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風冷熱泵空調系統的設計方法

09-03 12:40:40  瀏覽次數:464次  欄目:暖通空調
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  空調負荷與容量的確定

  空調負荷包括空調冷負荷和空調熱負荷。空調冷(熱)負荷指為將室內的空氣參數維持在設計參數狀態,單位時間內需向建筑提供的冷(熱)量。這是一個受室內設計參數,室內人員、設備等散熱和散濕量,圍護結構性質,室外空氣環境參數(包括溫度、濕度、氣流速度等),太陽輻射強度等諸多因素影響的變量。讓空調系統恰如其分地提供冷(熱)量,以滿足設計計算狀態下建筑物的需求,并隨時適應建筑物空調冷(熱)負荷及其變化的需要是空調設計的根本目的。

  在空調系統設計過程中,空調負荷計算是第一步。空調負荷的計算應包括空調設計計算負荷的確定和各時段負荷的分析;其次,設備的容量必須滿足空調設計計算冷(熱)負荷的要求;另外設備的配置應適應空調負荷變化的特點。在以空氣源熱泵型冷熱水機組為冷源的空調系統設計中,熱泵機組的容量既要考慮到大樓各部分的同時使用系數,還應考慮到熱泵的實際制冷量和實際供熱量會因設備間距限制等原因造成通風不暢,部分氣流短路(這部分的出力損失約占5%左右)而受到影響,和室外換熱器表面積灰和表面結垢、設備衰減等因素的影響,故所選擇的熱泵機組應考慮安全系數。

  由公式來表示:Q=β1?β2?QD.

  式中:Q——熱泵機組在設計工況下的制冷(供熱)量,KW

  QD——設計計算負荷,KW

  β1——同時使用系數,由具體工程定,一般為0.75~1.0

  β2——安全系數,一般取1.05~1.10

  另外,熱泵機組既要滿足系統夏季的供冷要求,又要滿足系統冬季的供暖要求。不同供應商的熱泵機組的額定制冷量、額定供熱量的參數不盡相同,與各地區空調室外設計參數不一定一致。對南京而言,一般供應商所提供的熱泵機組額定制冷工況條件與實際一致或相近,一般空氣干球溫度為35℃,空調冷凍水進出水溫度分別為12℃、7℃左右。而冬季制熱的額定工況條件為室外空氣溫度7~8℃,進出水水溫為50-55℃。這一條件與南京地區冬季空調設計計算溫度相差甚遠。南京氣候特征為冬冷夏熱。對于一般辦公、酒店為主的綜合樓,冬季空調供暖設計計算熱負荷約為夏季空調設計計算冷負荷的70-85%.在熱泵機組選擇時,應查看熱泵機組對應于當地設計計算氣象參數條件的真實出力。如果熱泵機組在設計計算室外參數條件下的制冷量大于設計計算冷負荷,而制熱量等于熱負荷,則應以熱負荷為準選擇熱泵。反之,如果制冷量滿足設計計算冷負荷要求,而供熱量大于所需熱量,則可考慮部分選用風冷型冷水機組,部分選用風冷型熱泵機組,以減少投資。一般情況下,按夏季冷負荷選定的熱泵,能滿足冬季供暖的要求。

  機組類型與臺數的確定

  風冷熱泵型冷熱水機組根據壓縮機的不同可分為渦旋式熱泵機組、活塞式熱泵機組和螺桿式熱泵機組;按機組結構大小、組合規模不同,熱泵機組可分為整體式熱泵機組和模塊式熱泵機組。整體式熱泵機組與模塊式熱泵機組沒有本質的區別,所謂模塊式熱泵就是指一臺熱泵機組由若干臺熱泵單元(有獨立的制冷回路,獨立的蒸發、冷凝,獨立的框架,甚至有獨立的控制板)并聯而成,各單元增減組合靈活方便,任意一單元的故障不影響其余各單元的工作。

  國內的熱泵機組生產企業以生產模塊式熱泵機組為多,而整體式熱泵機組從外觀上看是一組合單元、一整體框架,雖然內部可有多臺壓縮機,甚至有兩個以上的制冷回路,但它們之間一般不可再分解。模塊式熱泵機組的主要優點是噪音低、振動小,由于系統總的制冷回路多,冬季化霜時對系統水溫影響小。系統互備性也好。另外,熱泵機組一般置于屋頂,模塊式熱泵機組由于各單元組合靈活,各單元尺寸小、重量輕,故具有運輸、吊裝、安裝方便等優點。如工程較大,模塊式熱泵機組會由于制冷單元數量較多,而存在故障點多、維護量大的可能性,額定工況下的效率也略低于整體式機組。另外,由于模塊化熱泵一般采用板式換熱器,對水質要求較高,對各單元之間水力平衡的要求也較高。綜上所述,對較小系統,或對尺寸、重量、吊裝等有特殊要求的場合,模塊式熱泵有其優越性。

  至于活塞式熱泵機組與螺桿式熱泵機組,從理論上講,螺桿式熱泵機組的運動部件少,維護量少,效率高,噪音也低。但由于熱泵的噪音很大一部分來源于風機,而且壓縮機的噪音可以通過加隔音罩等辦法降低,故實際上螺桿式熱泵的噪音比活塞式熱泵的噪音略低(約3-5dB(A))。另外,對于熱泵機組的熱阻主要在室外換熱器側,熱泵的效率受兩器面積等因素的影響,故從工程角度出發,螺桿式熱泵與活塞型熱泵在效率上的差異有限,但螺桿式熱泵的價格高于活塞式熱泵。

  關于制冷劑問題,有條件時盡可能選用對環境影響小的制冷劑,如R134a、R407C等,其中應優選R407C,其次是R134a;從制冷劑價格考慮,目前最便宜的是R22.

