王玉來 李永安 蘆志凱

1 山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院

2 山東建筑大學(xué)發(fā)展評估與規(guī)劃處

空氣源熱泵在冬季制熱運行時，可重復(fù)循環(huán)利用潔凈手術(shù)部的排風(fēng)作為其低溫熱源，即為基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵。在冬季制熱運行時，通過回收利用潔凈手術(shù)部的排風(fēng)，對改善冬季制熱時惡劣的運行工況有明顯的效果，可大大提高其制熱性能系數(shù)，增大其制熱量，進一步改進工作性能[1]。夏季制冷運行時，潔凈手術(shù)部排風(fēng)的溫度通常為22～25 ℃，相對濕度在60%左右，另外排風(fēng)的潔凈度也相當高，因此醫(yī)院潔凈手術(shù)部凈化空調(diào)所使用的熱泵在夏季制冷運行時，用排風(fēng)作為高溫熱源，也可回收利用手術(shù)部較低溫度排風(fēng)的冷量，實現(xiàn)可再生能源重復(fù)循環(huán)利用，其性能也會有明顯的提高。為更好的研究蒸發(fā)冷熱泵機組的全年運行性能，需建立其性能模型[2]。本文建立了數(shù)學(xué)模型對醫(yī)院手術(shù)室排風(fēng)回收熱泵的性能特性進行分析研究。

1 夏季制冷工況下熱泵運行數(shù)學(xué)模型建立

目前，技術(shù)較為成熟且再生效率較高的是熱泵熱回收再生方法[3]。由于熱泵空調(diào)制冷設(shè)備的局限性，一般在夏季制冷運行時，空氣源熱泵的制冷性能系數(shù)小于常規(guī)的冷水機組，也小于水源熱泵機組。通常通過降低冷凝溫度或者提高蒸發(fā)溫度來提高熱泵機組的制冷、制熱系數(shù)，從而提高機組的能源利用效率[4]。

1）熱泵壓縮機的制冷功耗[5]

熱泵壓縮機的耗功率是指由電動機傳至壓縮機軸上的功率，也稱壓縮機的軸功率Pe

式中：Pi為壓縮機直接用于壓縮氣體的指示功率，kW；Pm為用于克服運動機構(gòu)的摩擦阻力的摩擦功率，kW。

熱泵壓縮機的輸入功率Pin[4]

式中：ηd為傳動效率，直聯(lián)時為1，采用三角皮帶聯(lián)接時為0.90～0.95；ηo為電動機的效率。

熱泵壓縮機的制冷性能系數(shù)COP

2）冷凝器的流動換熱[5]

冷凝器空氣側(cè)的換熱量Qa(R)

式中：ma(R)為冷凝器空氣側(cè)的空氣質(zhì)量流量，kg/s；hao(R)為冷凝器出口的空氣比焓值，kJ/kg；hai(R)為冷凝器入口的空氣比焓值，kJ/kg。

冷凝器制冷劑側(cè)的換熱量Qr(R)

式中：αi(R)為換熱系數(shù)，由熱泵機組和va等決定；mr(R)為冷凝器制冷劑側(cè)的質(zhì)量流量，kg/s；hri(R)1為冷凝器入口制冷劑的比焓值，kJ/kg；hro(R)1為冷凝器出口制冷劑的比焓值，kJ/kg。

由管內(nèi)外兩側(cè)的換熱平衡可得：

式中：ξ1為冷凝換熱效率，專業(yè)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供。

3）工質(zhì)流經(jīng)熱力膨脹閥時可近似認為絕熱節(jié)流。

4）蒸發(fā)器的流動換熱

制冷劑側(cè)的流動換熱Qr(R)2

式中：hro(R)2為蒸發(fā)器出口制冷劑的比焓值，kJ/kg；hri(R)2為蒸發(fā)器入口制冷劑的比焓值，kJ/kg。

蒸發(fā)器水側(cè)的流動換熱Qw(R)2

式中：mw(R)為蒸發(fā)器水側(cè)的質(zhì)量流量，kg/s；hwi(R)2為蒸發(fā)器水側(cè)入口的比焓值，kJ/kg；hwo(R)2為蒸發(fā)器水側(cè)出口的比焓值，kJ/kg。

