手把手教程！75KW低温型空气源热泵设计全过程

一、原理与设计工况：

空气源热泵热水机组是利用逆卡诺循环的工作原理，通过热泵对制冷剂做功从而使其发生显著相变，实现不断地吸热与放热。众所周知，空气源热泵性能系数COP随环境温度降低而下降，在-25℃环境温度下无法工作。此次设计中，空气源热泵在低温工况下的制热性能可以在喷气增焓系统的作用下得以更好提升，从而使空气源热泵在低温环境下运行成为可能，扩展了传统空气源热泵的应用范围。

空气源热泵在低温环境下达到良好的运行工况，整个系统一般采用 喷气增焓系统。

喷气增焓技术类似于汽车的“涡轮增压”，该系统以喷气增焓的压缩机为基础，当压缩机进行一次压缩后压力可能没有达到系统所需的压力，这时需要利用压缩机所带的辅助进气口，对处在的中间压力制冷剂气体吸入，使之与部分压缩的制冷剂混合换热，从而可以实现两次压缩均用一台压缩机，并将主循环回路制冷剂的焓差进一步加大，这也是该系统可以增焓的原因。

喷气增焓空气源热泵热水器机组循环流程见下图：

制冷剂循环过程分为以下四个流程：

首先：四通换向阀通过管道连接接收来自压缩机排出的高温高压气体，如果外界环境比较冷，气体经过四通换向阀可以达到除霜的效果。

其次：冷凝器位置在换向阀之后，换向阀无法改变制冷剂的状态，进入冷凝器的制冷剂状态和进入换向阀的制冷剂保持一致。制冷剂带的热量通过冷凝器传递到冷却水中,使水的温度升高。

然后：在冷凝器和干燥过滤器的连接管道上装有视液镜，可以对制冷剂状态有一个直观的观察。制冷剂中有时会带有一些杂质存在影响整个系统，所以需要进行过滤排除。制冷剂从干燥过滤器出来，一部分到电子膨胀阀B后变为低温低压的气液混合物，另一部分流经主管道，两部分制冷剂在经济器中相遇交换热量。辅助回路的制冷剂气体被升温后被喷气增焓压缩机的辅助进气口吸入，进行二次压缩。主管道中的制冷剂通过另外一个节流部件—电子膨胀阀A降压后流向蒸发器。

最后：环境中的热量被蒸发器中的制冷剂不断吸收，状态发生改变成气体，随后进入压缩机被压缩，两者之间设有气液分离器。由此完成了一个完整的制冷循环。

与传统的空气源热泵系统相比，由喷气增焓压缩机完成的中间补气阶段是该系统最重要的一个阶段，该阶段由喷气增焓(涡旋)压缩机及经济器完成。因此，喷气增焓(涡旋)压缩机和经济器为整个机组的两个核心部件。

二、空气源热泵热水器热力计算：

喷气增焓系统压焓图见下图：

经过热力计算可知,压焓图上各个点状态参数见下表：

关于这些状态点的参数，我们推荐可以采用excel结合Refprop做制冷系统的热力计算，得到如下的效果：

热力计算过程：

三、压缩机选型计算：

本次设计制热量75kW，应选择中型压缩机。此次设计系统为喷气增焓系统，因此对压缩机的要求很高，应选用低温型喷气增焓压缩机。

1）、由热力计算结果可知压缩机实际耗功：

 Wel=103.75 kJ/kg

2）、压缩机吸气体积流量：

V=0.0168m3/s

对比各类型压缩机性能，选择艾默生旗下谷轮公司补气增焓(涡旋)压缩机，型号为ZW154KSP。压缩机型号参数和适用范围见下表：

压缩机测试工况：蒸发器温度-5℃、冷凝温度60℃、过热度11K、过冷度8.3K；

EV控制条件：排气温度<115℃、经济器过热度6K、排气温度>115℃时调节喷射量使排气温度≤115℃。

比对所选压缩机的制热量，以及所设计的低温型空气源热泵热水机组所需制热量，此次设计拟采用两台谷轮补气增焓压缩机。

四、冷凝器的设计：

本设计中，选取水冷式冷凝器，制冷剂走管外，冷却水走管内，冷却水升温后用于供应生活热水。此外由于冷凝器需要产生75kW的热量，热量相对较大，一般的冷凝器无法达到要求，综合考虑选择卧式壳管式冷凝器，见下图：

