中央空调热泵冷热源方案浅析

1.工程概况
　　桐庐大酒店位于城市发展的商业中心——杭州市桐庐县城区。桐庐大酒店是按四星级酒店标准设计的集客房、餐饮、娱乐、休闲、会议、办公及商场为一体的多功能综合性项目。
　　 2.不同冷(热)源热泵方案初投资比较
　　2.1混合源地源 热泵冷(热)源与初投资系统性能南方地区制冷负荷大于供暖+热水负荷的20%左右，为维持地下土壤温度场的平衡，实现经济运行目的，设计采用混合源(地埋管+冷却塔)地源热泵。地下土壤源温度场可维持在16～22℃之间变化，热泵热源温度平均保持12～6℃之间变化。热泵是以15℃热源作为供热量指标，在热源温度12～6℃条件下运行供热虽有衰减，但仍能满足2500KW供暖和热水负荷的需求量。热泵供热性能系数COP值可达3.5以上，主要是依靠昂贵造价的地源埋管系统作陪衬，才能实现单项运行经济指标的高效。
　　系统初投资 近期原萨斯特地源埋管钻井施工队在为浏阳市一座别墅做地源埋管，岩层钻孔单井深度35米，钻机日进尺深度只有10米，井深造价超过100元/米。在大型建筑物中用地紧张，单井深度可达到80～100米，随着井深增加岩层硬度会更高，井深造价为120～200元/米之间(四川地源热泵示范工程)。采用混合源地源热泵机组及冷(热)源地源埋管系统的初投资为710.00万元左右。
　　2.2空气源热泵冷(热)源与初投资系统性能 酷暑制冷，空气源热泵的制冷效率与室外气候有直接的关系，随室外温度的升高而降低，机组消耗功率随室外环境温度的升高而增加。空气温度35℃，出水温度7℃，空气源热泵制冷能效比EER值在2.5左右。隆冬供热，南方地区受特定地质与气候条件因素影响，成为冷暖气流对峙区“低温高湿”，空气中低品位“潜热”含量高，空气源热泵因构造缺陷，不能有效地利用低品位热源，持续期累计约50天左右(-5～2℃温度有近10天左右，2～5℃温度有近40天左右)。当空气源热泵迎面风速为2M/S时，室外空气干球温度在0～5℃，相对湿度>80%时结霜最为严重，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。
　　系统初投资 冬季酒店供热需求量为2500KW，选择空气源热泵方案，容量应按实际供热能力确定为：Q=Q0.δ+RQ0为设定的标准供热量、δ为实际供热系数、R为辅助热源;
　　Q0=3800KW δ=0.53 R=500KW Q=Q0.δ+R=3800×0.53+500=2514KW设计采用标准制冷量为3800KW空气源热泵机组加500KW辅助电加热装置，能够满足制热最不利工况下供热。根据涡旋压缩机构造不适应空气源热泵结霜后，长期处在高压差下运行，容易损坏等因素，应采用螺杆压缩机组，空气源热泵主机方案初投资为716.00万元左右。
　　2.3热源塔热泵冷(热)源与初投资
　　2.3.1热源塔热泵原理热源塔热泵定义为：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。
　　热泵所提升的低品位能来自热源塔，热泵必需是在较小的传热温差下运行，才能获得较高的供热性能系数，需要按热源塔实际使用工况设计热泵工况，所以定位为热源塔热泵。
　　热源塔热泵工作原理：由热源塔旋流风机扰动环境中“低温高湿”空气从塔体底部进入，经低温宽带换热器底部迎风面逆向流通，形成传热面与环境空气之间的显热与潜热的交换。宽带换热器将来自热泵小温差蒸发器的低温循环溶液(乙二醇稀释溶液)从宽带换热器上部进液底部出液，获得低于环境温度2～3℃的溶液作为热源塔热泵的低温位热源。
　　自然无霜运行期：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期。闭式热源塔由于设计上采用了冷库-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85%的结霜机率。环境空气温度高于2.0℃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。
　　人工无霜运行期：南方冬季，环境空气温度低于1.0℃以下时的累计时间约10天左右，为防止负温度湿空气遇冷(低温宽带换热器)结霜，负温度喷淋装置根据智能控制要求，自动喷淋环保防冻溶液(选用食品行业用无毒、无腐蚀、环保的防冻液)降低换热器表面冰点，待低温期过后采用浓缩装置分离水份。
