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空气源热泵空调系统设计 方案

第 1 章 绪 论
改革开放以来， 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的大幅度提高， 能 源的消耗越来越大， 其中建筑能源占相当大的比例。 据统计， 我国历年建筑能耗 在总能耗的比例是 19%~20%左右，平均值为 19.8%。其中，暖通空调的能耗约 占建筑总能耗的 85%。 在发达城市， 夏季空调、 冬季采暖与供热所消耗的能能量 已占建筑物总能耗的 40%~50%。 特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、 燃油锅炉的大 量使用， 给大气环境造成了极大的污染。 因此， 建筑物污染控制和节能已是国民 经济发展的一个重大问题。热泵空调高效节能、不污染环境，真正做到了“一机 两用”(夏季降温、 冬季采暖)， 进入 20 世纪 90 年代以来在我国得到了长足的发 展， 特别是空气源热泵冷热水机组平均每年以 20%的速度增长， 成为我国空调行 业又一个引人注目的快速增长点。
所谓热泵， 就是靠电能拖动， 迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。 也 就是说，热泵可以把不能直接利用的低品位热能(空气、土壤、井水、河水、太 阳能、 工业废水等)转换为可以利用的高位能， 从而达到节约部分高位能(煤、 石 油、燃气、电能等)的目的。类似于人们把水自低水头压送至高水头的机械称为 “水泵”，把气体自低压区送至高压区的机械称为 “气泵”(在我国习称气体压缩 机)，因而把这种输送热能的机械称为“热泵”。因此，在矿物能源逐渐短缺、环 境问题日益严重的当今世界，利用低位能的热泵技术已引起人们的关注和重视。 空气源热泵的历史以压缩式最悠久。 它可追溯到 18 世纪初叶， 可以说 1824 年卡 诺循环的发表即奠定了热泵研究的基础。热泵的发展受制于能源价格与技术条 件，所以其历史较为曲折，有高潮有低潮，但热泵发展的前景肯定是光明的。当 前热泵研究的方向是向高温高效发展， 即开发高温热泵并最大限度提高 COP(性 能系数 Coefficient of Performance )值，同时积极发展吸收和化学热泵等。空气 源热泵热水机组的制造、推广和使用在我国只是最近 10 年的事，但由于其相对 传统制取热水设备的高效节能、环保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空 间等优点而引起了市场日益广泛的关注。
热泵热水机组以清洁再生原料 (空气＋电) 为能源， 既不使用也不产生对人 体有害的气体， 同时也减少了温室效应和大气污染。 目前， 在我国电力资源短缺

1
的前提下， 采用热泵热水机组制取热水， 既能以最小的电力投入获得最大的供热 效益。 将热泵热水机组放在建筑物的顶层或室外平台即可工作， 省却了专用锅炉 房。在设备结构上真正实现了水、电分离，确保了用户的安全。

2

第 2 章 空调设计方案的确定
综合楼分为五层，一层为大厅，二层为办公室，三、四层是客房，五层是大厅。
2.1 空调系统形式
2.1.1 空气源热泵空调系统：
热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的。 通俗的说， 热量总是从高温传向低 温。 热泵可以把热量从低温热源传递到高温热源， 所以热泵实质上是一种热量提 升装置。热泵的作用就是从周围环境中吸取热量(这些被吸取的热量可以是地热、 太阳能、空气的能量)，并把它传递给被加热的对象(温度较高的媒质)
热泵热水装置，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成，通 过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量) →压缩 →冷凝(放出热量) →节流 →再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。
热泵热水机组工作时， 蒸发器吸收环境热能， 压缩机吸入常温低压介质气体， 经过压缩机压缩成为高温高压气体并输送进入冷凝器， 高温高压的气体在冷凝器 中释放热量来制取热水， 并冷凝成低温高压的液体。 后经膨胀阀节流变成低温低 压液体进入蒸发器内进行蒸发， 低温低压液体在蒸发器中从外界环境吸收热量后 蒸发， 变成低温低压的气体。 蒸发产生的气体再次被吸入压缩机， 开始又一轮同 样的工作过程。 这样的循环过程连续不断， 周而复始， 从而达到不断制热的目的。
热泵原理示意图如下：

