摘要： 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在當(dāng)?shù)乜梢宰鳛榭照{(diào)系統(tǒng)冷熱源之一應(yīng)用于各類(lèi)工程；一般情況下，按夏季負(fù)荷選定的熱泵能滿(mǎn)足凍季負(fù)荷要求，可不另設(shè)輔助加熱器；熱泵系統(tǒng)的全年能耗低于水冷機(jī)組加鍋爐的空調(diào)系統(tǒng)；采用熱泵的工程應(yīng)充分考慮其制冷與供熱特點(diǎn), 應(yīng)充分注意其噪音和振動(dòng)的影響及相應(yīng)措施。

一、 概述

按照《規(guī)范》，熱泵被定義為能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)。我們也可以稱(chēng)熱泵為基于逆卡諾循環(huán)原理工作，既可以用來(lái)制冷，又可以用來(lái)供熱的機(jī)組。熱泵的分類(lèi)多種多樣，如果按同熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器換熱的介質(zhì)不同分類(lèi)，熱泵可以分為：空氣-空氣熱泵，空氣-水熱泵，水-水熱泵、水-空氣熱泵、土壤-空氣熱泵及土壤-水熱泵等。其中空氣-水熱泵機(jī)組，即空氣熱源熱泵式冷熱水機(jī)組在工程上的應(yīng)用更為廣泛。
熱泵機(jī)組的研究、生產(chǎn)與應(yīng)用，在二十世紀(jì)七十年代才開(kāi)始在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家走上良性發(fā)展的道路。1980年我國(guó)在上海自行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)了第一臺(tái)以R12為工質(zhì)，壓縮機(jī)功率為55KW的空氣—水熱泵機(jī)組，并投入了實(shí)際工程應(yīng)用。一直至二十世紀(jì)八十年代末，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用在我國(guó)才有了較快的發(fā)展。剛開(kāi)始，應(yīng)用熱泵的工程主要為沒(méi)條件設(shè)置鍋爐或地價(jià)房?jī)r(jià)太貴或無(wú)空間設(shè)冷凍機(jī)房的建筑，可供選用的只有少數(shù)幾個(gè)進(jìn)口品牌的機(jī)組，機(jī)組形式比較單一，多為活塞壓縮整體式風(fēng)冷熱泵機(jī)組。這幾年采用熱泵的工程，無(wú)論在地域上或在建筑功能與規(guī)模上都有了很大的突破，熱泵機(jī)組的品牌、種類(lèi)的選擇空間大為擴(kuò)大，既有許多進(jìn)口品牌，又有不少?lài)?guó)產(chǎn)品牌，有活塞壓縮式熱泵機(jī)組，又有螺桿式機(jī)組，有整體式機(jī)組，又有模塊式熱泵機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組制冷量從3RT-400RT，應(yīng)有盡有，而且機(jī)組的制冷、制熱性能、質(zhì)量、可靠性等都有明顯的提高。

