“低温”排风中的冷量，实现可再生能源重复回收利用。

2）洁净手术部排风冷热量回收也属于可再生能源回收利用，可改善其运行状况和性能。

3）与普通空气源热泵相比，基于洁净手术部排风的空气源热泵在夏季制冷运行时，制冷量提高了4.1%，COP 提高了7.35%，效果明显。

4）空气源热泵实际运行的COP 值与铭牌标定值有差距，其产生的原因是多方面的。设计时需要暖通设计师根据不同的气候区域来考量。

5）对基于洁净手术部排风的空气源热泵进行改进，改变传统的空气源热泵冷凝器、蒸发器结构型式，充分利用洁净手术部低温排风，提高冷量回收效率。