王建义
摘要：介绍了低温型风冷热泵机组的性能，通过投资及运行费用分析论证了低温型风冷热泵机组在寒冷地区小型公共建筑应用的可行性。
关键字：低温型；热泵；冬季供暖
0引言
风冷热泵，是从空气中获得低品位热能，经过做功，转变为高品位热能并传给室内的一种高效输能设备。其冷凝器为风冷冷凝器。风冷热泵机组在夏热冬冷地区广泛使用。但在长江以北,，由于冬季大范围的工况变化导致结霜的问题，风冷热泵机组受到了很大的限制。
1.低温型风冷热泵机组的性能特点
近几年，随着技术的不断改进，不少厂家推出了低温型风冷热泵机组。其主要特点在于通过对风侧回路数的优化及热力膨胀阀的改进，使得风冷热泵机组能在-20℃的超低温环境下适应工况需求，有效的解决结霜问题，充分保证制热效果，满足节能要求。下面介绍一个北京小型公共建筑应用低温型风冷热泵的分析。
2.工程概况
本工程位于北京房山区一个偏远的农村，为改造的办公建筑，地上三层，总建筑面积为2750㎡。
该地区位于农村，未规划天然气，冬季采用燃气供暖不可行。又因为环境污染的因素，燃煤锅炉受到了严格限制，而采用电锅炉其耗电量是个可观的数目。由此想到了冷热源采用低温型风冷热泵机组进行夏季供冷，冬季供暖。室内采用风机盘管加新风的常规空调系统形式。下面对作为冷热源的低温型风冷热泵进行分析。
3.冷热负荷计算
先用负荷指标法对冷热源选型进行研究。因该工程为老旧楼改造，其主体结构未做保温，且其密封性不是很好，又根据其功能及使用人数的要求，故选用的负荷指标大于常规新建建筑。
本工程热负荷指标按100W/m2，冷负荷指标按150W/m2计算，夏季空调的同时使用系数考虑为0.9，建筑面积为2750 m2，则本工程的夏季与冬季的冷热负荷如下：
夏季冷负荷：QL=150x0.9x2750=371KW,
冬季热负荷：Qr=100x2750=275KW
4.冷热源方案的确定
4.1低温型空气源热泵系统
根据建筑冷热负荷及低温型空气源热泵机组的性能参数，参考某厂家提供的样本，按夏季冷负荷选用6台EKAC230BRLH低温高效模块式风冷热泵机组，其中主机1台、从机5台。名义工况下总制冷量为396KW,制热量为420KW,夏季满足制冷。
单台EKAC230BRLH机组的名义工况即夏季室外干球温度为35℃，出水温度为7℃；冬季室外干湿球温度为7/6℃，出水温度为45℃.测试的性能参数如下：
制冷量：66kW 制冷功率：18.1kW
制热量：70kW 制热功率：19kW
机组尺寸：2012mm×880mm×1840mm
其中主机和从机的区别在于主机带控制器，根据负荷变化可以自动控制从机启动台数。
风冷热泵机组在冬季必然需考虑制热量的衰减，当盘管表面温度低于0℃时盘管上的凝结水就会结霜、结冰，达到规定限度时，进行化霜循环。机组化霜过程中，停止供热，水温下降，此期间机组又从水系统中吸收热量除霜，进一步降低水温。一般除霜周期为3min,等于停机6min,即为0.1h.因此，风冷热泵冷热水机组冬季的制热量，应根据室外空调计算温度修正系数和化霜修正系数，进行修正.其修正公式为：Qh=qK1K2,
式中：Qh—机组制热量；q—样本中名义工况下的瞬时制热量；K1—使用地区室外空调计算干球温度修正系数，按产品样本选取；
K2—机组化霜修正系数，每小时化霜一次取0.9，二次取0.8；
根据所选择的产品特点，样本中列出了冬季不同温度下的制热量及耗功率，见下表（表一）：
从上表中可知，单台EKAC230BRLH在室外设计温度为-15℃，出水温度为45℃的性能参数为：
制热量：46.5kW 制热功率：18.22kW,
COP： 2.55 制热量衰减：33.6%
单台EKAC230BRLH在室外设计温度为-10℃，出水温度为45℃的性能参数为：
制热量：53kW 制热功率：18.22kW,
COP： 2.9 制热量衰减：24.3%
