詳細介紹風冷式冷水機工作原理、特點

風冷式冷水機組是工業(yè)制冷系統(tǒng)的一部分，它主也可以用于*空調(diào)風冷熱泵機組，風冷式冷水機組制取冷水供制藥、食品、化工、塑膠等行業(yè)提供工藝冷卻水的需要。

風冷式冷水機是由壓縮機—換熱器—節(jié)流器—吸熱器—壓縮機等裝置構(gòu)成的一個循環(huán)系統(tǒng)。風冷式冷水機的基本原理是基于壓縮式制冷循環(huán)，利用冷媒做為載體，通過冷凝器風機的強制換熱，排放熱量，以達到制冷的需求。

冷媒在壓縮機的作用下在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。它在壓縮機內(nèi)完成氣態(tài)的升壓升溫過程（溫度高達100℃），它進入換熱器后釋放出高溫熱量加熱水，同時自己被冷卻并轉(zhuǎn)化為流液態(tài)，當它運行到吸熱器后，液態(tài)迅速吸熱蒸發(fā)再次轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，同時溫度下降至零下20℃~30℃，這時吸熱器周邊的空氣就會*地將低溫熱量傳遞給冷媒。冷媒不斷地循環(huán)就實現(xiàn)了空氣中的低溫熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷責崃坎⒓訜崂渌^程。

風冷式冷水機組熱泵主要用于家用*空調(diào)領(lǐng)域，大型*空調(diào)則一般采用水冷熱泵機組，這和風冷熱泵工作原理是分不開的。風冷熱泵的適用環(huán)境溫度一般不得低于-5℃，否則會因為結(jié)霜除霜過于頻繁而導致機組效率下降或者不能正常運行。但根據(jù)不同廠家的技術(shù)能力，適用范圍有一定的偏差。目前比較*的渦旋機中，采用了低溫噴焓技術(shù)的機組往往能夠適應(yīng)更低的環(huán)境溫度，同時擁有更高的機組效率。當然，此類機組的成本以及售價也都有一定程度的升高。

一、風冷式冷水機熱泵機組的工作原理

風冷熱泵機組是空調(diào)系統(tǒng)中的主機，由于采用風冷冷凝器不需要冷卻塔，而蒸發(fā)器是水冷的，夏天制冷時提供冷水，冬季制熱時提供熱水，風機盤管是空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置，裝在室內(nèi)如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機相同，都是按照逆卡諾循環(huán)工作的、風冷熱泵相對于空氣源熱泵來說它的能力要低一點，進出水溫是5攝氏度左右（大部分公司的設(shè)置參數(shù)），而空氣源的進出水溫差能達到40攝氏度。

風冷熱泵機組與風機盤管共同使用，前者提供冷水或熱水，后者將冷水或熱水通過熱交換，吸出冷風或熱風。我們可以形象的把風冷熱泵機組比作是*空調(diào)的大腦，如果大腦不工作了，那*空調(diào)將喪失全部功能，系統(tǒng)也將停止運行。

二、風冷式冷水機熱泵機組特點

1. 風冷熱泵機組屬中小型機組，適用于200-10000平方米的建筑物。

2. 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，更適用于同時采暖和制冷需求的用戶，同時省去了鍋爐房。

3. 機組戶外安裝，省去了冷凍機房，節(jié)約了建筑投資。

4. 風冷熱泵機組的一次能源利用率可達90%，節(jié)約了能源消耗，大大降低了用戶成本。

5. 無須冷卻塔，同時省去了冷卻水泵和管路，減少了附加設(shè)備的投資。

6. 無冷卻水系統(tǒng)動力消耗，無冷卻水損耗，更適用于缺水地區(qū)。

三、風冷式冷水機熱泵機組的選型

（一）風冷熱泵機組性能分析

1、冷熱量

這個參數(shù)是決定風冷熱泵正常使用的zui關(guān)鍵參數(shù)，它是指風冷熱泵的進風溫度、進出水溫度在設(shè)計工況下時其所具備的制冷量或制熱量。它可從有關(guān)廠家提供的產(chǎn)品樣本中查得。但目前在設(shè)計中也發(fā)現(xiàn)這樣的情況，那就是有的廠商所提供的樣本參數(shù)并未經(jīng)過測試而是抄自其它廠家的相關(guān)樣本。這給設(shè)計人員的正確選型帶來了一定困難。因此筆者建議在有條件的情況下設(shè)計人員可根據(jù)有關(guān)廠家的風冷熱泵所配置的壓縮機型號，從壓縮機生產(chǎn)廠家處獲得該壓縮機的變工況性能曲線，根據(jù)熱泵的設(shè)計工況查得該壓縮機在熱泵設(shè)計工況下的制冷量和制熱量，從而判斷該樣本所提供參數(shù)的真?zhèn)巍?/span>

