风冷热泵机组在小型公共建筑中的运行分析
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自上世纪70年代中东石油危机以来，建筑节能逐步引起世界各国的关注。建筑物能耗占总能耗的比例反映了一个国家的社会进步和人民生活水平的提高。据统计，国内建筑物能耗约占全国总能耗的20.7%，而北方地区的采暖能耗就占到约36%。但我国以煤为主的能源消费模式短期内不会改变。以煤为主的能源结构，是造成大气污染的主要根源，也是温室效应的主要排放源。节能和环境问题已成为制约社会发展的关键因素，因此发展并引导能源消费结构向优质和环保方向发展尤为迫切，热泵作为一种能源新技术顺应了这一历史潮流。 1 工程概况 该建筑工程位于兰州某住宅小区内，是一座集高档次、多功能、智能化的小区休闲娱乐综合配套设施，工程占地面积约900m2，建筑面积约为1600m2，南北长43.3m，东西宽24.2m，建筑高度为13m，共三层，无地下室；首层为咖啡厅及西餐厅，层高4.5m，二层为休闲娱乐中心（含棋牌室、兵乓球室、健身房、琴房、画室等），层高4.2m，三层为高级客房（含接待厅、卫生间等），屋顶设置空调用定压水箱间，在建筑南北两侧各设置能自然通风的楼梯。 该冷暖中央空调系统投资费用约49.6万元，单方造价约310元/ m2，于2004年10月竣工并交付建设方使用，前期该建筑首层临时作为小区售楼大厅使用，待小区开发完毕后交付物业管理，作为小区业主休闲娱乐的配套设施。 2 室内主要房间空调设计参数及空调设计原则 2.1 室内主要房间空调设计参数 各主要区域空调设计参数见表1 表1
为提高前期销售大厅的环境档次及为小区业主今后提供一个休闲娱乐的舒适场所，建设方决定该工程采用冷暖中央空调制冷制热，为舒适性中央空调系统，初期设计时在既无区域性热源，又无法建设小型锅炉房的实际情况下，经与设计院多次调查论证决定：空调用冷热水机组选用风冷热泵机组（压缩机采用进口全封闭高效涡旋式压缩机），机组在室外温度不低于-10℃的情况下，仍能有高的制热效率；同时考虑到北方寒冷地区对风冷热泵机组制热的限制，即风冷热泵机组冬季制热时受室外环境气温的影响较大，因此对应风冷热泵机组配套了三台管式电辅热机组。以弥补当室外气温低于-10℃以下时，机组制热量及机组化霜期间机组制热能力骤降对室内温度产生较大波动的影响，同时为保证首层室内良好的温度环境，抵挡入口外的冷风侵入渗透量，在南北两侧进入首层的入口处设置门厅，门厅顶部各设置一台长度L=1800m、功率P=9KW的电热风幕机组，以减少冷风渗透量对室内温度的干扰。 3 冷热源容量及室内冷热负荷设计 该工程冷热源均位于室外适当隐蔽位置落地设置，采用三台风冷热泵机组，风冷热泵装机总容量为：名义制冷量为182.1KW，名义制热量为198.3 KW；建筑夏季空调冷负荷为162KW，冷指标为94.8w/m2，冷冻水供回水温度为7/12℃，建筑冬季热负荷（含新风加热负荷）为124.8KW，热指标为78W/m2，热水供回水温度37/45℃；同时对应各风冷热泵机组配置三台管式电辅热机组，单台电热容量为60KW，每台电辅热机组内有四只发热棒（每只发热棒15 KW），冬季可根据热水回水温度由微电脑控制并逐级投入运行，电辅热机组总热容量共计180KW。 4 冷冻站主要设备 冷冻站主要设备配置见表2
