风冷热泵型空调系统的设计探讨

潘李丹

（浙江省城乡规划设计研究院，浙江 杭州 310000）

中国是建筑行业的发展中大国，建筑面积逐年增加是建筑能耗逐年增加的主要原因。1996—2006年这10年间，中国的城市建筑面积从61.3亿m2增加到174.5亿m2，并且还在以每年6亿～7亿m2的速度增长。基于统计年鉴的计算方法计算2017年中国及各省市建筑能耗，中国建筑研究报告中指出：2017年建筑能耗为9.47亿t，占全国能源消费比例的21.11%，全国建筑总面积为643亿m2，城镇人均居住建筑面积为37.2 m2，建筑碳排放20.44亿t，占全国能源碳排放的19.5%。风冷热泵机组使用大量自然界温度较低的低品位空气热源，空气热源随处可得，可免费获取。建筑供暖大大降低了一次能源的消耗，对节能减排具有重要意义，是一项可持续发展的技术。

1 项目概述

该工程位于广东省清远市，项目名称为奥德（英德）文化旅游城（一期）巧克力乐园，气候分区为夏热冬暖地区，建筑总面积为15 589.15 m2。其中巧克力工厂建筑高度为19.015 m，地上建筑面积为9 556.7 m2，地下建筑面积为488.9 m2。本项工程空调冷负荷为1 480 kW，热负荷为845.2 kW。工厂二层设有巧克力制作工坊，该区域工作时间有别于场区其他区域，独立设置多联机空调系统。综合考虑气候环境及建筑特性等因素，本工程将风冷热泵与VRF变频多联空调机组结合作为空调冷热源方式，机组置于屋面。

2 风冷热泵型空调系统的设计概述

2.1 风冷热泵的适用性分析

2.1.1 建筑需求的适应性分析

风冷热泵是以空气为冷（热）源，以水为供冷（热）介质的中央空调机组。风冷热泵机组能制冷和制热以适应不同建筑物的使用要求，一机冬夏两用，夏季制冷时采用空气侧换热器，无需安装冷却塔及冷却水系统；冬季制热，不用购买锅炉及配备锅炉房，节省了开支，结构紧凑且整体性好，可放置在屋顶，安装方便，不占用建筑物的室内空间；在过渡季节，建筑物内不用开启空调模式，仅采用全新风模式。单独在某特定区域使用风冷热泵机组供应空调，该系统结构简单，安装空间少，维护管理方便，节约能源，特别适用于水资源匮乏的地区。由风机盘管、空调箱等末端装置组成的集中式和半集中式中央空调系统，具有布置灵活、控制方式多样的特点，极大地满足了本工程建筑使用需求。

2.1.2 机组性能的适应性分析

风冷热泵冷水机组具有节水、节能、环保的优点，但当空气侧换热器翅片表面温度低于空气露点温度且低于0℃时，空气侧换热器表面会结霜。结霜初期，霜层增加了传热表面的粗糙度和表面积，从而增加了总传热系数。随着霜层逐渐增厚，风冷热泵机组的运行将受到不利影响。一方面，空气与风冷换热器之间的传热阻力会增加；另一方面，霜层使盘管上的空气通道变窄，减小了翅片之间的空气流通面积，导致空气运动阻力增大，空气流量减少，从而降低了风冷换热器的换热能力，增加了风机的功耗，恶化了工况。

本工程地点为广东省清远市，一方面，由于全年环境温度较高，即使在环境温度较低的冬季各项工程依然可以正常开展，免受结霜的影响，机组依然可以高效、稳定运行；另一方面，对于有特殊使用功能的建筑，冬季有采暖需求时，因为其环境温度较高不会导致机组的供热量降低而不能满足热负荷的需求。上述原因使得风冷热泵机组在本项目中可充分发挥其自身特色，极大契合了风冷热泵机组节水、节能和环保等优点。