图 1： 空气源热泵工作原理

热泵热水机组是利用热泵技术原理， 在热泵系统的工作循环中， 将免费能源

3
—— 空气热能搬运到水中， 从而达到加热冷水生产热水的目的的一种高效、环保、 节能型热泵产品。它的最高热效率可达 590%，年平均热效率可达 360%。
在制取低温(60 摄氏度以下)的热能方面，以消耗电能或燃料的化学能这 种传统方式已经开始逐步让位给热泵制热方式， 因为在这一领域， 热泵系统的制 热效率可以轻易的超出传统方式数倍以上；因此，制 60℃热水费用小于太阳能 辅助电加热系统；比电热锅炉节电 80%；比燃油锅炉节省耗能费用 50%；制热水 量可以根据需求自动调节。适应温度范围在-10~50℃的地区。
热泵热水机组适用于宾馆酒店、饭店、度假村、泳池、桑拿浴场、公寓、工 厂、大专院校、医院、疗养院等需要热水的单位使用，尤其在燃油越来越紧张的 今天，更体现了热泵的优越性。
2.1.2 空气源热泵空调优点：
(1)超大水量：水箱容量根据具体要求量身订做，水量充足，可满足不同客 户不同时段需求。
(2)、经济节省：从空气中获取大量的能源，能效比高达 300%~400%。
(3)、适用范围广：不受气候影响，在环境温度为 -10℃~43℃下均能正常工 作。
(4)、安全环保：结构上水电完全分离，且无任何有害有毒气体排放或燃烧， 不受台风等自然灾害的影响，绝对安全。
2.2 空调末端形式
该综合楼分别为大厅、 客房和办公室， 所以需要保证室内的卫生要求， 维持 室内正压， 又需要通过新风换气， 防止客房产生一些不良气味， 所以应该选用风 机盘管+新风系统。 风机盘管直接设置在空调房间内， 对室内回风进行处理.新风 是由新风机组集中处理后通过新风管道送入室内，风机盘管+新风系统的优点：
(1)布置灵活，可以和集中处理的新风系统联合使用,也可以单独使用。
(2)各空调房间互不干扰， 可以独立地调节室温,并可以随时根据需要开、 停 机组，节省运行费用，灵活性好，节能量大。
(3)与集中式空调相比，不需要回风管道，节省建筑房间。
(4)机组部件多为装配式，定型化，规格化程度高，便于用户选择和安装。
(5)各房间之间不会互相污染。

4
第 3 章 空调负荷计算
3.1 基本气象参数及空调设计参数
3.1.1 基本设计参数
1)地理位置:合肥市 (北纬:39.100，东经:117.160)
2)夏季大气压: 1012.44 kPa
3) 夏季室外计算干球温度:35.00 ℃ 夏季空调日平均:31.70 ℃
夏季计算日较差:6.80℃
4) 夏季室外湿球温度:28.20 ℃
5) 夏季室外平均风速:2.60m/s

3.1.2 空调设计参数
1) 室内空调设计温度：夏季： 24℃；冬季： 18℃。
2) 室内空调设计温湿度：不作要求。

3.2 冷负荷的构成及其计算原理

以 505 为典型房间计算，该房间为舞蹈培训室。可容纳人数为 120 人。

3.2.1 围护结构瞬变传热形成冷负荷的计算
1)外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷
在日射和室外气温综合作用下， 外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷可按 下式计算：

5
1 T
Q = F • K • t W


(3--1)

式中： Q1 —— 外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷,W；
F—— 外墙和屋面的面积，培训室620m2；
K—— 外墙和屋面的传热系数，屋面0.63W/m2 ；墙面0.61W/m2 T ——计算时间， h；
——维护结构表面受到周期为24小时谐性温度波作用，温度波传 到内表面的时间延迟， 5h；
T - ——温度波的作用时间， 即温度波作用于维护结构内表面的时间， h；
△t ——作用时刻下，维护结构的冷负荷计算温差，℃；
T
表3-1 屋面冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
t
τ - ε
41
41
42
42
43
44
44
44
42
42
tn

42

△ t τ - ε
21
20
21
22
23
23
23
23
22
22
K

0.63

F

620

Q

1
8203
7812
8203
8593
8984
8984
8984
8984
8593
8593

表3-2 南外墙冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00 13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
t
τ - ε
34
34
35
35
35 35
35
35
36
36
tn