  熱泵機組的位置

  熱泵機組的位置有下列幾種:一是置于裙樓頂,二是置于塔樓頂,三是置于窗臺,四是置于凈高較高的室內。考慮到吊裝及日后更換等原因,熱泵機組較多的置于裙樓頂。當熱泵機組置于裙樓頂時,要評估其對主樓及周圍環境的影響,較大的熱泵機組(≥200RT),單機噪音在75~85db(A)左右。有必要時可加隔音屏障,或在主樓靠機組側避免開門,做雙層窗或高質量中空玻璃取代普通單層玻璃窗。布置于窗臺的熱泵機組往往是每層要求獨立配置、單獨計量的場所,只限于較小容量的熱泵機組,宜采用側進風側排風的形式。選用上排風熱泵機組時應安裝導流風管,改成側排風。即使室內有較高凈空,熱泵機組置于室內是不可取的,受條件限制必須設置于室內時,室內應有穿堂風可利用,要有足夠的進風面積,并將排風通過風道有組織地排至室外,防止氣流短路。加接排風管時,對風機應作相應的調整,避免因阻力的增加而減少通風量。比較理想的方法還是將熱泵機組置于塔樓頂,使熱泵機組有良好的通風條件,并使噪音影響面降為最小。

  但應注意,熱泵機組不能臨近住宅或其他對噪音要求較高的房間布置,不得緊貼住宅(客房)上面或下面布置熱泵機組及水泵。熱泵機組宜采用彈簧減振器隔振,減振器型號及布置點經計算確定。熱泵機組靠女兒墻及主樓的距離大于3m,機組間的間距不宜小于3m,有條件時距離應加大。熱泵機組的布置除考慮對周圍環境影響小,通風好外,還應考慮管線布置、設備吊裝及以后的更換等因素,有條件時留出1~2臺機組位置,為以后發展留下余地,并為設備安裝及更換考慮足夠的荷載條件。

  水泵的選擇與布置

  水泵的數量宜與熱泵機組的臺數相對應。熱泵機組與水泵的連接方式宜采用一對一串聯的方式,熱泵機組與水泵聯動。熱泵機組數量較多時,水泵可貼臨熱泵機組布置,水泵應具有防水性能并加擋雨吸音罩;熱泵機組數量較少時,水泵宜集中布置于室內。備用水泵可采用先不安裝而臨時替換的方法。如果水泵采用先水泵組并聯再與并聯的熱泵機組相串聯的方式,則并聯的熱泵機組數量不宜超過6臺,并應有可靠的水力平衡措施。這種連接方式應將水泵布置于臨近熱泵的室內,也可以置于地下室,水泵的臺數應考慮1~2臺的備用泵。在選擇水泵規格時,盡可能選低轉速泵,以減低噪音,水泵的流量可按系統所需流量的1.1倍選取,水泵的揚程應等于系統所需克服的總阻力。水泵的功耗應控制在熱泵出力的1/30之內。水泵的布置要有一定的間距,有條件時預留1~2臺水泵的安裝位置以備發展之需。水泵也應有可靠的隔振措施。

  末端設備的選擇(一級)

  夏季工況條件下,熱泵機組額定供回水溫度分別為7℃和12℃,這與一般空調器的額定工況相一致,空調器的選擇計算與其他形式的空調系統相一致。冬季工況條件,熱泵空調系統在額定條件下(室外空氣8℃),熱泵機組的額定供回水溫度一般分別在47℃、42℃。而當室外溫度較低時,熱泵空調系統的供水溫度一般維持在39~40℃。這一水溫條件明顯低于鍋爐供熱系統的額定供回水溫度(分別為60℃和50℃),也即低于一般空調器性能參數表中給出的額定進出水溫度(也分別為60℃和50℃),由于水溫不一樣,空調器的散熱量有明顯差異。有學者因此認為熱泵空調系統的末端設備應在夏季工況計算選擇結果的基礎上有所放大。但根據我們的計算,南京地區熱泵空調系統的末端可以采用夏季制冷工況條件下的計算選擇結果。這一方面是由于南京地區一般建筑物的采暖熱負荷小于夏季供冷冷負荷,另外,同樣的空調器,60℃進水溫度條件下的供熱量明顯大于7℃進水條件下的制冷量。冬季當進水溫度降至39~40℃時,空調器的散熱量能滿足室內供暖的要求。此外,習慣上按中檔參數選擇空調器,本身就有一定的裕量。如果熱泵空調系統有4個以上的制冷回路,化霜對水溫不會造成明顯的波動,故不會影響室內溫度的波動。但當熱泵系統只有1~2個回路時,為減少化霜對室內溫度的影響,有條件時,可將空調器啟停控制與水溫同步,如當水溫低于35℃時,空調器風機停止運轉,當水溫高于35℃時風機恢復運轉。這樣可有效提高室內的舒適性。

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