PDF《风冷热泵冷热水机组的选型与工程设计》

经验交流 风冷热泵冷热水机组的选型与工程设计 舟山海洋渔业公司 李浙【摘 要】 本文阐述了风冷热泵冷热水机组选型中应注意的几个方面问题 ,并对其 在工程设计中的几个应注意事项谈了作者自己的体会.

【关键词】 风冷热泵、 选型、 工程设计

1 引言风冷热泵冷热水机组是

90 年代在我国开始 应用的一种新型空调主机 ,此类机组既可供冷又 可供热 ,省却了锅炉房和冷却水系统 ,安装灵活方 便.机组运行采用微电脑控制 ,可靠性较高 ,在长 江流域的许多空调工程中得以广泛采用.但由于 各地气候条件不同 ,再加上工程设计方面也缺少 经验 ,因此在使用中也发现了不少问题.本文作 者根据自己近年来的工程经验谈几点体会 ,以供 广大同行参考. 在进行一个工程的设计过程中 ,如果当地气 候环境允许 ,同时经过工程经济分析比较后确定 该工程空调冷热源采用风冷热泵机组 ,那么设计 人员就应该着手对国内外相关厂家的产品进行分 析比较 ,然后为用户选择一种较为经济合理的热 泵产品.选型的主要内容首先是机组的总体性分 析 ,它包括热泵机组的制冷量、 制热量、 COP 值、 噪声、 外形尺寸、 运行重量等参数 ;

其次是分析该种 热泵的内部配置 ,它包括压缩机型式、 冷凝器结构 及布置、 热力膨胀阀的配置、 蒸发器型式、 能量调 节方式、 融霜方式、 安全保护及自动控制内容等 等.在进行上述分析比较后我们就可以选择一种 较为理想的机组 ;

接下来的工作就是进行设备布 置 ,这过程中我们必须考虑设备之间的合理间距 , 辅助热源的配置以及多台热泵整体运行噪声对周 围环境的影响等等.下面就对以上几方面的问题 分别加以阐述.

2 风冷热泵的性能分析 2.

1 风冷热泵的冷、 热量 这两个参数是决定风冷热泵正常使用的最关 键参数 ,它是指风冷热泵的进风温度、 进出水温度 在设计工况下时其所具备的制冷量或制热量.它 可从有关厂家提供的产品样本中查得.但目前在 设计中也发现这样的情况 ,即有的厂所提供的样 本参数并未经过测试而是抄自其它厂家的相关样 本.这给设计人员的正确选型带来了一定困难. 因此笔者建议在有条件的情况下设计人员可根据 有关厂家的风冷热泵所配置的压缩机型号 ,从压 缩机生产厂家处获得该压缩机的变工况性能曲 线 ,根据热泵的设计工况查得该压缩机在热泵设 计工况下的制冷量和制热量 ,从而判断该样本所 提供参数的真伪. 2.

2 风冷热泵的 COP 值 该值是确定风冷热泵性能好坏的重要参数 , 其值的高低直接影响到风冷热泵使用中的耗电 量 ,因此 ,应尽量选择 COP 值高的机组.目前我 国国家标准是 COP 值为2.

57 ,多数进口或合资品 牌的 COP 在3左右 ,个别进口品牌的高效型机组 其值可达到3. 8. 2.

3 噪声 噪声是衡量一台风冷热泵机组的重要参数 , 它直接关系到热泵运行时对周围环境的影响.国 内有关专家曾根据工程实测对各类进口热泵的噪 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.设计选型中 应优先选择噪声在 80dB 以下的机组. 2.

4 外形尺寸 风冷热泵机组大多布置在室外屋顶 ,它在进 行设备布置时对设备与周围墙面的间距、 设备之 ・

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2000 No11 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 间的间距都有明确要求 ,因此我们在进行设备选 型时必须考虑所选设备尺寸是否符合设备布置的 尺寸要求.在性能相同的前提下应优先选用尺寸 较小的机组 ,以减小设备的占地面积. 2.

5 运行重量 由于风冷热泵机组大多布置在屋面 ,因此在 选型时必须考虑屋面的承重能力 ,必要时应与结 构专业人员协商 ,增强屋面的承重能力.但在设 备选型时我们应优先选择运行重量较轻的机组.

3 风冷热泵的系统分析 所谓风冷热泵的系统分析 ,就是在风冷热泵 的选型过程中除了比较各自的制冷量、 制热量、 COP 值、 噪声、 运行重量、 外形尺寸等参数外 ,还要 对其各自的压缩机型式、 冷凝器型式及布置、 热力 膨胀阀的配置、 蒸发器型式、 除霜方式、 能量调节 方式以及热泵系统的自控和安全保护等等加以分 析 ,比较其各自在系统配置方面的优缺点. 3.