2、COP值

該值是確定風冷熱泵性能好壞的重要參數(shù)，其值的高低直接影響到風冷熱泵使用中的耗電量，因此，應(yīng)盡量選擇COP值高的機組。目前我國國家標準是COP值為2.57，多數(shù)進口或合資品牌的COP在3左右，個別進口品牌的型機組其值可達到3.8。

3、噪聲

噪聲也是衡量一臺風冷熱泵機組的重要參數(shù)，它直接關(guān)系到熱泵運行時對周圍環(huán)境的影響。國內(nèi)有關(guān)專家曾根據(jù)工程實測對各類進口熱泵的噪聲劃分為三檔，*檔在85dB以上、第二檔在75～85dB之間、第三檔在75dB以下。我們在進行工程設(shè)計選型中應(yīng)優(yōu)先選擇噪聲在80dB以下的機組。

4、外型尺寸

風冷熱泵機組大多布置在室外屋頂，它在進行設(shè)備布置時對設(shè)備與周圍墻面的間距、設(shè)備之間的間距都有明確要求，因此我們在進行設(shè)備選型時必須考慮所選設(shè)備尺寸是否符合設(shè)備布置的尺寸要求。在性能相同的前提下應(yīng)優(yōu)先選用尺寸較小的機組，以減小設(shè)備的占地面積。

5、運行重量

由于風冷熱泵機組大多布置在屋面，因此在選型時必須考慮屋面的承重能力，必要時應(yīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)商，增強屋面的承重能力。但在設(shè)備選型時我們應(yīng)優(yōu)先選擇運行重量較輕的機組。

（二）風冷式冷水機熱泵機組系統(tǒng)分析

所謂風冷熱泵機組的系統(tǒng)分析，就是在風冷熱泵的選型過程中除了比較各自的制冷量、制熱量、COP值、噪聲、運行重量、外形尺寸等參數(shù)外，還要對其各自的壓縮機型式、冷凝器型式及布置、熱力膨脹閥的配置、蒸發(fā)器型式、除霜方式、能量調(diào)節(jié)方式以及熱泵系統(tǒng)的自控和安全保護等等加以分析，比較其各自在系統(tǒng)配置方面的優(yōu)缺點。

1、壓縮機的型式

目前用于風冷熱泵的壓縮機型式主要有活塞式、渦旋式、螺桿式三種型式。根據(jù)熱泵工作的特點是運行時間長、壓縮比大等情況，筆者認為渦旋式和螺桿式壓縮機將成為熱泵壓縮機的主流。其理由是：

1. 渦旋式和螺桿式壓縮機較活塞式壓縮機具有傳動件少，從而使壓縮機的磨擦損耗相應(yīng)減少，整機的效率相應(yīng)提高。

2. 由于熱泵機組的壓縮比較大，因此對于活塞式壓縮機在相同的余隙容積下其容積效率下降，從而造成整機效率的下降。而渦旋式和螺桿式壓縮機不存在這方面的問題。

3. 用于風冷熱泵的壓縮機其工作環(huán)境較其它在普通空調(diào)工況下工作的壓縮機要惡劣，每的運行時間也較長，工況變化范圍也較大，因此對壓縮機的可靠性要求就較高。渦旋式和螺桿式壓縮機具有零部件少，結(jié)構(gòu)緊湊的特點，所以尤其適用于熱泵機組。

4. 目前所采用的風冷熱泵機組一般都采用熱氣除霜的方法來排除冬季供熱工況下空氣側(cè)換熱器上積聚的霜。在除霜開始和結(jié)束時，系統(tǒng)要進行反向運行，在原冷凝一方盤管中所積聚的液體制冷劑由于其中壓力突然降低為吸汽壓力而大量涌向壓縮機，造成壓縮機的濕沖程，這對于渦旋式和螺桿式壓縮機而言并沒有什么大問題，而這對于活塞式壓縮機來講極易造成氣閥和連桿的損壞。