5 空调水系统设计 空调水系统采用两管制，冷热水共用，冷热水由泵房（位于首层室内）经竖井中下分式供回水立管竖向引入各用户，立管采用异程式系统，在供回水立管顶端设置自动排气阀，每层水平管采用同程式系统，为保证水力平衡及将来实际负荷变化的可能，在各层水平总回水管及新风机组的回水管上设置了动态平衡电动调节阀，以保证系统的节能运行；当本层内负荷减少时，进入调节阀的水量相应减少，满足即时负荷的需求，相反随着负荷增加，进入调节阀的流量增加，当其它层或支路负荷发生变化时，由于调节阀的调节特性，保证进入本层或支路流量不受影响；水泵房设置循环泵两台，冬夏季共用，一用一备，空调水系统补水设置在循环泵房内进行，补水泵两台，一用一备，采用屋顶膨胀水箱定压，补水泵的启停由设置于屋面水箱中的液位继电器控制，冷冻水系统设置综合水处理仪，可有效地起到除垢、防垢等功效，系统初次注水及系统补水均采用软化水。 6 空调处理末端及气流组织 6．1 空调处理末端 根据房间用途、负荷变化及房间所处位置，且考虑各层人员流动性较大，负荷变化快的特点，室内各区域均采用风机盘管加新风系统，为了减少风机盘管的负荷及凝结水量，保证新风品质，新风机组采取每层设一台的布置原则，新风机组将新风处理到接近室内温度要求后送至各新风口，每层新风入口及排风口均在建筑物南端两侧布置，满足规范中对新风口与排风口的距离要求，新风入口设置隔尘网，隔尘网要求定期清洗或更换，为降低新风机的噪音对室内环境的污染，新风机采用弹簧吊架柔性吊装，且新风机出口设置消音部件。 6．2 室内气流组织 各空调区域内的送风口形式结合现场天花装饰的情况布置，新风送风口采用下送型散流器送风方式，风机盘管出风口能有效的配合建筑装饰线条，采用条形双层百叶风口上侧送风方式，回风方式采用单层百叶上回风方式。 7 通风设计 卫生间设置独立的机械排风系统，每层单独设置，自然进风方式，排风量大于补风量，使卫生间常年处于负压状态，以满足各卫生间对空气品质的要求，卫生间换气次数不小于10次/h。 首层厨房在灶上方设置运水排烟罩，油烟经过油烟过滤器和水运处理后，油烟微尘与空气分离，使排烟浓度≤2mg/m3后经过排烟竖井排至屋面室外，厨房补风为排烟罩自然补风和空调风相结合，以达到节能目的。 8 自控与节能 8．1 风冷热泵机组 本建筑工程共配置三台风冷热泵机组，机组采用微电脑控制方式运行，可靠性高。其中0＃机组为主机设置，其余两台机组均为模块机配置。所有风冷热泵机组共享一个水路系统，系统通过模糊控制有效地保证机组分时启动，依据回水温度、能量加载/卸载条件以及机组运行时间，运用模糊算法激活加载的组别，实现机组间平均磨损，自动匹配室内冷热负荷的需求，在冬季采暖期依据回水温度自动控制电辅热机组的加载/卸载，补偿机组制热能力的不足，同时由于兰州地区冬季气候干燥，降低了除霜次数和除霜能量损失，更有利于节能，微电脑控制中心可自如设置机组的起停控制及运行、故障自动信号检测、冬季防冻温度、能量调节方式、融霜方式、安全保护、联动保护等，使机组工作性能和可靠性得到进一步提高。 8．2 风机盘管的控制 室内所有风机盘管采取分区域就地控制的方式运行，通过手动三速开关调节各区域内风机盘管的风量。 9 管道及保温 水系统管道采用无缝钢管，管道保温采用橡塑保温管壳进行保温处理，保温厚度为50mm，新风机组前后端风管材料均采用镀锌钢板，玻璃棉保温处理，外贴薄铝板，保温厚度为40mm。 10 系统调试及运行体会 10.1 涡旋式压缩机稳定性高，值得推广 风冷热泵机组压缩机的工作环境与其它普通工况下工作的压缩机相比较，其工作环境要恶劣很多，工况变化范围也较大，运行时间远远超过各种单冷性冷水机组，因此对压缩机的可靠性要求更高，通过近几年的运行分析，以进口涡旋式压缩机为部件的风冷热泵机组更具竞争优势，由于其运行时零部件比活塞式压缩机少许多，维修量少，稳定性高，值得推广。 