1 压缩机的型式 目前用于风冷热泵的压缩机型式主要有活塞 式、 涡旋式、 螺杆式三种型式.根据热泵工作的特 点是运行时间长、 压缩比大等情况 ,笔者认为涡旋 式或螺杆式压缩机将成为热泵压缩机的主流.其 理由是 : a) 涡旋式或螺杆式压缩机传动件较活塞式压 缩机传动件少 ,从而使压缩机的磨擦损耗相应减 少 ,整机的效率相应提高 ;

b) 由于热泵机组的压缩比较大 ,因此在相同 的余隙容积下对于活塞式压缩机其容积效率较 低 ,从而造成整机效率的下降.涡旋式和螺杆式 压缩机不存在这方面的问题 ;

c) 用于风冷热泵的压缩机其工作环境较其它 在普通空调工况下工作的压缩机要恶劣 ,每年的 运行时间也较长 ,工况变化范围也较大 ,因此对压 缩机的可靠性要求就较高.涡旋式和螺杆式压缩 机具有零部件少 ,结构紧凑的特点 ,所以尤其适用 于热泵机组 ;

d) 目前所采用的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空气侧换热 器上积聚的霜.在除霜开始和结束时 ,系统要进 行反向运行 ,在原冷凝一方盘管中所积聚的液体 制冷剂由于其中压力骤然降低为吸汽压力而大量 通向压缩机 ,造成压缩机的湿冲程.这对于涡旋 式和螺杆式压缩机或许并没有什么大问题 ,而这 对于活塞式压缩机来讲 ,极易造成气阀和连杆的 损坏 ;

e) 就热泵压缩机本身而言 ,涡旋式和半封闭 螺杆式比活塞式的噪声要低. 3.

2 冷凝器的型式与布置 冷凝器一般用翅片型式 ,目前主要有开窗片 和波纹片两种.开窗片换热效率较高 ,因此前两 年生产的热泵机组中经常得以采用.但由于我国 城市大气质量较差 ,而这类翅片极易积灰 ,且较难 清理 ,使用时间一长 ,换热效果大大下降.所以当 前热泵用冷凝器多采用波纹片配内螺纹铜管 ,它 具有换热效率较高 ,不易积灰 ,风阻小等特点. 冷凝器的翅片间距也很有讲究 ,作为冷凝器 使用时以肋化比高、 传热系数大为好 ,故希望片距 小些较好.但当其作为蒸发器使用时 ,翅片一结 霜 ,使用时的换热效果就会大大降低 ,因此又希望 片距大一些.综合考虑 ,一般片距取 3mm 为宜. 冷凝器的布置型式同换热效果和外形尺寸有 着直接的关系.通常热泵的冷凝盘管布置成直型 盘管、 V 型盘管、 W 型盘管三种型式.V 型盘管间 的较大空间内除了轴流风机外并无其它零部件 , 空间利用率低.直型盘管间虽然集中布置了压缩 机、 四通阀、 蒸发器等系统有关零部件 ,但由于盘 管高度较高 ,迎风面风速不均匀 ,冷凝器换热效率 较低 ,且气流组织不理想 ,空气阻力较大.W 型布 置克服了上述缺点 ,不仅可改善气流组织提高换 热效率 ,降低空气阻力 ,而且由于在在同样空间条 件下 ,冷凝盘管传热面积增大 ,空间利用率较高 , 从而缩小了机组外形尺寸. 3.

3 热力膨胀阀配置 在目前出现的热泵制冷系统中有采用单膨胀 阀和双膨胀阀两种方式.所谓双膨胀阀就是制热 工况和制冷工况各采用一只膨胀阀.如果系统采 用一只膨胀阀 ,按标准制冷工况进行选型 ,由于热 泵系统在制热工况下运行时系统的制热量随着环 境温度的下降而下降 ,此时膨胀阀的制热能力也 会有所下降 ,但其下降的幅度要小于系统制热能 力的下降.这样在制热工况下随着环境温度的下 降 ,对系统而言所配置的膨胀阀显得过大.过大 的膨胀阀会引起蒸发器供液过多 ,蒸发压力上升 , 与室外空气换热量减少 ,从而导致热泵供热量的 减少. 当前许多厂家的热泵机组多采用双膨胀阀型 ・

0 4 ・ 水利电力施工机械 第21 卷第1期总第

79 期2000 No11 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 式 ,制冷膨胀阀按标准制冷工况来选择.制热膨 胀阀如若按标准制热工况来选择 ,那在低温工况 下运行时膨胀阀会显得过大.所以 ,根据笔者自 己的体会 ,建议制热膨胀阀按环境温度 -

7 ℃、 热 水进口温度

40 ℃、 出口温度

45 ℃来选型 ,按这样 条件计算后选定的膨胀阀能在不低于 -

15 ℃ 的环 境温度下正常运行. 3.

