空气源热泵作为冷热源系统的设计及技术计算分析

董金虎

（山西晋设拓凡建筑设计咨询有限公司, 山西 太原 030013）

1 概述

本工程为太原市示范性综合实践基地建设项目，位于山西省太原市清徐县徐沟镇西楚王村，是太原市2016 年度重点建设工程。本工程总用地面积76899.02m2；总建筑面积45050.00m2，其中地上建筑面积41849.29m2，地下建筑面积3200.71m2。本项目是全面提升中学生创新性、实践性和动手操作能力的一所综合实践基地项目，共包含7 个子项和各种训练场如拓展训练、攀岩训练、障碍赛以及气象监测、环境监测、果木养殖、农作物养殖等区域。其中单体建筑包括：

1 号运动馆：地上两层；主要功能为室内篮球场兼羽毛球馆，建筑面积3791.32m2。

2 号综合楼：地下一层，地上五层；地下一层主要功能为电气设备用房及空气源热泵机房，地上五层主要功能为实践活动体验区、实践活动教学区、多功能厅及阅览室，总建筑面积为14242m2。

3 号体验楼：地上四层；主要功能为地震体验区，消防体验区，文化体验区，5D 电影区等，总建筑面积为7635.05 m2。

4 号食堂：地上三层；主要功能为餐厅，厨房，包间等，总建筑面积为3430.5m2。

5 号学生公寓：地上五层；主要功能为学生宿舍及配套用房，总建筑面积为15309.2m2。

6 号看台：总建筑面积为787.14m2。

7 号门卫、校门；总建筑面积为97.10m2。

本项目总面积约为4.5 万m2，共分7 个单体，单体建筑面积不大，但每栋楼功能各异，系统多且复杂，如何把采暖空调系统合理化、系统化的设计好，同时又能实现节能降耗、管理方便是设计中的又一难点[1-4]。

2 空气源热泵系统的设计计算

2.1 冷热源系统设计

1） 本项目冷热源均由空气源热泵和风冷冷水(热泵) 机组(低温型) 提供。该项目热泵机房位于2#综合楼地下室，机房建筑面积大约为170.0m2，机房层高为4.5m。风冷冷水(热泵) 机组(低温型) 和空气源热泵机组室外机均安装在2号综合楼屋顶。

综合考虑各单体室内空间情况、舒适度要求及使用功能的复杂程度，各单体冷热负荷计算及采暖空调系统形式详见下表：

根据以上冷负荷计算表和逐时冷负荷图可以看出该项目的夏季空调冷负荷峰值发生时刻为14：00 左右，此时刻的每座楼峰值冷负荷叠加计算，即为该项目空调系统的总冷负荷，经过计算，总冷负荷为2897KW。

表1 冷负荷计算表

图1 逐时冷负荷图

根据热负荷计算表得出整个项目的采暖热负荷Qr=1929.48KW，地板辐射采暖系统热负荷为578.98KW，散热器采暖系统热负荷为1350.5KW。

综上计算得出：

1～4 号楼：冬季为散热器采暖系统，散热器采暖系统热源采用37 台空气源热泵机组室外机，单台机组额定制热量为73.3KW (室外温度：7℃)，热水进出水温度65/55℃，COP值为3.39；夏季为中央空调制冷系统，空调系统冷源采用18台风冷冷水(热泵) 机组(低温型) +13 台风冷冷水(热泵)机组(超低温型)，单台机组额定制冷量分别为62KW/65.0KW(室外温度：35℃)，冷水进出水温度7/12℃，COP 值为3.20。

5～7 号楼：冬季为地板辐射采暖系统，地板辐射采暖系统热源采用18 台风冷冷水(热泵) 机组(低温型)，单台机组额定制热量为70.0KW (室外温度：7℃)，热水进出水温度50/45℃，COP 值为3.20，冬季为地板辐射采暖系统提供热源，同时作为空调系统的一部分冷源。

2） 本项目风冷热泵及空气源热泵系统循环水泵及软水定压设备设置在2 号综合楼地下室，机房内散热器采暖系统设置三台DE4300 型智能变频一体立式水泵为散热器采暖热水循环水泵，冬季地板辐射采暖系统与夏季空调系统合用设置三台DE4300 型智能变频一体立式水泵为地板辐射采暖热水循环水泵，使用形式均为两用一备，均为立式变频一体单级离心水泵，热水循环泵耗电输冷比ECR=0.02610＜0.026243（限值）。

3） 水处理设备选用ZNJH-9 全自动软水器(安装于机房内)，软水器出水量6～12m3/h，软水器自动完成离子交换和制备软水的运行以及再生反洗排污和盐箱补水循环的过程，并在两罐之间自动切换，连续运行，随时可供软化水。