我们考虑冬季的极端天气为室外-15℃，出水温度为45℃时，机组总制热量为46.5x6=279KW；满足本工程的热负荷275KW的需求。而《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012规定：北京冬季空气调节室外计算温度为-9.9℃，若按室外温度-10℃选择机组，当出水温度为45℃时，机组的总制热量为53x6=318KW,满足本工程热负荷需求并有富余。并且两种情况下机组的COP值均满足规范规定的不小于1.8要求。在北京，冬季大部分时间室外温度在-10℃以内，此时的风冷热泵机组拥有更高的COP值，制热性能更好。因此机组只需部分台数运行即可满足供暖要求，而机组的台数启停控制由主机所带控制器自动控制，无需人工介入，方便且节能。所以，本工程冬季采用此超低温型风冷热泵机组在技术上完全可靠。
4.2．冷热源机组控制要求：
自带配电柜，主机带控制器，根据负荷变化自动控制台数启停。
系统运行有手动/自动两种状态：系统在自动状态下，开启总电源后，冷热源控制系统将根据负荷情况能够自动在多种工况之间调节，保证整个系统处于效率最佳的运行状态。
5.冷热源末端方案
本项目末端采用风机盘管加新风系统，风冷热泵机组夏季供回水温度为7/12℃,与常规空调无异。根据样本，低温型风冷热泵机组冬季在室外干球温度为-20℃及以内出水温度均能达45℃，满足风机盘管对水温的使用要求。
6.投资分析
6.1初投资
从厂家处了解到，采用六台型号为EKAC230BRLH的低温模块式风冷热泵机组，单台的价格为5.8万元，六台的总价约为34.8万元，其中一台主机，五台从机。
从初投资角度来看，低温型风冷热泵冬夏机组合二为一。较水冷机组，夏季省去了冷却水系统的投资，冬季省去了锅炉的投资。因此，采用低温型风冷热泵机组是非常经济的。
6.2运行经济性分析
因夏季供冷与普通风冷机组并无区别，因此这里只分析冬季供暖经济性。
6.2.1冬季供暖运行技术参数
(1)热负荷：根据前述计算结果知，本工程空调热负荷Qr为275kW
(2)采暖期天数：根据相关规范，按供暖天数n 为123天，每天运行时间n1为10小时计算
(3)采暖热负荷平均系数φr：（室内温度按22℃计算）
φr= tn-tpjtn-tw = （22+1.6）/（22+9.9）=0.74 --（式6.2.1-1）
(4)空调采暖年耗热量Qy：
Qy=n?n1×Qr×φr=123×10×275×0.74=25.0×104kW?h --(6.2.1-2）
6.2.2不同方案经济运行对比，见下表
从以上运行方案分析，对于低温型风冷热泵及风冷机组加锅炉而言，其冬季的运行费用基本持平，而从初投资看，前者少了冬季对锅炉的投资，故前者比后者更为经济。而低温型风冷热泵与地源热泵系统相比，虽然前者较后者运行费用高，但后者地埋管打井是一笔不小的投资，笔者从厂家了解到，本工程大约需150个地源井，每个地源井的费用约为3500元，故打井费用约52.5万元，地源热泵机组的费用约为18万元，而本工程所需低温型风冷热泵机组的价格大约为34.8万元。比地源热泵系统费用低35.7万元。风冷热泵每年的运行费用比地源热泵高1.43万元，故在运行费用和初投资上，二者运行约25年基本持平。且地源热泵系统需对地质条件进行勘探，还需验证土壤的热平衡等问题，其复杂程度远大于风冷热泵机组，笔者并不推荐采用地源热泵系统。因此，低温型风冷热泵较其他两种方案更为简单经济。
小结：对于寒冷地区小型公共建筑而言，采用低温型风冷热泵机组中央空调系统是完全可靠的。在选用机组之前，应首先根据项目特点及产品特点进行技术分析，技术上可行，便可大胆采用，其经济上也是可行的。
参考文献：
[1] 中国建筑科学研究院.GB50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012
[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008
[3] 中国建筑科学研究院，中国建筑业协会建筑节能专业委员会.GB50189—2005 公共建筑节能标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2005
作者简介：
王建义，男，汉族，1981年12月生，工程师。
论文作者:王建义
论文发表刊物:《基层建设》2016年3期
论文发表时间:2016/5/31
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