二、熱泵特性

空氣源熱泵冷熱水機(jī)組有如下特點(diǎn)：
1、空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，且置于建筑物屋面，不需要設(shè)專(zhuān)門(mén)的冷凍機(jī)房、鍋爐房，也省去了煙囪和冷卻水管道所占有的建筑空間。 
對(duì)于寸土寸金的城市繁華地段的建筑，或無(wú)條件設(shè)鍋爐房的建筑，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組無(wú)疑是一個(gè)比較合適的選擇。 
2、無(wú)冷卻水系統(tǒng)，無(wú)冷卻水系統(tǒng)動(dòng)力消耗，無(wú)冷卻水損耗。 
空調(diào)系統(tǒng)如采用水冷式冷水機(jī)組，自來(lái)水的損失不僅有蒸發(fā)損失、漂水損失、還有排污損失、冬季防凍排水損失，夏季啟用時(shí)的系統(tǒng)沖洗損失，化學(xué)清洗稀釋損失等等，所有這些損失總和約折合冷卻水循環(huán)水量的2—5%，根據(jù)不同性質(zhì)的冷水機(jī)組，折合單位制冷量的損耗量為2-4t/100RT·h。這對(duì)我們某些嚴(yán)重缺少的城市來(lái)說(shuō)，是一個(gè)比較可觀的數(shù)量。另外，相當(dāng)一部分工程在部分負(fù)荷情況下冷卻水循環(huán)量保持不變。或根據(jù)主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，只作相應(yīng)的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)。我們以前的經(jīng)濟(jì)比較很少重視這一點(diǎn)。 
3、由于無(wú)鍋爐、無(wú)相應(yīng)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，無(wú)煙氣，無(wú)冷卻水，系統(tǒng)安全、衛(wèi)生、簡(jiǎn)潔。 
對(duì)于暖道專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，鍋爐房最有可能存在安全隱患，另外，冷卻水污染形成的軍團(tuán)菌感染的病例已有不少報(bào)導(dǎo)，從安全衛(wèi)生的角度，空氣源熱泵具有明顯優(yōu)勢(shì)。 
4、系統(tǒng)設(shè)備少而集中，操作、維護(hù)管理簡(jiǎn)單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過(guò)室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的啟停控制熱泵機(jī)組的開(kāi)關(guān)。 
5、單機(jī)容量從3RT至400RT， 規(guī)格齊全，工程適應(yīng)性強(qiáng)， 利于系統(tǒng)細(xì)化劃分，可分層、分塊、分用戶(hù)單元獨(dú)立設(shè)置系統(tǒng)等。 
6、夏天運(yùn)行COP值較水冷機(jī)組較低，耗電較多，冬季運(yùn)行節(jié)省能源消耗。對(duì)于冬冷夏熱城市的一般建筑而言，熱泵系統(tǒng)的全年能耗低于水冷機(jī)組加鍋爐的空調(diào)系統(tǒng)，但按目前的能源價(jià)格，熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用高于水冷機(jī)組加鍋爐方案。 
7、造價(jià)較高。作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方面的設(shè)備投資，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組造價(jià)較高，比水冷式機(jī)組加鍋爐的方案的系統(tǒng)綜合造價(jià)貴20—30%，如只算冷熱源設(shè)備，熱泵的價(jià)格約為水冷機(jī)+鍋爐的1.5-1.7倍。 
8、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組常年暴露在室外，運(yùn)行條件比水冷式冷水機(jī)組差，其壽命也相應(yīng)要比水冷式冷水機(jī)組短。 
9、熱泵機(jī)組的噪音較大，對(duì)環(huán)境及相鄰房間有一定影響。 熱泵通常直接置于裙樓或頂層屋面，隔振隔音的效果，直接影響到貼鄰房間及周?chē)恍┓块g的使用。合理的位置設(shè)置與隔振隔音措施的到位，熱泵噪音的影響可以基本消除。 
10、空氣源熱泵的性能隨室外氣候變化明顯。室外空氣溫度高于40-45℃或低于-10～-15℃時(shí),熱泵機(jī)組不能正常工作。