5. 另外就熱泵壓縮機本身而言渦旋式和半封閉螺桿式比活塞式的噪聲要低。

2、冷凝器的型式與布置

冷凝器所用翅片型式目前主要有開窗片和波紋片兩種，開窗片換熱效率較高，因此前兩年生產(chǎn)的熱泵機組中經(jīng)常得以采用。但由于我國城市大氣質(zhì)量較差，而這類翅片極易積灰，且較難清理，使用時間一長，換熱效果大大下降。所以當前熱泵用冷凝器多采用波紋片配內(nèi)螺紋銅管，其具有換熱效率較高，不易積灰，風阻小等特點。

冷凝器的翅片間距也很講究，作為冷凝器使用時以肋化比高、傳熱系統(tǒng)數(shù)大為好，故希望片距小些較好。但當其作為蒸發(fā)器使用時，翅片一結(jié)霜，使用時的換熱效果就會大大降低，因此希望片距大一些；一般片距以3mm為宜。

冷凝器的布置型式同其換熱效果和外形尺寸有著直接的關(guān)系。通常熱泵的冷凝盤管布置成直型盤管、V型盤管、W型盤管三種型式。但V型盤管間的較大空間內(nèi)除了軸流風機外并無其它零部件，空間利用率低。直型盤管間雖然集中布置了壓縮機、四通閥、蒸發(fā)器等系統(tǒng)有關(guān)零部件，但由于盤管高度較高，迎風面速不均勻，冷凝器換熱效率較低，且氣流組織不理想，空氣阻力較大。而W型布置克服了上述缺點，不僅可改善氣流組織提高換熱效率，降低空氣阻力，而且由于在同樣空間條件下，冷凝盤管傳熱面積增大，空間利用率較高，從而縮小了機組外形尺寸。

3、熱力膨脹閥配置

現(xiàn)在熱泵制冷系統(tǒng)中有采用單膨脹閥和雙膨脹閥兩種方式，所謂雙膨脹閥就是制熱工況和制冷工況各采用一只膨脹閥。如果系統(tǒng)采用一只膨脹閥，按標準制冷工況進行選型，由于熱泵系統(tǒng)在制熱工況下運行時系統(tǒng)的制熱量隨著環(huán)境溫度的下降也隨之下降。這時膨脹閥的制熱能力也會有所下降，但其下降的幅度要小于系統(tǒng)制熱能力的下降。這樣在制熱工況下隨著環(huán)境溫度的下降，對系統(tǒng)而言所配置膨脹閥顯得過大。過大的膨脹閥會引起蒸發(fā)器供液過多，蒸發(fā)壓力上升，與室外空氣換熱量減少，從而導致熱泵供熱量的減少。

當前許多廠家的熱泵機組多采用雙膨脹閥型式，制冷膨脹閥按標準制冷工況來選擇。制熱膨脹閥如若按標準制熱工況來選擇，那在低溫工況下運行時膨脹閥會顯得過大，所以根據(jù)筆者自己的體會建議制熱膨脹閥按環(huán)境溫度-7℃，熱水進口溫度40℃，出口溫度45℃來選型，按這樣條件計算后選定的膨脹閥能在不低于-15℃的環(huán)境溫度下正常運行。

4、蒸發(fā)器型式

目前在風冷熱泵機組中常用的蒸發(fā)器主要是板式換熱器和干式殼管式換熱器。板式換熱器多用在小型風冷熱泵中，它具有傳熱效率高、蒸發(fā)器不易積油的特點；尤其是新的帶有內(nèi)置式分配裝置的板塊解決了板片間制冷劑分配均勻性這一關(guān)鍵問題，能在相同的出水溫度下提高蒸發(fā)溫度15～2℃，提高了制冷效率。

干式殼管式蒸發(fā)器多用在大中型風冷熱泵中，目前其傳熱管已廣泛采用管，因此換熱效率有很大提高。但總的來講不及板式換熱器。而且其回油相對困難，常積存于換熱器底部。如在底部設(shè)回油管與吸汽管相通，則由于有液體制冷劑帶入，導致制冷劑過熱度不穩(wěn)定，影響膨脹閥的工作和系統(tǒng)的制冷量。