2.2 机组选型

2.2.1 机组类型以及容量确定

风冷热泵空调系统对机组台数、类型的要求非常高，必须依据工程实际情况进行选择。在质量、吊装、尺寸等方面要求较为特殊的建筑项目，对空调系统机组类型的设计要求也更加严格。根据压缩机的差异可以将风冷热泵型冷热水机组分成活塞式热泵机组、螺杆式热泵机组以及涡旋式热泵机组。依据机组组合规模以及结构大小又可以分为模块式热泵机组、整体式热泵机组。本质上模块式热泵机组和整体式热泵机组并没有太大区别，模块式热泵机组指一台热泵机由多个具有独立蒸发、独立冷凝、独立制冷回路、独立控制板以及独立框架的热泵单元并联组成，各个单元之间可以适当进行增减，提升机组的灵活性和方便性，任何一个单元出现故障都不会对其他单元造成影响[1]。因此合理选择工程的模块机，可全面提升工程的工作效率，方便后期工程操作，对工程产生积极影响。不足之处是室外空气温度为-8℃时机组难以启动。

空调的容量设计必须满足空调设计计算冷、热负荷的要求，此外，空调设备的配置还要适应空调负荷的变化。空气源热泵型冷热水机组为冷源系统，热泵机组容量要根据建筑中各个部分同时使用的系数来确定，还需要考虑热泵实际制冷量以及供热量情况，由于设备存在间距显著等问题容易出现通风不畅，室外换热器表面机也会受到影响，因此选择热泵机组时一定要考虑安全系数[2]。

由于乐园建筑体量较小，可利用的建筑空间有限，本工程选用2台330 kW和2台440 kW模块式涡旋风冷热泵机组。风冷热泵机组的技术参数如表1所示。清远地区冬季空调计算干球温度为1.8℃，可不必考虑辅助供暖可实现冬季制热要求。

表1 风冷热泵参数

2.2.2 故障影响低问题的考量

中国国内热泵机组生产企业大多以生产模块式热泵机组为主，整体式热泵机组从外观上看是一个整体框架，但是其内部有多台压缩机，甚至有2个以上的制冷回路，这些设备之间相互联系，不可分开[3]。模块式热泵机组的优势为振动小、噪音低，即使系统中存在比较多的制冷回路，在冬季化霜期间对系统水温的影响较低。一般而言热泵机组大多被放置在建筑物的屋顶，模块式热泵则可在各个单元当中灵活组合。若建筑工程规模较大，模块式热泵机组将会因其内部存在的制冷单元数量较多，大大增加其出现故障的概率，增加设备的维护量，机组当中的额定工况也会比整体式机组更低[4]。除此之外，在模块式热泵机当中大多使用板式换热器，各个单元间水力平衡要求较为严格。因此，在对尺寸、吊装以及质量有特殊要求和使用较小系统的场合当中，采用模块式热泵的优越性更高。

模块化结构设计可以使机组以标准的模块单元进行生产和运输，标准的模块单元体积小、质量轻，便于运输、安装、调试及维护，最终在客户安装现场由多个模块单元并联组成完整的空调系统；机组在运行过程中实现了电脑自动化控制，可以实时调节机组的运行状态，始终保持输出功率与工作环境的实际能耗相协调，从而保持峰值效率，减少运行能耗；机组安全性与可靠性高，即使在机组临时检修停运时都不会影响整个空调系统的运行，提高用户空调的使用能力和可靠性。机组正常稳定运行的同时为简化设备维护管理和物业管理，配置先进的机房群控系统，最终为整个系统节能降耗。

2.2.3 热泵机组位置选择

安装热泵机时，位置的选择是极为重要的。规模较大的热泵机组的单机噪音一般为75～85 dB，热泵机组不可离住宅较近，也不可以和噪音要求较高的房间相距较近，只有这样才可以更好降低其对房间的影响。一般情况下，机组放置在室内净高比较高的位置以减少机组产生的噪音对邻近建筑的影响，安装时需要考虑之后的更换以及吊装问题。本工程周边没有空余的场地可摆放机组，建筑高度19 m相对较低也便于后期机组的吊装更换，屋面有较大的场地给热泵机组创造了良好的通风条件。综合评估后将风冷热泵模块机置于屋面，此外在使用热泵机组期间适当采用一些消声装置以及减振器等降噪。

