中央空調(diào)熱泵冷熱源方案淺析內(nèi)容

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　摘要：冷（熱）源來源經(jīng)濟(jì)與否直接關(guān)系建筑物空調(diào)的初投資與綜合運行費用。本文以實際設(shè)計方案為例，對不同制冷機(jī)冷源與熱泵熱源來源方案進(jìn)行了綜合性經(jīng)濟(jì)分析、比較，從而得出結(jié)論：用“熱源塔熱泵”系統(tǒng)可實現(xiàn)冷暖空調(diào)衛(wèi)生熱水三聯(lián)供，的確是一個經(jīng)濟(jì)合理的方案。

　　熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發(fā)冷卻熱回收制冷機(jī)，可以向酒店免費提供衛(wèi)生熱水和桑拿熱水；過度季節(jié)制取衛(wèi)生熱水時產(chǎn)生的冷量可供餐廳、娛樂及多功能廳空調(diào)免費利用；冬季熱泵的低品位熱源來自高效寬帶無霜熱源塔系統(tǒng)，可有效地保障熱泵供暖及衛(wèi)生熱水所需要的低品位熱源。

　　在無鍋爐等輔助熱源條件下，熱源塔熱泵經(jīng)受住南方五十年一遇的冰凍期考驗，室內(nèi)供暖溫度達(dá)到30℃，熱水45℃以上。系統(tǒng)運行可靠維修量小，這種無需設(shè)計鍋爐、水源和地埋管等輔助熱源系統(tǒng)的熱泵，初投資經(jīng)濟(jì)合理，室內(nèi)外機(jī)械設(shè)備綜合占地面積都比較小、節(jié)能效果明顯，以及對周圍環(huán)境影響符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)冷（熱）源來源方式，值得和大家交流探討。

　　關(guān)鍵詞：熱源塔；冷（熱）源；熱源塔熱泵

　　1.工程概況

　　桐廬大酒店位于城市發(fā)展的商業(yè)中心——杭州市桐廬縣城區(qū)。桐廬大酒店是按四星級酒店標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的集客房、餐飲、娛樂、休閑、會議、辦公及商場為一體的多功能綜合性項目。

　　2.不同冷（熱）源熱泵方案初投資比較

　　2.1混合源地源熱泵冷（熱）源與初投資系統(tǒng)性能南方地區(qū)制冷負(fù)荷大于供暖+熱水負(fù)荷的20%左右，為維持地下土壤溫度場的平衡，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運行目的，設(shè)計采用混合源（地埋管+冷卻塔）地源熱泵。地下土壤源溫度場可維持在16～22℃之間變化，熱泵熱源溫度平均保持12～6℃之間變化，。熱泵是以15℃熱源作為供熱量指標(biāo)，在熱源溫度12～6℃條件下運行供熱雖有衰減，但仍能滿足2500KW供暖和熱水負(fù)荷的需求量。熱泵供熱性能系數(shù)COP值可達(dá)3.5以上，主要是依靠昂貴造價的地源埋管系統(tǒng)作陪襯，才能實現(xiàn)單項運行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的高效。

　　系統(tǒng)初投資 近期原薩斯特地源埋管鉆井施工隊在為瀏陽市一座別墅做地源埋管，巖層鉆孔單井深度35米，鉆機(jī)日進(jìn)尺深度只有10米，井深造價超過100元/米。在大型建筑物中用地緊張，單井深度可達(dá)到80～100米，隨著井深增加巖層硬度會更高，井深造價為120～200元/米之間（四川地源熱泵示范工程）。采用混合源地源熱泵機(jī)組及冷（熱）源地源埋管系統(tǒng)的初投資為710.00萬元左右。

　　2.2空氣源熱泵冷（熱）源與初投資系統(tǒng)性能 酷暑制冷，空氣源熱泵的制冷效率與室外氣候有直接的關(guān)系，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。空氣溫度35℃，出水溫度7℃，空氣源熱泵制冷能效比EER值在2.5左右。隆冬供熱，南方地區(qū)受特定地質(zhì)與氣候條件因素影響，成為冷暖氣流對峙區(qū)“低溫高濕”，空氣中低品位“潛熱”含量高，空氣源熱泵因構(gòu)造缺陷，不能有效地利用低品位熱源，持續(xù)期累計約50天左右（-5～2℃溫度有近10天左右，2～5℃溫度有近40天左右）。當(dāng)空氣源熱泵迎面風(fēng)速為2M/S時，室外空氣干球溫度在0～5℃，相對濕度>80%時結(jié)霜最為嚴(yán)重，此時平均每小時化一次霜，按現(xiàn)代技術(shù)不停機(jī)旁通換向化霜程序，一次化霜的時間不少于8分鐘左右（包括室內(nèi)反向取熱）?？諝庠礋岜迷?～5℃條件下處于無霜至結(jié)滿霜與半結(jié)霜狀態(tài)下運行，供熱性能下降35～40%；化霜減少的供熱量達(dá)15～20%左右。因此，在最惡劣工況條件下空氣源熱泵機(jī)組的實際供熱輸出量，只有標(biāo)準(zhǔn)工況供熱量的50%左右，供熱性能系數(shù)COP平均只有1.5左右。

