空气源热泵对比热源塔热泵经济分析

引言   我国的空气源热泵技术来源于国外，这种延用国外的空气源热泵构造缺陷，不适宜在中国南方特定的夏“高温酷暑”冬“低温高湿”的气候条件下运行。冷(热)源的来源是否经济，直接关系到冷暖空调、生活热水的能耗及经营管理成本，本方案以福建龙州大厦为例，采用传统空气源热泵+电辅热冷(热)源与热源塔热泵冷(热)源进行经济比较，认为“热源塔热泵冷(热)源”来源比较经济。

     关键词   空气源热泵、热源塔热泵

   1 、地质构造与气候条件形成    冬季在中国长江流域以南地区，北方冷空气南下，分别受到云南高原、川西高原、武夷山脉和南岭山脉的阻挡滞留，而来自南海及孟加拉湾的海洋蒸发暖湿气流又不断从较低的南岭山脉越过与北部冷空气汇合，使南方的广大地区成为冷暖气流团对峙区，“低温高湿”成为该区域冬季特定的气候条件。 冬季，－3～2℃的空气温度有近200—250小时(约10天左右)，2～5℃的空气温度有近900—1000小时(约40天左右)。

   2 、南方的气候条件供热困难   在空气中 “潜热”含量高的情况下，传统空气源热泵因构造缺陷，会出现过早结霜、效率低的现象，更严重的是会造成压缩机长期处在高压差下运行，损坏率高。供热性能及可靠性无法保证，必须辅以高品位电热能及矿物燃料为辅助热源，导致能耗高污染环境。

    夏炎热冷凝温度高效率低能耗大  风冷式制冷机的冷凝温度取决于室外干球温度，而水冷式制冷机的冷凝温度则取决于室外湿球温度。在一天之内室外空气干球温度的变化要比湿球温度 大得多。夏季南方空气温度多在35℃以上，湿球温度多在28℃左右，所以依靠干空气进行冷却制冷能耗要高于水蒸发冷却制冷。虽然空气进行冷却制冷能耗要高，涡旋压缩机能效比为EER＝2.5左右，螺杆压缩机能效比为EER＝3.2左右，制冷机仍然可以正常工作(工艺原理见下图)。

    

冬湿冷热泵蒸发器结霜能耗大性能不稳定 。受南北冷暖气流团对峙的影响，南方地区有近800—1000小时气温多为0～6℃之间，低温高湿阴雨连绵，平均湿度达85%以上，湿空气遇冷凝结霜成为窄带空气源热泵的有害低品位能，造成换热器结霜，阻塞空气流通失去效能以及频繁融霜导致热泵不能正常工作。例如：2008年冰冻期，室外空气温度多在-3～5℃的“低温高湿”状态下持续时间长，是传统窄带空气源热泵结霜最为严重时期，郭鹏学暖通此时平均每小时化一次霜，按现代技术不停机旁通换向化霜程序，一次化霜的时间不少于8分钟左右(包括室内反向取热)。空气源热泵在0～5℃条件下处于无霜至结满霜与半结霜状态下运行，供热性能下降35～40%；化霜减少的供热量达15～20%左右。因此，在最恶劣工况条件下空气源热泵机组的实际供热输出量，只有标准工况供热量的50%左右，供热性能系数COP平均只有1.5左右。风冷热泵是以夏季设计为主的窄带翅片，不能兼固夏季与冬季同效率。由于成本等原因，环境温度与制冷机工质蒸发温度差超过Δt=10-12℃。特别是冬季经换向后变成了效率很低的顺流换热，节流后制冷剂冷管窄带翅片在第一通道就与湿空气相遇结霜，阻塞空气流通换热，形成门堵现象的恶性结霜循环Δt=15-20℃，系统供热需要其它辅助热源(工艺原理见下图)。

  

   3 、环境空气蕴藏了 无限能量    寻找廉价的适合于中国南方“低温高湿”气候条件的低品位热源作为热泵热源，成为行业节能减排关注的焦点。在美国北部地区土壤源热泵，冬季地下土壤源温度一般都在0℃以下。在中国南方2℃以下的天数占供暖期的15%左右，持续时间短；2℃以上的天数占供暖期85%以上，持续时间长。环境空气源作为低品位热源具有无限能量，从“低温高湿”空气中吸收提升低品位能量的条件要优于美国北部地区土壤源热泵的条件。所以，需要根据中国南方特定的气候条件，开发一种能从“低温高湿”空气中高效吸收提升低品位热源的装置即“热源塔热泵”。

   4 、热源塔热泵二大节能优势    热源塔热泵夏季为高效水蒸发冷却制冷机；冬季为高效宽带无霜空气源热泵。

   热源塔热泵夏季为高效水蒸发冷却制冷机。夏季，由冬季的闭式热源塔转换为开式冷却塔。热源塔是按照冬季吸收显热负荷能力设计的换热面积，到了夏季热源塔转换为冷却塔，换热面积大于传统冷却塔换热面积，冷却水温低，制冷机效率高。热源塔热泵采用低热源小温差传热设计，比普通水源热泵要高出5%左右的性能系数，夏季转换为制冷机效率明显提高。

   冬季为高效宽带无霜空气源热泵。冬季，由夏季的开式冷却塔转换为闭式热源塔。由于热源塔是根据南方冬季“低温高湿”气候条件下设计的低品位热源吸收设备，并与低热源热泵组成宽带小温差传热系统，比传统窄带空气源热泵结霜温度下降了5～6℃。环境空气温度高于1.5℃以上时属于无霜运行期，减少了85%的结霜机率。当环境空气温度低于1.5℃以下时累计时间约7天左右，为防止零下温度湿空气遇蒸发器结霜，自然无霜期运行，南方冬季，环境温度为2～5℃的持续时间为40天左右，占冬季低温高湿天气85%以上，是传统窄带空气源热泵结霜率较频繁的时期。闭式热源塔设计上采用了冷库-15℃的低温宽带小温差传热技术，比传统窄带空气源热泵结霜温度下降了5～6℃，减少了95%的结霜机率。环境空气温度高于1.0℃以上时，空气相对湿度较大潜热含量高，宽带换热器在进行热交换时凝结水量大，凝结水分离系统自动排出凝结水份。 环境空气温度低于1.0℃以下，湿度超过90%以上的时累计时间约5天左右，为防止负温度高湿空气遇蒸发器结霜，系统设计了负温度蓄热能防霜系统，经12H周期运行自动检测热源塔负压值，当负压值达到设定值，自动启动蓄热能融霜装置，保障闭式热源塔处于无霜堵运行状态， 供热性能系数COP值不低于3.0(工艺原理见下图)。

   

                                        QIUKE技术 热源塔热泵工艺原理图

5 、空气源热泵对比热源塔热泵

   本方案以福建龙岩龙州大厦为例，有效建筑面积：47000M2 ；空调面积：40907M2；主要功能区域：包括商务公寓、商务办公、商场、宾馆大堂、酒吧、客房、餐饮、健身房、包厢、桑拿、会议。

   设计方案采用传统空气源热泵+电辅热冷(热)源与热源塔热泵冷(热)源进行经济比较。年制冷与供热量为10167800 KW；52℃热水供应量37740吨。以当地电价0.72元/KWH为计算依据，不同冷(热)源主机设备系统初投资及单位冷热量成本综合性经济分析汇总(见表1)。

    结语： 空气源热泵冷(热)源系统方案比热源塔热泵冷(热)源系统方案。增加初投资267.00万元左右，增加73.60万元左右运行费用，增加银行贷款利息27.92万元左右。