风冷模块机组设计要点分析

史向鹏，薛彩芹，杨枫光，耿幼明

1.中国中轻国际工程有限公司，北京，100026；2.中规院（北京）规划设计有限公司，北京，100044

0 引言

风冷热泵是一种与空气换热的电驱动供冷供暖设备，因其布置灵活、安装维护简便，被广泛应用于中小型项目中。受室外空气环境限制，在冬季室外温度低、湿度高的环境中，风冷热泵的制热效果会受到较大影响，目前主要应用于夏热冬冷地区[1-3]。随着技术的不断革新，风冷热泵厂家陆续推出了低温工况风冷热泵设备，以满足寒冷地区甚至严寒地区冬季的供热需求。其中空气源热泵模块式机组（下称风冷模块机组）应用最为广泛。本文通过分析风冷模块机组融霜工况对制热量的影响、辅助热源的设置与否以及设备布置位置的影响因素，总结风冷模块机组的设计要点，希望能对以风冷模块机组作为冷热源的设计方案提供理论支持。

1 融霜工况的影响

融霜是风冷模块机组在冬季供暖中的重要环节，是影响设备冬季供热稳定性的重要因素。风冷模块机组室外换热器在不同地域，不同环境下结霜量、结霜速率有显著差别，其结霜温度通常在-15℃~11.5℃，相对湿度在30%~100%之间。全国主要城市中，夏热冬冷地区的结霜问题较为突出，如重庆、贵阳等地；北方寒冷地区因气候相对干燥结霜问题较轻，如北京、石家庄等地[4]。针对不同的城市，风冷模块机组的设计工况制热量需根据室外干球温度及融霜工况进行修正。其设计工况制热量可采用下式计算：

式中，Q为设计工况制热量，kW；q为标准工况制热量（室外干球温度7℃，湿球温度6℃），kW；K1为室外空调计算干球温度修正系数；K2为机组融霜修正系数，通常为0.8~0.9，每小时融霜一次取0.9，两次取0.8；室外空调干球计算温度修正系数及融霜次数可咨询设备厂家。

在选取设备时，需采用修正后的制热量进行设备选型，选用热泵的融霜时间总和应不超过运行时间的20%。除此之外，需校核设备在冬季设计工况时机组的性能系数，其中冷热风机组不应小于1.8，冷热水机组不应小于2.0，否则选用风冷模块机组进行冬季供热就是不经济的[5]。

2 辅助热源的设置

冬季随着室外温度的降低，室内耗热量会增大。当选用风冷模块机组作为冬季热源时，其制热量会随着室外温度的降低而减小，在室外达到某一温度时，风冷模块机组的供热量恰好等于建筑总耗热量，这个温度被定义为平衡点温度。当室外设计温度低于平衡点温度时，需设置辅助热源。因平衡温度取决于建筑总耗热量和风冷模块机组的供热量，其中风冷模块机组在不同工况下的制热性能可由厂家配合提供数据，进而拟合出风冷模块机组的供热特性曲线。故下面主要就建筑物总耗热量进行分析：

以民用建筑为例，建筑物冬季耗热量主要包含：（1）围护结构的耗热量；（2）加热室外进入室内的冷空气耗热量；（3）通风耗热量；（4）其他途径散失或获得的热量。其中围护结构耗热量与加热室外空气的耗热量为建筑耗热量的主要组成部分，故建筑物总耗热量Q耗可简化为：

式中，Q耗为建筑物总耗热量，kW；Q围为围护结构耗热量，kW；Q空为加热室外空气的耗热量，kW。

式中，Q基本为各围护结构的基本耗热量，kW，β1为朝向、风力、两面、窗墙比及外门的总修正系数和；β2为高度修正系数。

式中：α为温差修正系数；F为该面围护物的面积，m2；K为围护物的传热系数，W/（m2·K）；Tn为室内计算温度，℃；Tw为冬季空调室外计算温度，℃。

根据公式（3）（4），当建筑物围护结构及使用功能确定后，建筑物围护结构的耗热量Q围只与冬季空调室外计算温度Tw相关，且为一次函数关系。

对于空调系统而言，Q空主要为新风耗热量。新风耗热量中，通常显热量远大于潜热量，故新风耗热量可以近似等于新风显热耗热量。Q空的计算可参照下式计算：

式中，Cp为干空气的定压质量比热容，取1.01kJ/（kg·K）；ρw为室外空调计算温度下的空气密度，kg/m3；L为新风的体积流量，m3/h。

式中，Fi为各功能区域的建筑面积，m2；λi为与Fi相对应区域的人员密度，人/m2；li为新风量指标，m3/h，可参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》3.0.6节。

根据公式（5）（6），当建筑物使用功能及面积确定后，建筑物加热室外空气的耗热量Q空也只与冬季空调室外计算温度Tw相关，且为一次函数关系。

综上，建筑物总耗热量Q耗，建筑物围护结构的耗热量Q围以及加热室外空气的耗热量Q空均与冬季空调室外计算温度Tw成一次函数关系。可以根据冬季空调室外温度绘制建筑物总耗热量曲线。结合风冷模块机组的供热量随冬季空调室外温度的变化趋势，可以将两条曲线的变化趋势绘制在坐标轴上，可参照图1[6]。