由管內(nèi)外換熱平衡：

式中：ξ2為蒸發(fā)換熱效率，專業(yè)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供。

根據(jù)上述分析得出的數(shù)學(xué)模型公式和狀態(tài)量，在特定溫度下測得制冷量，性能系數(shù)COP，及普通空氣源熱泵的參照值，進一步分析在回收利用潔凈手術(shù)部排風(fēng)情況下空氣源熱泵的制冷性能特性。

2 實驗過程及分析

采用對比實驗法分析熱泵夏季實際運行性能特性。把某醫(yī)院潔凈手術(shù)部其中1 臺空氣源熱泵當作實驗機組，其室外換熱器引入潔凈手術(shù)部的排風(fēng)，另一同種型號機組作為參照機組（通常的環(huán)境條件）。然后對比實驗機組和普通熱泵機組，進一步研究基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵的性能變化。圖1 所示為排風(fēng)熱回收換熱室流程圖。

圖1 排風(fēng)熱回收換熱室流程圖

實驗所使用的儀器有：玻璃水銀溫度計、水流量計、銅-康銅熱電偶、便攜式干濕球溫度測試儀、熱球風(fēng)速儀、PROVA-6600 型三相鉤式電力計、電功率表。

實驗方法和步驟：

1）選擇夏季天氣較炎熱的測量日，以便可測得室外空氣溫度較高時（如36 ℃或35 ℃等）熱泵制冷運行工況時的參數(shù)，隨著室外氣溫的變化，可測得各溫度下的熱泵運行工況參數(shù)。測量室外空氣溫度（熱泵附近），每隔10 min 記錄一次，不少于3 次，其溫度值取多次測量計算的平均值。

2）用便攜式干濕球溫度測試儀測量室外空氣的濕度、排風(fēng)的溫度和濕度、進、出空氣源熱泵的空氣溫度和濕度，每隔10 min 記錄一次，不少于3 次，其溫度值和濕度值取多次測量計算的平均值。

3）用熱球風(fēng)速儀在排風(fēng)管斷面的不同位置測量潔凈手術(shù)部排風(fēng)的風(fēng)速，用熱球風(fēng)速儀在迎風(fēng)面的不同位置測量空氣源熱泵的迎面風(fēng)速，每隔10 min 記錄一次，不少于3 次，其風(fēng)速值取多次測量計算的平均值。

4）熱泵機組的供、回水管路上裝有銅-康銅熱電偶溫度計、壓力表、水流量計，可測量供、回水的溫度和水流量值。

5）熱泵機組壓縮機的耗功量可從配電柜各回路上用三相鉤式電力計測出數(shù)值的多少，系統(tǒng)的總耗功量可從配電柜安裝的總電功率表上讀出，每一溫度下壓縮機的耗功量測量時間不小于30 min。

夏季制冷運行時，排風(fēng)直接引入換熱小室與室外空氣混合，由于兩種空氣的密度相差不大，也可近似取氣體的體積流量代替質(zhì)量流量，混合氣體溫度t'h的計算公式為：

式中：tao為室外空氣溫度，℃；tp為潔凈手術(shù)部排風(fēng)的溫度，℃（夏季制冷運行時為25 ℃左右）；Vao為進入熱泵的室外空氣流量，m3/h；Vp為潔凈手術(shù)部的排風(fēng)量，m3/h；ρao為室外空氣的密度，kg/m3；ρp為潔凈手術(shù)部排風(fēng)的密度，kg/m3；ρh為混合空氣的密度，kg/m3。

進、出室外換熱器的濕空氣的比焓值可以用下式計算[6]：

式中：t 為進、出室外換熱器濕空氣的溫度，℃；d 為進、出室外換熱器濕空氣的含濕量，g/kg干空氣；db為飽和空氣的含濕量，g/kg干空氣；φ 為濕空氣的相對濕度（可由現(xiàn)場測量得到）。

式中：t1、t2為熱泵進、出水溫度，℃。

3 計算及性能分析

3.1 制冷量計算

當室外空氣溫度為35 ℃時，由測量所得對照機組的（普通空氣源熱泵）出水溫度t1=6.9 ℃，進水溫度t2=12.27 ℃（多次測量的平均值），進、出熱泵機組的水流量為21.5 m3/h。實驗機組（基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵）的出水溫度t/1=6.53 ℃，進水溫度t/2=12.09 ℃，進出熱泵機組的水流量為21.6 m3/h。由式（15）計算得出對應(yīng)熱泵的制冷量QH為134 kW，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵的制冷量為139.5 kW，依次計算出各制冷量值（如圖2）。