　　系統(tǒng)初投資 冬季酒店供熱需求量為2500KW，選擇空氣源熱泵方案，容量應(yīng)按實際供熱能力確定為：Q=Q0.δ+RQ0為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)供熱量、δ為實際供熱系數(shù)、R為輔助熱源；

　　Q0=3800KW  δ=0.53  R=500KW  Q=Q0.δ+R=3800×0.53+500=2514KW設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)制冷量為3800KW空氣源熱泵機(jī)組加500KW輔助電加熱裝置，能夠滿足制熱最不利工況下供熱。根據(jù)渦旋壓縮機(jī)構(gòu)造不適應(yīng)空氣源熱泵結(jié)霜后，長期處在高壓差下運行，容易損壞等因素，應(yīng)采用螺桿壓縮機(jī)組，空氣源熱泵主機(jī)方案初投資為716.00萬元左右。

　　2.3熱源塔熱泵冷（熱）源與初投資

　　2.3.1熱源塔熱泵原理熱源塔熱泵定義為：夏季為高效水蒸發(fā)冷卻制冷機(jī)，冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵。

　　熱泵所提升的低品位能來自熱源塔，熱泵必需是在較小的傳熱溫差下運行，才能獲得較高的供熱性能系數(shù)，需要按熱源塔實際使用工況設(shè)計熱泵工況，所以定位為熱源塔熱泵。

　　熱源塔熱泵工作原理：由熱源塔旋流風(fēng)機(jī)擾動環(huán)境中“低溫高濕”空氣從塔體底部進(jìn)入，經(jīng)低溫寬帶換熱器底部迎風(fēng)面逆向流通，形成傳熱面與環(huán)境空氣之間的顯熱與潛熱的交換。寬帶換熱器將來自熱泵小溫差蒸發(fā)器的低溫循環(huán)溶液（乙二醇稀釋溶液）從寬帶換熱器上部進(jìn)液底部出液，獲得低于環(huán)境溫度2～3℃的溶液作為熱源塔熱泵的低溫位熱源。

　　自然無霜運行期：南方冬季，環(huán)境溫度為2～5℃的持續(xù)時間為40天左右，占冬季低溫高濕天氣85%以上，是傳統(tǒng)窄帶空氣源熱泵結(jié)霜率較頻繁期。閉式熱源塔由于設(shè)計上采用了冷庫-15℃的低溫寬帶小溫差傳熱技術(shù)，比傳統(tǒng)窄帶空氣源熱泵結(jié)霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結(jié)霜機(jī)率。環(huán)境空氣溫度高于2.0℃以上時，空氣相對濕度較大潛熱含量高，寬帶換熱器在進(jìn)行熱交換時凝結(jié)水量大，凝結(jié)水分離系統(tǒng)自動排出凝結(jié)水份。

　　人工無霜運行期：南方冬季，環(huán)境空氣溫度低于1.0℃以下時的累計時間約10天左右，為防止負(fù)溫度濕空氣遇冷（低溫寬帶換熱器）結(jié)霜，負(fù)溫度噴淋裝置根據(jù)智能控制要求，自動噴淋環(huán)保防凍溶液（選用食品行業(yè)用無毒、無腐蝕、環(huán)保的防凍液）降低換熱器表面冰點，待低溫期過后采用濃縮裝置分離水份。