24

△ t τ - ε
10
10
11
11
11 11
11
11
12
12
K

0.61

F

79

Q

1
482
482
530
530
530 530
530
530
578
578

表3-3 西外墙冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
t
τ - ε
35
36
37
38
38
39
39
39
39
38
tn

24

△ t τ - ε
11
12
13
14
14
15
15
15
15
14
K

0.61

F

28

Q

1
188
205
222
239
239
256
256
256
256
239

3.2.2 窗户传热形成的冷负荷

6
1) 外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷
在室内外温差的作用下, 玻璃窗瞬变热形成的冷负荷可按下式计算：
3 w • w • c ( ) n
Q = A K (t t ) W (3-4)
式中： AW—— 窗口面积， m²；
KW——玻璃的传热系数， 3.1W /( m² · k) ；
tc( )——玻璃窗的冷负荷温度的逐时值，℃；
tn——室内空调设计温度 24℃；

表3.4 南外窗瞬时传热冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
tc(τ)
tn
K

AW
Q1
31.5

930
32.5

1054
32.5

1054
33.5

1178
34.5

1302
34.5

24
3.1

40

1302
34.5

1302
35.5

1426
34.5

1302
34.5

1302

表3.5 西外窗瞬时传热冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
tc(τ)
tn
K

AW
Q1
31.5

233
32.5

264
32.5

264
33.5

295
34.5

24

3.1

10

326
34.5

326
34.5

326
35.5

357
34.5

326
34.5

326

2)透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷
透过玻璃窗进入室内的日射得热形成的逐时冷负荷按下式计算：

7
4
Q =Ca • AW • CS • Ci • Dj.max • CLQ， W (3-5)
式中： AW——玻璃窗的面积；
其中， Cs—— 玻璃窗的遮阳系数，本设计中 Cs =0.86；
Ci—— 窗内遮阳设施的遮阳系数，本设计中 Cn =0.5；
Ca—— 窗的有效面积系数；本设计中 Ca=0.75；
Dj.max—— 日射得热因数的最大值， 南外窗302W/m2，北外窗114W/m2， 西外窗599W/m2，
LQ
C —— 窗玻璃冷负荷系数，无因次；

表 3-6 南外窗透入日射冷负荷
时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00 13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
C
LQ
Ca
C
s
C
i
Dj,max
W
A m2
Q1 W
0.47

1831
0.60

2337
0.69

2688
0.77

3000
0.87 0.84

0.75

0.86

0.5

302
40
3389 3272
0.74

2883
0.66

2571
0.54

2104
0.38

1480

表3-7 西外窗透入日射冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00 13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
C
LQ
Ca
C
s
C
i
Dj,max
A
W m2
Q1 W
0.16

309
0.19

367
0.21

406
0.22

425
0.23 0.37

0.75

0.86

0.5

599

10

444 715
0.60

1159
0.75

1449
0.84

1623
0.77

1487

3.2.3 设备散热形成的冷负荷
设备和用具显热形成的冷负荷按下式计算：

8
t 1 T T
Q = n NX W (3--6)

式中： n —— 同时使用系数，可取0.8
1
N——灯具的安装功率， W，可用设备功率密度15W / m2指标推算， T T ——从热源投入使用的时刻算起到计算时刻的时间， h；
X ——T T 时间设备、器具散热的冷负荷系数；
T T

表3-8 设备散热形成的冷负荷

时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00 13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
n

1
N

X
t-τ
QC(τ) W

0.77
5729

0.86
6398

0.89
6622

0.91
6770
0.8
9300

0.94
6994

0.95
7068

0.96
7142

0.96
7142
0.92
6845
0.93
6919

3.2.4 照明散热形成的冷负荷
根据照明灯具的类型和安装方式，其冷负荷计算式为：
荧光灯： Q5 =1000 • n1 • n2 • N • CLQ W (3-8)
式中： Q5 ——灯具散热形成的冷负荷， W；