由上图可以看出，建筑物耗热量曲线同热泵性能曲线的焦点即为平衡点温度T0。当冬季空调室外计算温度低于T0时，建筑物耗热量大于热泵供热量，热泵无法满足建筑物温度要求，为保证设备的供热稳定性，需设置辅助热源，辅助热源的热量为建筑物耗热量与热泵供热量的差值；反之，则无需设置辅助热源。

3 室外机位置的选取

风冷模块机组室外机位置的选择也是设计方案中重要的一环。位置的选取关系到设备的安装、检修、散热以及对周围声环境的影响。下面针对以上问题进行分析：

3.1 安装、检修方面

风冷模块机组放置位置方案需考虑设备吊装、安装的便捷性。风冷模块机组名义制冷量150kW机器运行重量近1吨，通常需要用吊车进行吊装。从安装及后期检修的角度来说，风冷模块机组位置应尽量靠近道路或者有方便吊装及运输的通道。同时，设备放置区需提前预制钢结构或混凝土结构的基础。如采用混凝土结构基础，其基础重量甚至可能大于设备重量。故方案设计时需特别注意核对设备放置区域的预留荷载，设备布置在主梁附近更为稳妥。

3.2 散热方面

风冷模块机组放置位置需考虑其散热问题。随着建筑造型及使用功能的日新月异，室外机预留位置可能会造成送排风短路，特别是夏季，空气流通不畅，无法满足设备散热要求，会导致机组连续过热保护而停机。故风冷模块机组应尽量布置在室外送排风顺畅的区域，如屋顶或建筑周边开阔区等。

风冷模块机组通常为侧进风、上排风。机组布置区域周边的墙高、设备据墙距离以及顶部空间的通透性均会对模块机组散热产生影响。参照设备厂家的样本数据，设备布置时需特别注意如下几类间距：

（1）风冷模块机组的间距为S1，S1≥0.4米且需满足设备检修的最小宽度；（S1随设备制冷量增大需对应增大）；

（2）风冷模块机组临一面外墙，机组距墙体间距为S2，S2≥0.6米；

（3）风冷模块机组位于两面外墙之间，机组距墙体间距S2，当周围墙体高度L不高于0.9m时，S2≥0.6米；当周围墙体高度L高于0.9m时，S2≥0.6+（L-0.9）米；

（4）风冷模块机组顶部与遮挡物间距为S3，S3≤15米时，需考虑遮挡物对设备的散热影响。

当设备间距无法满足以上间距要求时，可采取一些辅助措施防止送排风气流短路。常见的方式主要包括改变排风气流方向和控制送排风风速，通常机组进风气流速度控制在1.5m/s~2m/s，排风口排风速度不宜小于7m/s，可有效地避免送排风气流短路[5]。必要时可借助数值模拟的方法辅助气流组织的设计。如果采用措施仍无法保证送排风的顺畅，则需结合设备厂商建议，考虑增加制冷制热量衰减系数。

3.3 噪声方面

风冷模块机组的噪声主要包含两部分，一是机组风扇及压缩机的噪声，二是配套水泵、定压补水设备的噪声。其中，配套水泵、定压补水设备可设置在机房内，并采用消声措施减小噪声对周围环境的影响。而风冷模块机组需放置在室外通风良好位置，会对周围声环境产生影响，需重点关注。

风冷模块机组制冷量80kW~300kW的单台设备噪音约70~80dB（A）。通常情况下，风冷模块机组会选择多台设备进行组合，总噪音是由多台设备噪音共同叠加的，其噪音值较单台设备而言更大。常规民用建筑允许最高噪声值统计详见表1[6]。

表1 民用建筑允许最高噪声值统计

参照以上数据，单台风冷热泵模块机组噪声均大于以上房间允许最高噪声值。故在风冷模块机组的方案中，特别是对于设备放置区域周边有居民楼、医院、疗养院等建筑以及风冷模块机组服务建筑与周围建筑使用时间不同时，需评估机组噪声对周围建筑的影响。噪声对周围建筑的影响评估可参照下式进行计算[7]：

式中，r为噪声由L0衰减至L的距离，m；r0为测点距机组的距离（与L0相对应），m；L0为机组噪音测点的A声级噪音，dB，可按产品样本数据或实测数据选取；L为某处环境所允许的A声级噪音，dB，可按国家有关规范选取。

当风冷热泵模块机组与相邻建筑实际距离大于计算距离r时，就可满足环境允许噪声标准；反之，就需要采取降噪措施。常用的降噪方式包括给设备设置整体或局部隔声罩，在送排风处加装消声百叶及消声器等方式[8]。具体消声措施需根据项目实际情况进行选择。

4 结语

在采用风冷模块机组作为冷热源时，首先确定机组的供热可靠性及经济性，需核算融霜周期、机组的冬季性能系数及融霜工况的影响。其次，确定项目是否需设置辅助热源，当室外设计温度低于平衡点温度时，需设置辅助热源。最后，需考虑风冷模块机组的放置位置。其放置位置应有方便的运输通道；应满足设备与周围构筑物的距离要求；应满足周围环境对噪声的限值要求；如不满足以上要求，需相应采取措施。本次仅针对以上三个方面进行了分析，并不够全面。下一步，拟针对风冷模块机组应用中的其他关键问题继续开展研究，以期得到一个更为完善的方案。