　　2.3.2閉式熱源塔熱泵應(yīng)用案例與性能湖南吉首市金煌賓館，地處湘西山區(qū)，冬季低溫高濕，夏季高溫酷暑。空調(diào)面積2300平方米，其中客房80間，大堂150平方米，茶藝中心95平方米。生活熱水需求量15噸/日，供暖溫度要求28℃。系統(tǒng)設(shè)計，采用“熱源塔熱泵冷暖空調(diào)熱水三聯(lián)供”系統(tǒng)，熱泵機(jī)組設(shè)計容量，按夏季標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量采用160KW機(jī)組二臺。在廠家交貨前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量測試時發(fā)現(xiàn)每臺只有120KW/臺。比原設(shè)計配置減少了160×2-120×2=80KW，相當(dāng)于25%的設(shè)備容量配置。2008年南方遭受了50年一遇的－1～－4℃冰凍期，這個先天性不足的容量配置系統(tǒng)，經(jīng)受了嚴(yán)峻的實際考驗。標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量為120×2=240KW的機(jī)組在低溫位熱源進(jìn)水溫度為－5℃情況下，壓縮機(jī)自然衰竭要大于標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量的25%，實際工況供熱量為90×2=180KW.在冰凍期期間，由于熱源塔熱泵低溫位熱源來源穩(wěn)定，無霜運行效率高滿足要求，平均日輸出45℃生活熱水15噸，客房供暖溫度達(dá)到28～33℃，大堂供暖溫度達(dá)到24～26℃。熱源塔熱泵性能，在“低溫高濕冰凍期”就閉式熱源塔而言，只要保障溶液冰點濃度，在－5℃低溫位熱源，輸出熱水45℃情況下，機(jī)組的供熱性能系數(shù)COP不低于3.0（實驗室測試，傳統(tǒng)干式熱泵螺桿機(jī)組在給定－5℃低溫位熱源，輸出熱水52℃條件下，供熱性能系數(shù)COP不低于2.6）。

　　系統(tǒng)性能 熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發(fā)冷卻制冷機(jī)，冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵。由冷熱源吸收設(shè)備——閉式熱源塔和低位熱源提升設(shè)備——低熱源熱泵組成。環(huán)境空氣溫度高于1.5℃以上時屬于無霜運行期，環(huán)境空氣溫度低于1.5℃以下時累計時間約10天左右，為防止零下溫度濕空氣遇蒸發(fā)器結(jié)霜，系統(tǒng)負(fù)溫度防霜系統(tǒng)自動噴淋環(huán)保防凍溶液降低換熱器表面冰點，待低溫期過后采用濃縮裝置分離水份，保障了熱源塔熱泵在最惡劣工況下0～5℃供熱性能系數(shù)COP值不低于3.2.系統(tǒng)初投資 冬季酒店供熱需求量為2500KW，選擇熱源塔熱泵方案，容量應(yīng)按實際供熱能力確定為：Q=Q0.δ+R  Q0為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)制冷量、δ為實際供熱系數(shù)、R為輔助熱源；

　　Q0=3450KW  δ=0.75  R=0KW  Q=Q0.δ+R=3450×0.75+0=2587KW設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)供熱量為3450KW熱泵熱水機(jī)組，能夠滿足制熱最不利工況下供熱。系統(tǒng)應(yīng)采用滿液式螺桿壓縮機(jī)組，熱源塔熱泵及冷（熱）源初投資方案為445萬元左右。

　　小結(jié)：混合源地源熱泵冷（熱）源與初投資710.00萬元左右；空氣源熱泵方案初投資為716.00萬元左右；熱源塔熱泵及冷（熱）源初投資方案為445.00萬元左右，是三個空調(diào)方案中最低的。

　　3.不同冷（熱）源熱泵方案能耗比較在對方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)性比較時，首先應(yīng)注意比較基準(zhǔn)的基本一致。

　　應(yīng)用相同設(shè)備檔次、能源價格等基準(zhǔn)條件進(jìn)行比較，才能保證比較結(jié)果的科學(xué)性和合理性。對比方案全部采用滿液式螺桿機(jī)組。

　　4.不同冷（熱）源熱泵方案選擇與確定

　　4.1混合源地源熱泵方案 最初的設(shè)計方案是采用地下水源熱泵機(jī)組，由于項目建筑紅線建筑范圍內(nèi)，場地基礎(chǔ)地質(zhì)巖體廣布，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，經(jīng)水文地質(zhì)勘測找不到足夠的地下水源來作為熱泵系統(tǒng)的冷（熱）源，而地源土壤源打孔費用和機(jī)組造價高達(dá)710.00萬元左右，對比熱源塔熱泵節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)增加初投資265.35萬元，年支付貸款利息為27.76萬元，全年節(jié)能回報只有5.85萬元左右。且本項目又處在市中心，沒有足夠可利用的空地打孔。因此，地下水源、地下土壤源冷（熱）源方案雖然節(jié)能，沒有成熟可靠的條件使用。更何況節(jié)能費用尚不能抵消增加的初投資貸款利息。