N ——照明灯具所需功率W；可用设备功率密度15W/m2指标推算。
n1 ——镇流器消耗功率系数，本设计取n1＝1.2
n2 ——灯罩隔热系数， n2＝0.8；

C
LQ ——照明散热冷负荷系数。

表3-9 照明散热形成的冷负荷

时间 τ 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

C 0.60 0.87 0.90 0.91 0.91 0.93 0.93 0.94 0.94 0.95

LQ

9

10
n1
n2
N

Q
5

1.2

0.8

9300

5357 7767 8035 8124 8124 8303 8303 8392 8392 8482

3.2.5 人体散热形成的冷负荷
人体显热散热引起的冷负荷计算式为：

s • • •
Q = q n 0 C
C (T) LQ

W

(3-9)

Q
式中： C (T) 人体显热散热形成的冷负荷， W ;
——————
qs ———— 不同室温和劳动性质的成年男子显热散热量， 培训室qs= 145W;
n 室内全部人数， n=120；
——————
0 群集系数， 0 =0.89。
——————
CLQ —————— 人体显热散热冷负荷系数；
人体潜热散热引起的冷负荷计算式为：
QC=qln
式中： QC—————— 人体潜热散热形成的冷负荷， W;
ql——— 不同室温和劳动性质的成年男子潜热散热量， 培训室q=262W;
表3.10 人体散热形成的冷负荷
时间 τ
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00 13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
C
LQ
qs
n

φ

Q5
ql
Qc
合计
0.53

8208

36189
0.62

9601

37583
0.69

10685

38667
0.74

11460

39441
0.77 0.80

145

120

0.89

11924 12389

262

27982

39906 40370
0.83

12853

40835
0.85

13163

41145
0.87

13473

41454
0.89

13783

41764

培训室505
表3-11 各分项逐时冷负荷汇总表

时间/项目

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00
屋顶冷负荷

8203

7812

8203

8593

8593

8984

8984

8984

8984

8953
南外墙冷负荷

482

482

530

530

530

530

530

530

530

530
西外墙冷负荷
南外窗瞬时传热冷
负荷

188

205

222

239

239

256

256

256

256

239

930

1054

1054

1178

1302

1302

1302

1426

1302

1302
南外窗透入日射冷
负荷

1831

2337

2688

3000

3389

3272

2883

2571

2104

1480
西外窗瞬时传热冷
负荷

233

264

264

295

326

326

326

357

326

326
西外窗透入日射冷 负荷

309

367

406

425

444

715

1159

1449

1623

1487
人体散热冷负荷
36189
37583
38667
39441
39906
40370
40835
41145
41454
41764
照明散热冷负荷

5357

7767

8035

8124

8124

8303

8303

8392

8392

8482
设备散热冷负荷
合计
总冷负荷

4297

4799

4966

5078

5134

5189

5245

5301

5357

5357

59451

64270

66691

68596

69698

70978

71572

72178

72114

71705

3.2.6 新风负荷计算

11
Q = G (i 一 i )
w w w n

W

(3-10)

Q
式中： w —新风负荷， KW；
kg
Gw —新风量， s
kj
iw — 室外空气焓值， kg
kj
in — 室内空气焓值， kg
3.3 热负荷计算
空调热负荷是指空调系统在冬季里， 当室外空气温度在设计温度条件时， 为

保持室内的设计温度， 系统向房间提供的热量。 对于民用建筑来说， 空调冬季的 经济性对空调系统的影响要比夏季小。 因此， 空调热负荷一般是按稳定传热理论 来计算的。

3.3.1 围护结构形成的负荷计算

Q = K • F • (tn tw ) • a W (3-11)
式中：
Q —— 围护结构的基本耗热量 W；
K —— 围护结构的传热系数 W/m2 ℃；
F —— 围护结构的面积 m2；
t —— 冬季室外空调计算干球温度，℃；
w
t —— 空调房间冬季设计温度℃；本设计取 20℃。
n
a ——计算温度修正系数。
3.3.2 修正基本耗热量
围护结构的基本耗热量是在稳定传热的情况下获得的， 由于气象条件建筑物 情况的影响，必须对上述围护结构的基本耗热量进行修正，其中包括朝向修正、
风力修正和高度修正，所 其围护结构耗热 为：
Q = Qi 1 + Xch + Xf 1 + X g (3- 12)