2.3 空调水系统

2.3.1 水泵选择和布置

设计风冷热泵空调时，水泵的数量与热泵机组台数相对应。热泵机组和水泵之间宜采用一对一串联的连接方式。选择低转速水泵，降低水泵噪音。依据整个系统所需要的流量选择水泵流量，水泵的扬程和系统所需要克服的总阻力相等。水泵功耗必须在热泵处理的1/30范围内。布置水泵时要留有一定空隙，条件允许时可提前空出可安装1～2台水泵的位置以备后续使用。

本工程选用一体式风冷热泵机组，设置内置式水力模块，集成了水泵、过滤器、膨胀水箱、流量开关、安全阀、排气阀、压力表和流量调节阀等所有必要水力组件，大大节省系统初投资及设计安装工作量，省时、省力、省钱。卡箍式水管路连接更加方便可靠，既降低了安装难度，又可有效隔断振动传递。同时，根据使用条件的不同，提供低扬程/高扬程/超高扬程选项供选择。根据机组蒸发器的标准水量，以及基于最不利管路水力计算，选用流量为57 m3/h和76 m3/h的冷冻水泵各2台，扬程30 m。水泵采用变频技术，进行变水量运行调节，有利于降低整个空调系统的运行能耗。其节能优势与空调系统的特性有关，且水泵在空调系统中所占的能耗比例越高，采用变频技术后的节能率越高；空调系统运行时段的负荷率越低，水泵采用变频技术后的节能空间越大。

2.3.2 水系统设计

空调水系统均为两管制，系统结构简单，初投资较少，后期维护成本也低。采用闭式系统减少与空气的接触，采用定压装置进行定压、排气，同时设置全自动智能在线加药装置，保证系统安全稳定运行。空调冷冻水立管顶部均设置自动排气阀，冬季热水中容易出现气泡，影响系统管道的输水能力，需要及时通过水管放气阀将其排出。空调系统的供水和回水歧管之间设置有电动压差旁通阀，控制系统根据供水和回水歧管压差传感器的偏差信号控制电动压差旁通阀的开启，以保持系统的供水和回水压差恒定，保证系统水力平衡。干管设置流量控制平衡阀，各楼层水平总管及分室支干管上均设置自力式压差控制阀。

每层安装计量装置，用于监督能耗。可以实时掌握建筑空调的能耗管理水平和能源利用率，及时发现问题，找出节能方向，评估节能潜力，形成可行的节能方案。在日常能源管理中应用计算机，可使管理自动化，不断减少能源管理的工作量。而且，全自动运行的分项计量方式摒弃了传统的人工计量方式，能够准确反映业主单位的能耗情况，保证数据的准确性，更有利于用户采取适当的节能措施。

管道的保温防腐也是设计中不可忽视的一项工作。对本工程中冷媒管及冷凝水管进行了如下保温处理：冷凝水管保温厚度为13 mm，采用柔性泡沫橡胶（A2级），按防表面结露原则选用；空调水管采用柔性泡沫橡塑，保温厚度为20 mm。管道施工前，应首先将水管表面的杂物和污垢进行全面清洁，然后涂刷防锈漆，最后设置保温层。对于非保温管道或者管道支（吊）架，也应当采用同样的方式，避免出现腐蚀问题。

3 结语

后期业主反馈该空调系统投入使用后运行良好，室内空调舒适度满足要求。分析本工程案例发现，相较于其他系统，风冷热泵空调系统在中小型公共建筑中表现出明显的优势：系统结构简单，不占用室内空间，节省了建设机房的费用。模块机组安装方便，每台室外机组单独作为一个制冷剂回路，彼此相互独立，互为备用，确保机组制冷、制热的运行工况稳定。模块式机组具有结构紧凑、体积小、噪音低、能效比高、寿命长以及操作维护简单等优点，可广泛应用于宾馆、饭店、办公楼、商店、医院等场所。作为设计人员，根据建筑特性及气候地理条件选用合适的空调系统尤为关键，应掌握空调系统的设计要点，优化空调运行策略，以保证空调系统能够有效工作，进而提升建筑物的品质。