4） 地板辐射采暖热水和散热器采暖热水补水及定压系统采用真空脱气定压补水机组，功能为自动定压、膨胀、补水和真空脱气。

5） 控制计量和自动控制设计：

a. 本项目负荷变化有一定的规律可依，主机可以通过台数和连续容量调节来调节负荷，调节可以达到15%～100%，基本可以满足运行调节的要求。

b. 水处理器的给水系统安装流量计，集水器上每个分环路上均安装冷（热） 量表。

c. 在主机控制盘上实现主要设备（风冷冷水(热泵) 机组(低温型) 和空气能热泵机组室外机、循环水泵) 的联锁启动，即机组运行时循环水泵与主机设置按自动顺序启停与手动启停两种方式，并在机房内设有远传控制系统。

d. 冷热源系统设置计算机自动化控制系统。

2.2 1～4 号楼空调系统设计

1 号运动馆空调系统采用一次回风低速单风道全空气系统，气流组织采用上送上回形式。

2 号综合楼一层实践活动体验区及二层多功能厅均采用一次回风低速单风道全空气系统，气流组织采用上送上回式，二层接待区，阅览室，三，四，五层实践活动教学区均采用了风机盘管+新风系统。气流组织采用上送上回形式。

3 号体验馆空调系统为舒适性中央空调系统，气流组织采用上送上回形式。

4 号食堂空调系统为舒适性中央空调系统，气流组织采用上送上回形式。

本项目空调系统均采用带热回收的空气处理系统，换热效率高达70%，从而降低因室内外空气置换而造成的能耗损失，实现了全面、有效、节能的空气置换。

2.3 采暖系统设计

1～4 号楼均采用散热器采暖系统，散热器选用压铸铝双金属散热器(UR7002-600)，既能满足采暖要求，又美观整洁。

5～7 号楼均采用地板辐射采暖系统，既满足采暖要求，而且舒适性好，温度均匀、易于铺设，适合公寓类建筑。

2.4 运行耗能分析

风冷热泵在冬季运行时，COP 约为3.2，即投入1KW 电能，可得到3KW 的热能，夏季运行时，COP 可达4.3，投入1KW 电能，可得到4KW 的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4 倍;并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗；而且风冷热泵机组其本身可轻松实现自动控制（包括自动除霜） 以达到管理运行简单；能提供制冷和制热以适应不同建筑物的使用要求，一机冬夏两用，具有设备利用率高的特点；空调系统冷热源合一，夏季制冷时采用空气侧换热器，无需安装冷却塔，避免了噪音及霉菌污染，同时省去了冷却水泵和管路，减少了附加设备的投资，冬季制热省去锅炉设备和锅炉房土建投资，消除了锅炉房最有可能存在的安全隐患，适用于同时具有采暖和制冷需求的用户；其结构紧凑且整体性好，机组户外安装，可放置在屋顶，安装方便，不占用建筑物的室内空间，省去了冷冻机房，节约了建筑投资，风冷热泵机组的一次能源利用率可达90%，节约了能源消耗，大大降低了用户成本，减少大气污染和CO2 排放；风冷系统替代冷却水系统，更适用于缺水地区，对于节水、节能和环保等都具有重要的意义。热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

3 结论及建议

根据本工程特点，该项目位于基础配套设施不完善区域。集中供热无法到达，天然气源和管网也无法实现，而为响应节能环保政策，本项目又不能采用燃煤锅炉，这就造成了冬季采暖空调供热热源无法解决的难点。本项目采用风冷热泵机组作为冷热源，很好的解决了上述难点，且周边无高大建筑，空气对流通畅，更利于风冷热泵机组运行。而本项目作为学校项目，其特点是在进入寒假期间，除值班人员外，校园内处于无人状态，采用风冷热泵机组作为热源，可以根据各单体建筑的具体情况，在寒假采用降低室内温度，如无人使用时，可采用值班采暖温度或局部供热，有效的解决了寒假期间大部分学校都会产生不必要的能源浪费问题，同时风冷热泵机组可独立或组成运行，既管理方便，又运行可靠也为学校节省了很大一笔开支。因此，采用风冷热泵机组作为该项目的热源是个很好的选择。

随着现代建筑的蓬勃建设，为了适应国际化大都市的要求，规划、环保、消防部门均对锅炉房的设置提出了种种限制。风冷热泵机组以大自然中蕴藏着大量的较低温度的低品位空气为热源，可以取之不尽，用之不竭，处处都有且无偿获取，可大大降低一次能源的消耗，是一项可持续发展技术。其作为一种比较成熟的高效环保型供冷供热产品，因其能做到夏季供冷、冬季供热，近年来在我国得到了广泛的应用，在建筑节能工程中的作用也越来越大。