三、熱泵出力與氣候 

在額定工況下，氣溫35℃，出水7℃，空氣源熱泵夏季制冷性能系數(shù)COP值在3.0左右，冬季（空氣7℃，出水45℃）如不計(jì)化霜損失，制熱系數(shù)COPH值也在3.0左右，空氣源熱泵的制冷、制熱性能與室外氣候有直接的關(guān)系, 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組供冷能力隨室外溫度的升高而降低，機(jī)組消耗功率隨室外環(huán)境溫度的升高而增加。當(dāng)室外空氣溫度增至40℃時(shí)，制冷量一般要下降5—7%左右。空氣源冷熱水機(jī)組正常制冷的上限溫度一般在40-45℃，個(gè)別品牌設(shè)有冷凝器風(fēng)扇速度逐步控制系統(tǒng)，最大允許室外溫度可達(dá)50℃左右。需要指出的是，跟冷卻塔不一樣，制冷工況下相對(duì)濕度對(duì)空氣源熱泵沒(méi)不利影響，相反，相對(duì)濕度大，對(duì)冷卻有利。城市夏季相對(duì)濕度較高，所以實(shí)際上風(fēng)冷與水冷在冷卻效果的差異上，比人們想象的要小。
空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的制熱特性更為復(fù)雜，當(dāng)盤(pán)管表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣會(huì)結(jié)露，此時(shí)盤(pán)管表面發(fā)生了相變換熱，有利于提高熱泵機(jī)組的制熱能力，但當(dāng)盤(pán)管表面溫度低于空氣冰點(diǎn)溫度（0℃以下）時(shí)，如果空氣中的相對(duì)濕度同時(shí)達(dá)到某一程度，盤(pán)管表面就會(huì)結(jié)霜，如不及時(shí)化霜，霜層會(huì)越結(jié)越厚，影響空氣實(shí)際流通量，并阻礙了盤(pán)管上的熱交換，重者會(huì)結(jié)冰，壓縮機(jī)出現(xiàn)低壓保護(hù)停機(jī)。對(duì)應(yīng)不同迎面風(fēng)速和氣候條件，熱泵機(jī)組室外側(cè)空氣盤(pán)管上濕空氣存在著三種狀態(tài)，即結(jié)霜區(qū)，凝露區(qū)，干冷區(qū)(不結(jié)霜也不凝露)。結(jié)霜轉(zhuǎn)變曲線，它與焓濕圖上的等濕球溫度線接近。當(dāng)迎面風(fēng)速為2.5M/S、環(huán)境溫度為0℃、相對(duì)濕度為73%時(shí)，盤(pán)管上即開(kāi)始結(jié)霜,如將迎面風(fēng)速提高至4M/S,環(huán)境溫度為0℃，則相對(duì)濕度達(dá)82%時(shí)，盤(pán)管才開(kāi)始結(jié)霜，提高風(fēng)速可減緩積霜。面風(fēng)速為2M/S時(shí)，室外空氣干球溫度在0—5℃，相對(duì)濕度>85%時(shí)結(jié)霜最為嚴(yán)重，當(dāng)tw<-5℃時(shí)，結(jié)霜速率減慢，這是由于此時(shí)空氣中含濕量已明顯減少。
熱泵機(jī)組盤(pán)管上出現(xiàn)結(jié)霜，會(huì)影響機(jī)組的正常有效的供熱，故必須定時(shí)化霜。目前大部分機(jī)組采用反向循環(huán)來(lái)化霜，此時(shí)不僅這一部分壓縮機(jī)停止供熱運(yùn)行，而且作制冷運(yùn)轉(zhuǎn)，故系統(tǒng)供熱量受明顯影響。結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)，平均半小時(shí)化一次霜，一次化霜的時(shí)間為5分鐘左右，因化霜減少的供熱量達(dá)17%左右。另外，室外溫度降低時(shí)，熱泵機(jī)組的出力明顯減少。0℃條件下，熱泵機(jī)組的實(shí)際出率為額定工況下的70%左右。-6℃情況下，出力只有額定工況下的62%左右，-10℃條件下供熱量只有額定工況下的55%左右。雨雪寒冷天氣對(duì)熱泵出力有明顯影響，重則影響正常運(yùn)行，一些用戶(hù)采用人為延長(zhǎng)化霜時(shí)間、澆溫水等方法去除冰霜。環(huán)境氣溫低于-10℃— -15℃時(shí)，熱泵機(jī)組一般都不能正常運(yùn)行。
在夏季熱、冬季冷，濕度又高的地區(qū),冬季氣溫低于-5℃共有69個(gè)小時(shí),白天8:00-18:00時(shí)段氣溫低于-5℃共有7個(gè)小時(shí)。1994年夏季氣溫高于37℃共有10個(gè)小時(shí). 1993年、1994年,冬季熱泵處于結(jié)霜工作區(qū)分別有1613小時(shí)和1527小時(shí)(換熱器迎風(fēng)面風(fēng)速為2.0m/s)，如只計(jì)及白天8:00-18:00時(shí)段, 1993年、1994年,冬季熱泵處于結(jié)霜工作區(qū)分別有711小時(shí)和653小時(shí)(換熱器迎風(fēng)面風(fēng)速為2.0m/s)。平均計(jì),地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜時(shí)間在1500小時(shí)左右，如只在白天運(yùn)行，則全年結(jié)霜時(shí)間累計(jì)在680小時(shí)左右.如提高盤(pán)管迎面風(fēng)速至3M/S，空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜時(shí)間在1300小時(shí)左右，如只在白天運(yùn)行，則全年結(jié)霜時(shí)間累計(jì)在600小時(shí)左右。