4 蒸发器型式 目前在风冷热泵机组中常用的蒸发器主要是 板式换热器和干式壳管式蒸发器.板式换热器多 用在小型风冷热泵中 ,它具有传热效率高、 蒸发器 不易结油的特点.尤其是新的带有内置式分配装 置的板块 ,解决了板片间制冷剂分配均匀性这一 关键问题 ,能在相同的出水温度下提高蒸发温度 1. 5~2 ℃,提高了制冷效率 ;

干式壳管式蒸发器多 用在大中型风冷热泵中 ,目前其传热管已广泛采 用高效管 ,因此换热效率有很大提高.但总的来 讲干式壳管式蒸发器不及板式换热器.而且其回 油相对困难 ,常积存于换热器底部.如在底部设 回油管与吸汽管相通 ,则由于有液体制冷剂带入 , 导致制冷剂过热度不稳定 ,影响膨胀阀的工作和 系统的制冷量. 3.

5 轴流风机的配置 轴流风机的配置首先要满足冷凝器 (空气侧 换热器) 的换热要求 ,根据经验 ,风冷热泵机组所 配轴流风机风量与标准制冷量(环境温度

35 ℃,出 水温度

7 ℃ ) 之比约为0. 071~0. 095m3 / kJ .此外 还要保证冷凝器迎风面的风速 ,因这关系到冬季 运行时空气侧换热器的结霜速度.迎风面风速越 大 ,冬季运行时越不容易结霜 ,但风量过大风机的 功耗也要增大 ,同时噪声也要增大.因此一般情 况下迎风面风速取 3~5m/ s.另外 ,风机配置时 还要考虑噪声 ,目前一般选用大直径、 低转速、 叶 片扭转角较小的轴流风机以降低风机噪声. 3.

6 能量调节方式 目前在风冷热泵机组中常用的能量调节方式 有压缩机台数控制、 压缩机间隙运行、 气缸卸载调 节(活塞式) 、 变频调速 (涡旋式) 、 滑阀无级调节 (螺杆式) 等.从能量调节方式中我们可以看出台 数控制、 压缩机间隙运行、 气缸卸载调节都是属于 有级调节 ,而变频调速和滑阀无级调节属于无级 调节.无级调节具有节能、 噪声和振动小、 起动性 能好等优点 ,同时也降低了对供电系统的干扰. 从这点也可看出涡旋式和螺杆压缩机的优势. 3.

7 除霜方式 目前各生产厂家的除霜方法基本相同 ,大多 采用热汽除霜法.所不同的是除霜的控制技术. 常见的有压差控制法、 温差控制法、 温度时间控制 法 ,其中以温度时间控制法最为普遍.这种控制 技术中除霜参数的设置最为关键.除霜参数包括 除霜温度、 除霜时间、 除霜间隔.除霜温度是由通 过位于膨胀阀后的感温元件来感应节流后的液体 温度 ,一般设定值为 -

5 ℃.除霜间隔是计时器控 制的 ,一般定为 40min.除霜时间也是由计时器控 制 ,一般不超过 10min.热泵在冬季处于制热工况 运行时 ,随着蒸发器上结霜的加重 ,蒸发温度也不 断下降.当蒸发温度下降到 -

5 ℃,并且距上一次 除霜时间间隔达 40min ,机组就进入除霜模式.如 果除霜时间超过 10min 而盘管内的液体温度仍未 上升到 +

5 ℃,机组也要停止化霜 ,恢复制热. 在上述三个参数中除霜时间间隔是直接受环 境影响的 ,但目前多数厂家的除霜时间间隔仍采 用固定值 ,这种做法导致在低温高湿地区结霜严 重的情况下 ,由于没有到设定时间而不能进行除 霜 ,从而造成霜层过厚甚至冻结 ,机组低压保护而 停机的现象.这个问题应在机组调试中加以注 意.因此笔者建议一方面在热泵的除霜参数设置 上应该因地制宜 ,不能一概而论.另一方面就是 前面曾提到的在低温高湿的地区不宜使用热泵机 组. 3.

8 安全保护与控制 目前国内风冷热泵机组的保护与控制多采用 计算机控制 ,其又包括可编程控制和微电脑控制 , 两者的控制原理大致相同. 一台风冷热泵的安全保护系统至少要包括以 下几个方面 :a) 吸气压力过低保护 ;

b) 排气压力 过高保护 ;

c) 油压保护 ;

d) 冷水温度过低保护 ;

e) 水侧换热器断水保护 ;

f) 压缩机启动时间间隔保 护;

g) 压缩机内埋电机过热保护 ;

h) 电机过载保 护;

i) 电源电压过低保护 ;

j) 三相电缺相保护 ;

k) 油温控制. 风冷热泵控制至少要包括以下几部分 :a) 除 霜控制 ;

b) 多台压缩机顺序控制 ;

c) 能量调节 ;

d) 故障停机与显示 ;

e) 远程控制接口(用于远程设置 运行参数以及控制机组启停、 将机组运行参数和 故障内容显示于控制终端) . ・

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4 风冷热泵的工程设计 4.

1 风冷热泵的布置 目前风冷热泵冷热水机组在使用中不................