5、軸流風機的配置

軸流風機的配置首先要滿足冷凝器（空氣側(cè)換熱器）的換熱要求，根據(jù)經(jīng)驗風冷熱泵機組所配軸流風機風量與標準制冷量（環(huán)境溫度35℃，出水溫度7℃）之比大約在0.071～0.095/kJ之間，此外還要保證冷凝器迎風面的風速，因為這關(guān)系到冬季運行時空氣側(cè)換熱器的結(jié)霜速度，迎風面風速越大冬季運行時越不容易結(jié)霜。但風量過大風機的功耗也要增大，同時噪聲也要增大，因此一般情況下迎風面風速取3～5m/s。另外，風機配置時還要考慮噪聲，目前一般選用大直徑、低轉(zhuǎn)速、且葉片扭轉(zhuǎn)角度較小的軸流風機以降低風機噪聲。

6、能量調(diào)節(jié)方式

目前在風冷熱泵機組中常用的能量調(diào)節(jié)方式有壓縮機臺數(shù)控制、壓縮機間隙運行、氣缸卸載調(diào)節(jié)（活塞式）、變頻調(diào)速（渦旋式）、滑閥無級調(diào)節(jié)（螺桿式）。從能量調(diào)節(jié)方式中我們可以看出臺數(shù)控制、壓縮機間隙運行、氣缸卸載調(diào)節(jié)都是屬于有級調(diào)節(jié)，而變頻調(diào)速和滑閥無級調(diào)節(jié)屬于無級調(diào)節(jié)。無級調(diào)節(jié)具有節(jié)能、噪聲和振動小、起動性能好同時也降低了對供電系統(tǒng)的干擾。從這點也可看出渦旋式和螺桿式壓縮機的優(yōu)熱。

7、除霜方式

各生產(chǎn)廠生產(chǎn)的機組其除霜方法基本相同，大多采用熱汽除霜法；所不同是除霜的控制技術(shù)。常見的有壓差控制法、溫差控制法、溫度時間控制法，其中以溫度時間控制法zui為普遍。這種控制技術(shù)中除霜參數(shù)的設(shè)置zui為關(guān)鍵。除霜參數(shù)包括除霜溫度、除霜時間、除霜間隔。除霜溫度是由通過位于膨脹閥后的感溫元件來感應(yīng)節(jié)流后的液體溫度，一般設(shè)定值為-5℃，除霜時間隔是計時器控制，一般定為4min。除霜時間也是由計時器控制，一般不超過10min。熱泵發(fā)溫度下降到-5℃，并且距上一次除霜時間間隔夠40min，機組就進入除霜模式。如果除霜時間超過1010min而盤管內(nèi)的液體溫度仍未上升到+5℃，機組也要停止化霜恢復(fù)制熱。

在上述三個參數(shù)中除霜時間間隔是直接受環(huán)境影響的，但目前多數(shù)廠家的除霜時間隔仍采用固定值，這種做法導致在低溫高濕地區(qū)結(jié)霜嚴重的情況下，由于沒有到設(shè)定時間而不能進行除霜，從而造成霜層過厚甚至凍結(jié)，機組低壓保護而停機的現(xiàn)象。這個問題應(yīng)在機組調(diào)試中加以注意。因此筆者建議一方面在熱泵的除霜參數(shù)設(shè)置上應(yīng)該因地制宜，不能一概而論。另一方面就是前面曾提到的在低溫高濕的地區(qū)不宜使用熱泵機組。

8、安全保護與控制

目前國內(nèi)風冷熱泵機組的保護與控制多采用計算機控制，其又包括可編程控制和微電腦控制，兩者的控制原理大致相同。

（1）一臺機組的安全保護系統(tǒng)至少要包括以下幾個方面：

1）吸氣壓力過低保護

2）排氣壓力過高保護

3）油壓保護

4）冷水溫度過低保護

5）水側(cè)換熱器斷水保護

6）壓縮機啟動時間間隔保護

7）壓縮機內(nèi)藏電機過熱保護

8）電機過載保護

9）電源電壓過低保護

10）三相電缺相保護

11）油溫控制

（2）風冷熱泵控制至少要包括：

1）除霜控制

2）多臺壓縮機順序控制

3）能量調(diào)節(jié)

4）故障停機與顯示

5）遠程控制接口（用于遠程設(shè)置運行參數(shù)以及控制機組啟停、將機組運行參數(shù)和故障內(nèi)容顯示于控制終端）