圖2 制冷量隨室外空氣溫度的變化關(guān)系

由現(xiàn)場測量值計算可得熱泵機組壓縮機的耗功量，詳見圖3。

圖3 壓縮機耗功量隨室外空氣溫度的變化關(guān)系

由式（3）計算可得熱泵的制冷系數(shù)。如t=35 ℃時，現(xiàn)場測得普通空氣源熱泵（普通熱泵） 的制冷量QH=134 kW，壓縮機耗功量W=42.8 kW，可得制冷系數(shù)COPR=3.13。同理可得基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵（基于排風(fēng)熱泵）的制冷量Q/R=139.5kW，壓縮機耗功量W/=41.5 kW，可得制冷系數(shù)COP/R=3.36。詳見圖4。

圖4 制冷系數(shù)COP 隨室外空氣溫度的變化關(guān)系

圖2～圖4 的橫坐標均為室外空氣溫度。由圖示可知，當室外空氣溫度為35 ℃時，普通空氣源熱泵的制冷量QR為134 kW，COP 為3.13，而此時基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵的制冷量QR為139.5 kW，COP達到3.36，制冷量提高了4.1%，COP 提高了7.35%?；跐崈羰中g(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵的制冷量QR、制冷性能系數(shù)COP 和普通空氣源熱泵相比都有所提高，而且隨著室外空氣溫度的升高，提高的幅度逐漸增大。在相同的室外空氣溫度下，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵的QR/、COP 與普通空氣源熱泵相比都有所增大?？梢?，與普通空氣源熱泵相比，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵在夏季制冷運行時，其制冷量、性能系數(shù)等特性有明顯的改善和提高。

3.2 基于排風(fēng)熱泵性能特性改進途徑

1）空氣源熱泵實際運行的制冷量、性能系數(shù)COPR 值等，與熱泵機組生產(chǎn)廠家彩頁或銘牌標注的參數(shù)值有差距。首先應(yīng)該歸結(jié)于實驗的測試手段和所用儀器比較原始，使用試驗設(shè)備的方法不夠?qū)I(yè)，測試所采用的方法和實驗條件差異所致。其次是在設(shè)備實際運行過程中進行的，受室外環(huán)境限制，當室外空氣溫度達到一定數(shù)值時，往往實際運行負荷會變化或波動，如：有的手術(shù)室突然開啟或關(guān)閉，對數(shù)據(jù)測量也會產(chǎn)生很大影響。因此要想提高熱泵的性能，重點應(yīng)分析基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵的各項性能相關(guān)因素，研究專門適用于醫(yī)院潔凈手術(shù)部凈化空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)冷熱泵機組。

2）改變傳統(tǒng)空氣源熱泵的結(jié)構(gòu)方式，研發(fā)“分體式”熱泵機組，把室外換熱器放置在風(fēng)管結(jié)構(gòu)小室內(nèi)，并適當減小換熱器迎風(fēng)面的風(fēng)速，充分利用潔凈手術(shù)部的低溫排風(fēng)，最大限度的實現(xiàn)對室內(nèi)排風(fēng)進行冷熱量回收[7]。

3）熱泵機組生產(chǎn)廠家銘牌標注的參數(shù)值，是在一定的理想狀況下得出的，和實際運行狀態(tài)存在一定差距，存在氣候區(qū)域差異。同時在某些方面反映出熱泵機組生產(chǎn)廠家彩頁標注的參數(shù)值的特定局限性，設(shè)計師在工程設(shè)計選用熱泵機組型號時，應(yīng)與具體的使用工況相結(jié)合。

4 結(jié)語

1）基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵在夏季制冷運行時，可回收潔凈手術(shù)部的“低溫”排風(fēng)中的冷量，實現(xiàn)可再生能源重復(fù)回收利用。

2）潔凈手術(shù)部排風(fēng)冷熱量回收也屬于可再生能源回收利用，可改善其運行狀況和性能。

3）與普通空氣源熱泵相比，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵在夏季制冷運行時，制冷量提高了4.1%，COP 提高了7.35%，效果明顯。

4）空氣源熱泵實際運行的COP 值與銘牌標定值有差距，其產(chǎn)生的原因是多方面的。設(shè)計時需要暖通設(shè)計師根據(jù)不同的氣候區(qū)域來考量。

5）對基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵進行改進，改變傳統(tǒng)的空氣源熱泵冷凝器、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)型式，充分利用潔凈手術(shù)部低溫排風(fēng)，提高冷量回收效率。