查阅文献，计算可知，在此次设计中，传热管选用低肋管，分为四个流程，每流程平均管数15根，有效长度为1.1m，实际冷凝管长度1.12m。为了保证冷凝器可以达到更好的效果，在冷凝器进出口及外壳包裹一层保温材料。

关于壳管设计的软件，我们推荐 HTRI软件：

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五、风冷翅片式换热器的设计：

本设计的机组是低温型空气源热泵热水机组，其主要目的是用于制热水。运用的能源是空气能，即在换热器中制冷剂与空气进行热交换，因此选取冷却空气式蒸发器，由热力计算得蒸发器所需冷负荷为30.75kW，相对较小，所以本设计选择表面式蒸发器。

本设计中，为了满足机组的蒸发器的热负荷，采用两块蒸发器并联，安装位置两者呈V形，则单个蒸发器所需达到的冷负荷为：

查阅文献，计算可得，所设计的蒸发器的单管有效长度2.071m，总共有176根传热管，按照常见的排列方式正三角形叉排排列，翅片常选用平直套片。蒸发器宽2.1m，高1.1m，实际迎风面积2.31m。

关于翅片式换热器的设计和仿真，我们推荐两个软件：

翅片式换热器：常用的是 EVAP-COND 和 Coildesigner ，笔者用 Coildesigner 比较多一点，也觉得计算出来的数值准确性很高：

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美国NIST出品的EVAP-COND：

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六、制冷剂充注量的计算：

在空气源热泵热水器系统设计中，制冷剂充注量对整个系统的使用效果等各方面都存在影响，因此有一个最佳制冷剂充注量。

系统中制冷剂的充注量不等于制冷量。充注量是指系统充注制冷剂的量，而制冷量是指系统在工作过程中，单位时间从密闭空间吸取的能量之和。制冷剂的充注量会受到系统容积大小，制冷剂所处状态及进出口空气干度的影响。制冷剂的充注量是系统中所有部件容纳制冷剂的质量总和。

其中，VH表示蒸发器容积，单位为L，VK表示冷凝器容积，单位为L。

七、辅助设备选型：

一个完整的系统不仅仅只有蒸发器、冷凝器、压缩机、节流机构四大部件，一些辅助设备也是必不可少的，如干燥过滤器等。

辅助设备的种类有很多，它们的作用也各不相同，基本上可以分为两大类：

一、是维持循环正常进行的设备装置，如两级压缩的中间冷却器等；

二、是用于改进系统运行的指标与条件的设备装置，如集油器、油分散器、氨液分离器以及各种贮液器等。

7.1 经济器的选型

经济器相当于是一个换热器，其基本原理如同蒸发器和冷凝器的原理，制冷剂和外界环境进行换热，从而使制冷剂得以过冷。为了满足此次设计的制热需求,所选用的经济器是板式换热器：

7.2 循环风机的选型

风机是将输入的机械能转换为动能的器件，它关系到整个系统的输配能耗，是非常重要的部分。根据风量q=10250m3/h，风阻△P=84.75Pa，选择T40型轴流通风机，型号T40-2.5，风机参数见下表：

7.3 热力膨胀阀 的选型

膨胀阀是制冷循环中一个不可或缺的部件之一，一般安装于储液罐和蒸发器之间。膨胀阀对高温高压的制冷剂液体进行节流使之成为低温低压的制冷剂蒸汽。

7.3.2 辅助电子膨胀阀选型

根据设计参数:所需制冷量为1.233kW，所用制冷剂为R410a蒸发温度T0=-10.7℃，蒸发压力Pm=0.5600MPa；冷凝温度Tk=50℃，冷凝压力P=3.0711MPa。

