中央空調(diào)熱泵冷熱源方案淺析

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摘要：冷（熱）源來(lái)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(yùn)行費(fèi)用。本文以實(shí)際設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)不同制冷機(jī)冷源與熱泵熱源來(lái)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(shí)現(xiàn)冷暖空調(diào)衛(wèi)生熱水三聯(lián)供，的確是一個(gè)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(fèi)提供衛(wèi)生熱水和桑拿熱水；過(guò)度季節(jié)制取衛(wèi)生熱水時(shí)產(chǎn)生的冷量可供餐廳、娛樂(lè)及多功能廳空調(diào)免費(fèi)利用；冬季熱泵的低品位熱源來(lái)自高效寬帶無(wú)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(wú)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(yàn)，室內(nèi)供暖溫度達(dá)到30℃，熱水45℃以上。系統(tǒng)運(yùn)行可靠維修量小，這種無(wú)需設(shè)計(jì)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(duì)周?chē)h(huán)境影響符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)冷（熱）源來(lái)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(jí)酒店標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的集客房、餐飲、娛樂(lè)、休閑、會(huì)議、辦公及商場(chǎng)為一體的多功能綜合性項(xiàng)目。地上建筑面積：34210m².地下建筑面積：3160m².夏季制冷負(fù)荷為2500KW，冬季供熱負(fù)荷為2000KW.單位面積冷指標(biāo)為70.4W/m².單位面積熱指標(biāo)為58.5W/m².熱水負(fù)荷為5000KW/天。

　　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(chǎng)的平衡，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的，設(shè)計(jì)采用混合源（地埋管+冷卻塔）地源熱泵。地下土壤源溫度場(chǎng)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(yùn)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(jià)的地源埋管系統(tǒng)作陪襯，才能實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)運(yùn)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(duì)在為瀏陽(yáng)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(jià)超過(guò)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(huì)更高，井深造價(jià)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(wàn)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?？諝鉁囟?5℃，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(duì)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(jì)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(shí)，室外空氣干球溫度在0～5℃，相對(duì)濕度>80%時(shí)結(jié)霜最為嚴(yán)重，此時(shí)平均每小時(shí)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(shí)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(wú)霜至結(jié)滿霜與半結(jié)霜狀態(tài)下運(yùn)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?lèi)毫庸r條件下空氣源熱泵機(jī)組的實(shí)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。

　　設(shè)計(jì)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(zhǎng)期處在高壓差下運(yùn)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(wàn)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(wú)霜空氣源熱泵。

　　熱泵所提升的低品位能來(lái)自熱源塔，熱泵必需是在較小的傳熱溫差下運(yùn)行，才能獲得較高的供熱性能系數(shù)，需要按熱源塔實(shí)際使用工況設(shè)計(jì)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(dòng)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(lái)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(wú)霜運(yùn)行期：南方冬季，環(huán)境溫度為2～5℃的持續(xù)時(shí)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(jì)上采用了冷庫(kù)-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(shí)，空氣相對(duì)濕度較大潛熱含量高，寬帶換熱器在進(jìn)行熱交換時(shí)凝結(jié)水量大，凝結(jié)水分離系統(tǒng)自動(dòng)排出凝結(jié)水份。

　　人工無(wú)霜運(yùn)行期：南方冬季，環(huán)境空氣溫度低于1.0℃以下時(shí)的累計(jì)時(shí)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(dòng)噴淋環(huán)保防凍溶液（選用食品行業(yè)用無(wú)毒、無(wú)腐蝕、環(huán)保的防凍液）降低換熱器表面冰點(diǎn)，待低溫期過(guò)后采用濃縮裝置分離水份。

　　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(wú)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(chǎng)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(wú)水源，地源土壤源熱泵造價(jià)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(wèn)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(wú)霜空氣源熱泵，經(jīng)受住南方五十年一遇的冰凍期考驗(yàn)，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(wú)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(jià)為445.00萬(wàn)元左右，與其它熱泵方案對(duì)比如下：

　?、?對(duì)比混合源地源熱泵方案減少初投資265.35 萬(wàn)元，減少年還貸利息27.76 萬(wàn)元，能耗增加5.85萬(wàn)元，實(shí)際比混合源地源熱泵方案年減少21.91萬(wàn)元的費(fèi)用。

　　② 對(duì)比空氣源熱泵方案減少初投資271.65 萬(wàn)元。減少年還貸利息28.41 萬(wàn)元，年節(jié)能耗減少71.27萬(wàn)元左右，實(shí)際比空氣源熱泵方案年減少99.68萬(wàn)元的費(fèi)用。

　　結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)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(shì)。不受區(qū)域地質(zhì)及自然環(huán)境的限制，在氣候適宜的長(zhǎng)江流域以南地區(qū)可在冬、夏過(guò)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(guó)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(jì)，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(yùn)行期間，設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)行費(fèi)用11.6%左右，減少初投資265.35萬(wàn)元；比空氣源熱泵年節(jié)約綜合運(yùn)行費(fèi)用61%左右，減少初投資271.65萬(wàn)元。因此，熱源塔熱泵系統(tǒng)在氣候適宜的長(zhǎng)江流域以南地區(qū)大中型建筑中可以廣泛地應(yīng)用。