　　4.2空氣源熱泵方案 在地源熱泵方案被否定后，考慮采用空氣源來作為來作為熱泵系統(tǒng)的冷（熱）源方案。夏季，空氣源熱泵的冷源來自空氣冷卻，空氣源動力風(fēng)機(jī)的噪聲也會對周邊環(huán)境及酒店自身產(chǎn)生影響，冷卻效果受“高溫酷暑”環(huán)境溫度影響，最惡劣工況時能效比只有EER=2.5左右，比水蒸發(fā)冷卻增加了近一倍的能耗。冬季，空氣中低位“潛熱”含量高，空氣源熱泵因構(gòu)造缺陷不能有效地利用低位熱源，結(jié)霜降低機(jī)組換熱效率，而除霜既要耗能又影響連續(xù)供暖能力；當(dāng)室外溫度過低，會使機(jī)組保護(hù)停機(jī)不能正常工作，即使可以工作，其效率也很低，影響酒店的正常經(jīng)營。而其空氣源熱泵螺桿機(jī)組造價高達(dá)716.00萬元左右，對比熱源塔熱泵節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)增加初投資271.65萬元，年支付貸款利息為28.4萬元，全年能耗對比其它節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)增加71.27萬元左右。

　　4.3熱源塔熱泵方案 經(jīng)慎重考慮科學(xué)論證后，最后提出一種介于水冷卻制冷機(jī)節(jié)能與無霜空氣源熱泵之間的組合制冷與熱泵系統(tǒng)。經(jīng)多方面研究與網(wǎng)上市場調(diào)查了解到，熱源塔熱泵可有效地解決了地下水源熱泵無水源，地源土壤源熱泵造價高，傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵夏季制冷能耗高、冬季供熱翅片換熱器易結(jié)霜降低換熱效率、化霜耗能等問題，造成供熱能耗高。熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發(fā)冷卻制冷機(jī)，冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵，經(jīng)受住南方五十年一遇的冰凍期考驗，客房供暖溫度達(dá)到30℃、熱水45℃以上。熱源塔熱泵冷、暖空調(diào)和熱水三聯(lián)供一機(jī)三用，無需輔助熱源，節(jié)能環(huán)保、高效，且初投資合理，熱源塔熱泵冷（熱）源系統(tǒng)造價為445.00萬元左右，與其它熱泵方案對比如下：

　　①對比混合源地源熱泵方案減少初投資265.35萬元，減少年還貸利息27.76萬元，能耗增加5.85萬元，實際比混合源地源熱泵方案年減少21.91萬元的費用。

　?、趯Ρ瓤諝庠礋岜梅桨笢p少初投資271.65萬元。減少年還貸利息28.41萬元，年節(jié)能耗減少71.27萬元左右，實際比空氣源熱泵方案年減少99.68萬元的費用。

　　5.結(jié)論

　　通過對不同熱泵及冷（熱）源系統(tǒng)方案進(jìn)行的綜合經(jīng)濟(jì)分析不難看出，熱源塔熱泵冷（熱）源系統(tǒng)作為大中型建筑物（特別是酒店服務(wù)業(yè)）中央空調(diào)系統(tǒng)的冷（熱）源具有明顯的初投資低、節(jié)能和性能穩(wěn)定優(yōu)勢。不受區(qū)域地質(zhì)及自然環(huán)境的限制，在氣候適宜的長江流域以南地區(qū)可在冬、夏過度季節(jié)共用，省去了鍋爐設(shè)備、水源和地埋管等輔助冷（熱）源系統(tǒng)，符合我國南方地理情況。一機(jī)三用，設(shè)備利用率高。

　　熱源塔熱泵夏季制冷具有比冷卻塔更好的冷卻效果，較低的風(fēng)速令人滿意的降低了噪音；冬季熱源塔由于采用了寬帶小溫差傳熱設(shè)計，吸取低品位熱源能力比窄帶空氣源熱泵換熱器結(jié)霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結(jié)霜機(jī)率。在環(huán)境負(fù)溫度運行期間，設(shè)計有噴淋防霜系統(tǒng)以及旋流汽液分離消噪系統(tǒng)，有效地控制了對環(huán)境的污染。

　　熱源塔熱泵系統(tǒng)全年可比混合源地源熱泵系統(tǒng)年節(jié)約綜合運行費用11.6%左右，減少初投資265.35萬元；比空氣源熱泵年節(jié)約綜合運行費用61%左右，減少初投資271.65萬元。因此，熱源塔熱泵系統(tǒng)在氣候適宜的長江流域以南地區(qū)大中型建筑中可以廣泛地應(yīng)用。