根据丹佛斯选型软件,采用型号为ETS6-08型电子膨胀阀,满足设计要求。型号参数见下表：

7.4 四通换向阀的选型

四通换向阀是制冷设备中不可或缺的部件之一，其工作原理是：通过将制冷剂的流动通道改变，从而使制冷剂的流向改变。

本设计中，四通换向阀主要起到除霜的功效。所谓机组的除霜就是让系统进行的循环变为逆循环，不可以向室内提供热量，仅用于除霜，且会从室内吸收部分热量。

制冷量为30.75kW换算为13.2匹，因此选择四通换向阀时选择14匹的四通换向阀。

此次设计中选用的是浙江三花公司SHF-50-911D型四通换向阀。型号参数见下表：

7.5  干燥过滤器的选型

热泵机组内循环系统内存在着水分及杂质等，会对设备的性能和使用寿命等带来负面作用，严重时可损坏压缩机。

干燥器和过滤器在热泵部件中也是一个不容忽视的重要部件。冷媒在干燥器中的安全流速为： 0.013~0.033m/s之间 ，流速过快很容易使干燥剂变成粉状。过滤器一般选择与冷媒及润滑油相容的金属细网，过滤网脏后可拆卸用汽油清洗,洗后的金属网可第二次使用。

根据设计参数：制热量Q=75kW，蒸发温度t=-20℃，冷凝温度t=50℃，以及干燥过滤器在系统中所处的位置，选用丹佛斯公司型号为DCL/DML032s的干燥过滤器。DCL干燥过滤器,适用于HFC和HCFC制冷剂。80%分子筛,20%活性铝氧化物。型号参数见下表：

7.6 气液分离器的选型：

气液分离器一般安装在压缩机进、出口处用于将气体和液体分离开来，从而提高设备的性能。选用强度大、气密性好的气液分离器可以更好地提高系统的制冷能力。

在选型时,气液分离器应能容纳50%系统的充灌23。气液分离器筒径计算公式：

此次设计中选用的是15匹的气液分离器，口径为18mm，筒体高度399mm，满足设计需求。

八、空气源热泵热水器水箱设计：

根据商用空气源热泵热水器水箱的容量，此次设计的75kW空气源热泵热水机组可以提供给约60人洗浴，故需要设计一个可供给60人同时使用的热水水箱。按每人每天50~60L用水量的标准设计，预设水箱容积为3000L。水箱的进水温度预设为6℃，出水温度为45℃；

综合考虑到加热时间、使用人数可能会发生变化,预留一定的富余量,取Q=14kW。

九、设计总结：

本文设计的是75kW空气源热泵热水机组在低温工况(-20℃)下的运行。整个设计完成后，结果证明喷气增焓技术可以较好地扩展空气源热泵热水器的适用范围，对传统空气源热泵热水器系统进行改善。经过综合分析评价后，该机组最终设计结果如下：

1)、制冷剂选用R410a，该制冷剂节能环保，被广泛地运用于空气源热泵热水机组当中。由热力计算可知,机组的性能系数(COP)可达2.04,冷凝热负荷为30.75kW。

2)、低温型空气源热泵热水机组采用的是喷气增焓系统，在喷气增焓系统中经济器和带辅助补气口的喷气增焓压缩机是其核心部件。此次设计中选用的艾默生旗下谷轮公司喷气增焓压缩机，型号为ZW154KSP。选用两机并联以满足设计机组所需制热量。

3)、由于冷凝热负荷为30.75kW，相对较小，比对各类压缩机的运行范围，且此次设计主要是为供应热水。因此冷凝器选择卧式壳管式冷凝器，制冷剂在管外流动,冷却水走管程。在整个设计中,传热管选用低肋管，分为四个流程，每流程平均管数15根，有效长度为1.1m。

4)、此次设计的热水器是利用节能环保的空气能，因此蒸发器选用表面式蒸发器，采用两块蒸发器并联,按V形放置。在整个设计中，选用紫铜管作为传热管，并将管束按照正三角形叉排排列，总管数为176根，单管有效长度2.071m，翅片常选用平直套片。蒸发器宽2.1m，高1.1m，实际迎风面积2.31m。

5)、制冷剂的充注量对于一个系统性能的影响很大,因此计算所设计系统的制冷剂充注量十分重要。通过计算可知,整个系统共需要R410a约12kg。