10.2 风冷热泵机组配置时不宜少于两台 在冬季供热期间，由于风冷热泵机组一般都采用热气除霜的方法来排除冬季供热工况下蒸发器侧积聚的冰霜，微电脑控制中心通过测量环境的温湿度、冷排温度及机组运行时间，找到这四者之间与结霜厚度之间的关系，从而确定机组的除霜方式，故选择风冷热泵机组时最好多于两台，以保证其中任何一台机组进入化霜工况时，其余机组此时仍能进行制热循环，从而可以有效地避免室内风机盘管的送风温度产生较大的波动。 10.3 风冷热泵机组在小型公共建筑中更经济、更节能、更环保 从建筑使用功能的特点出发，同时考虑到冬季热风采暖热惰性小、升温快的优越性，风冷热泵机组在工作期间采用间歇运行模式，即机组夏季制冷期间从上午10点到下午8点正常运行，全天运行约10个小时，夏季制冷期按50天计算；冬季制热期间机组从上午10点到下午6点运行，全天运行约8个小时，冬季制热期按150天计算，冬季其余时间内风冷热泵机组设置在防冻保温状态下运行，以利于节能；由于风冷热泵机组的制热量和其所使用的电能并不是同等品质的能量，风冷热泵机组的能效比COP值在2～4之间（目前我国要求标准不低于2.48），尤其以进口涡旋式压缩机为部件的风冷热泵机组的COP值高于其它方式的风冷热泵机组，只要室外温度不低于-10℃，风冷热泵机组的制热量与采用单纯的电锅炉、电热膜、电热电缆采暖方式（能效比COP值永远小于1）相比，其制热期间能效比COP大多保持在2.5以上，同时由于风冷热泵机组夏季不向外界排放废热，运行时更经济、更节能、更环保；通过近几年的运行数据统计，其运行费用可完全控制在预算范围之内，与其它相似建筑采用不同的空调冷热源方式对比，其运行费用偏低，只是费用的表现形式不同而已，特别从节约有限的水资源及冷却水系统运行费用方面深入分析，其在中小型公共建筑中的经济效益和社会效益显现的更加突出。 10.4 机组运行时噪声不可忽视 风冷热泵机组的噪音主要来自室外机组轴流式风机的运转，噪音控制是衡量风冷热泵机组的重要参数之一，它直接关系到机组运行时对周围环境的影响，机组运行时噪音虽然比活塞式压缩机机组低许多，但仍不能忽视，国内有关专家根据工程实测对各类热泵的噪声划分为三档，第一档在85dB以上、第二档在75～85dB之间、第三档在75dB以下；尤其当机组在冬季夜间防冻保护状态下间歇运行时，机组会对距离其较近的住户产生噪声污染，本工程初期运行后有此现象发生，后期厂家对室外机组及附近住户进行了隔音降噪处理，才消除了噪音扰民现象，因此在工程设计中应优先选用噪声低于80dB以下的机组，同时要对室外机组的就位选址进行充分论证。 10.5 风冷热泵机组维护保养及操作人员的培训考核不可短缺 为保证风冷热泵机组在不同工况环境下不间断运行，机组的维护保养至关重要，在设备运行季节，首先要做好例行检查（如紧固、水质监控、传动装置调校等）；在设备非运行季节，应做好轴流风机、水泵及自动控制系统的全面维修检查，尤其要对机组换热器侧进行彻底的重点清扫，增强机组与室外空气的热交换能力；其次空调操作也涉及到压力容器、制冷剂安全等特性，故从安全和节能角度出发，必须加强空调操作人员的培训及考核制度，提高操作人员的技术素质，使各项调节和节能措施在运行中得到不折不扣的落实，而不只限于机组的开停机操作，相信随着国家节能政策的不断深入贯彻，在不远的将来，空调运行管理会参照锅炉房管理，实行持证上岗制度。 11 结束语 虽然风冷热泵机组在冬季运行时，其制热过程会受到室外低温状况的限制，但如果机组选择合理及运行管理有方，运行费用可完全控制在预算之内，其做为一种节能与环保能源的提供者，将越来越受到科技人员的关注和研究。 |