式中：
Q—— 为围护结构的基本耗热量 ;
Xch——为围护结构的朝向修正 ;
其中： 北、 东北、 西北朝向 0； 西南、 东南朝向 -15%~ -10%；
东、西朝向 -5%；南向 -25%~ -15%；
Xf—— 为围护结构的风力修正 ;
建筑在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物以及城镇、厂区内
特别高的建筑物，垂直的外维护结构热负荷附加率为 5%~10%。 Xg—— 为围护结构的高度修正。
当房间净高超过 4m 时，每增加 1m，附加率为 2%，但最大附加率不超过 15% 本系统冬季热负荷、 采用面积估算法， 根据实际工程的经验并保证一定富裕量

12

3.4 湿负荷 人体散湿量
人体散湿量可按下式计算：

13
m = 0.278n0 g 3.6 103
w
式中： mw——人体散湿量， kg/h

(3-12)
；

0 ——群集系数，选取群集系数为0.91
n——室内全部人数，培训室n=120
g——成年男子的小时散湿量， 391g/h；

表3-12 人体散湿量情况表

n
120
φ
0.91
g
391
mw
0.07

表3-13 505培训室一览表

房间名称

房间类型

面积
人员密度 人/m2

冷负荷 W
冷指标
W/m
2

热负荷 W
热指标
W/m
2
湿负荷
g/s

506 培训室

排练厅

620

0.1

72178

117

36580

59

7.98

套房 420
表 3-14 各分项逐时冷负荷汇总表

时间/项目

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

南外墙冷负荷

223

223

245

245

245

245

245

245

245

245

西外墙冷负荷

229

250

271

292

292

313

313

313

313

292
南外窗瞬时传热
冷负荷

372

422

422

471

521

521

521

570

521

521
南外窗透入日射 冷负荷

732

935

1075

1200

1356

1309

1153

1028

841

592
人体散热冷负荷
376
400
418
431
439
446
454
459
465
470

照明散热冷负荷

804

1165

1205

1219

1219

1245

1245

1259

1259

1272

设备散热冷负荷

1848

2064

2136

2184

2208

2232

2256

2280

2304

2304

合计总冷负荷
4584
5459
5772
6042
6280
6311
6187
6154
5948
5696
表3-15 套房420一览表

房间名称

房间类型

面积
人员密度
人/m
2

冷负荷 W
冷指标
W/m
2

热负荷 W
热指标
W/m
2
湿负荷
g/s

420 套房

客房

124

0.04

6311

51

29760

48

0.52

办公室 401

时间/项目 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

14

北外墙冷负荷

110

122

122

134

134

134

134

134

134

122
北外窗瞬时传热
冷负荷

233

264

264

295

326

326

326

357

326

326
北外窗透入日射 冷负荷

257

265

283

301

313

309

298

287

283

276
人体散热冷负荷
752
799
836
862
877
893
908
919
929
940

照明散热冷负荷
605
877
907
917
917
937
937
948
948
958

设备散热冷负荷

1078

1204

1246

1274

1288

1302

1316

1330

1344

1344

合计总冷负荷
3035
3531
3658
3783
3855
3901
3919
3975
3964
3966
表 3-16 各分项逐时冷负荷汇总表

表3-17 办公室401一览表

房间名称

房间类型

面积
人员密度
人/m
2

冷负荷 W
冷指标
W/m
2

热负荷 W
热指标
W/m
2
湿负荷
g/s

401 办公室

办公室

70

0.12

3975

57

29760

48

0.58

宴会厅 214

表 3-18 各分项逐时冷负荷汇总表

时间/项目 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

15

南外墙冷负荷

586

586

644

644

644

644

644

644

644

644

西外墙冷负荷

228

249

270

290

290

311

311

311

311

290
南外窗瞬时传热
冷负荷

1070

1212

1212

1355

1497

1497

1497

1640

1497

1497
南外窗透入日射 冷负荷

2106

2688

3091

3450

3898

3763

3315

2957

2419

1702
人体散热冷负荷
7402
7988
8444
8769
8965
9160
9355
9486
9616
9746

照明散热冷负荷

2938

4260

4406

4455

4455

4553

4553

4602

4602

4651

设备散热冷负荷

39