　　2.3.2闭式热源塔热泵应用案例与性能湖南吉首市金煌宾馆，地处湘西山区，冬季低温高湿，夏季高温酷暑。空调面积2300平方米，其中客房80间，大堂150平方米，茶艺中心95平方米。生活热水需求量15吨/日，供暖温度要求28℃。系统设计，采用“热源塔热泵冷暖空调热水三联供”系统，热泵机组设计容量，按夏季标准工况制冷量采用160KW机组二台。在厂家交货前进行标准工况制冷量测试时发现每台只有120KW/台。比原设计配置减少了160×2-120×2=80KW，相当于25%的设备容量配置。2008年南方遭受了50年一遇的-1～-4℃冰冻期，这个先天性不足的容量配置系统，经受了严峻的实际考验。标准工况制冷量为120×2=240KW的机组在低温位热源进水温度为-5℃情况下，压缩机自然衰竭要大于标准工况制冷量的25%，实际工况供热量为90×2=180KW.在冰冻期期间，由于热源塔热泵低温位热源来源稳定，无霜运行效率高满足要求，平均日输出45℃生活热水15吨，客房供暖温度达到28～33℃，大堂供暖温度达到24～26℃。热源塔热泵性能，在“低温高湿冰冻期”就闭式热源塔而言，只要保障溶液冰点浓度，在-5℃低温位热源，输出热水45℃情况下，机组的供热性能系数COP不低于3.0(实验室测试，传统干式热泵螺杆机组在给定-5℃低温位热源，输出热水52℃条件下，供热性能系数COP不低于2.6)。
　　系统性能
　　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。由冷热源吸收设备——闭式热源塔和低位热源提升设备——低热源热泵组成。环境空气温度高于1.5℃以上时属于无霜运行期，环境空气温度低于1.5℃以下时累计时间约10天左右，为防止零下温度湿空气遇蒸发器结霜，系统负温度防霜系统自动喷淋环保防冻溶液降低换热器表面冰点，待低温期过后采用浓缩装置分离水份，保障了热源塔热泵在最恶劣工况下0～5℃供热性能系数COP值不低于3.2.系统初投资 冬季酒店供热需求量为2500KW，选择热源塔热泵方案，容量应按实际供热能力确定为：Q=Q0.δ+R Q0为设定的标准制冷量、δ为实际供热系数、R为辅助热源;
　　Q0=3450KW δ=0.75 R=0KW Q=Q0.δ+R=3450×0.75+0=2587KW设计采用标准供热量为3450KW热泵热水机组，能够满足制热最不利工况下供热。系统应采用满液式螺杆压缩机组，热源塔热泵及冷(热)源初投资方案为445万元左右。
　　小结：混合源地源热泵冷(热)源与初投资710.00万元左右;空气源热泵方案初投资为716.00万元左右;热源塔热泵及冷(热)源初投资方案为445.00万元左右，是三个空调方案中最低的。
　　 3.不同冷(热)源热泵方案能耗比较
在对方案进行综合经济性比较时，首先应注意比较基准的基本一致。
　　应用相同设备档次、能源价格等基准条件进行比较，才能保证比较结果的科学性和合理性。对比方案全部采用满液式螺杆机组。
　　 4.不同冷(热)源热泵方案选择与确定
　　4.1混合源地源热泵方案 最初的设计方案是采用地下水源热泵机组，由于项目建筑红线建筑范围内，场地基础地质岩体广布，地质构造复杂，经水文地质勘测找不到足够的地下水源来作为热泵系统的冷(热)源，而地源土壤源打孔费用和机组造价高达710.00万元左右，对比热源塔热泵节能空调系统增加初投资265.35万元，年支付贷款利息为27.76万元，全年节能回报只有5.85万元左右。且本项目又处在市中心，没有足够可利用的空地打孔。因此，地下水源、地下土壤源冷(热)源方案虽然节能，没有成熟可靠的条件使用。更何况节能费用尚不能抵消增加的初投资贷款利息。
　　4.2空气源热泵方案 在地源热泵方案被否定后，考虑采用空气源来作为来作为热泵系统的冷(热)源方案。夏季，空气源热泵的冷源来自空气冷却，空气源动力风机的噪声也会对周边环境及酒店自身产生影响，冷却效果受“高温酷暑”环境温度影响，最恶劣工况时能效比只有EER=2.5左右，比水蒸发冷却增加了近一倍的能耗。冬季，空气中低位“潜热”含量高，空气源热泵因构造缺陷不能有效地利用低位热源，结霜降低机组换热效率，而除霜既要耗能又影响连续供暖能力;当室外温度过低，会使机组保护停机不能正常工作，即使可以工作，其效率也很低，影响酒店的正常经营。而其空气源热泵螺杆机组造价高达716.00万元左右，对比热源塔热泵节能空调系统增加初投资271.65万元，年支付贷款利息为28.4万元，全年能耗对比其它节能空调系统增加71.27万元左右。
　　4.3热源塔热泵方案 经慎重考虑科学论证后，最后提出一种介于水冷却制冷机节能与无霜空气源热泵之间的组合制冷与热泵系统。经多方面研究与网上市场调查了解到，热源塔热泵可有效地解决了地下水源热泵无水源，地源土壤源热泵造价高，传统风冷热泵夏季制冷能耗高、冬季供热翅片换热器易结霜降低换热效率、化霜耗能等问题，造成供热能耗高。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，经受住南方五十年一遇的冰冻期考验，客房供暖温度达到30℃、热水45℃以上。热源塔热泵冷、暖空调和热水三联供一机三用，无需辅助热源，节能环保、高效，且初投资合理，热源塔热泵冷(热)源系统造价为445.00万元左右，与其它热泵方案对比如下：
　　①对比混合源地源热泵方案减少初投资265.35万元，减少年还贷利息27.76万元，能耗增加5.85万元，实际比混合源地源热泵方案年减少21.91万元的费用。
　　②对比空气源热泵方案减少初投资271.65万元。减少年还贷利息28.41万元，年节能耗减少71.27万元左右，实际比空气源热泵方案年减少99.68万元的费用。
　　 5.结论
　　通过对不同热泵及冷(热)源系统方案进行的综合经济分析不难看出，热源塔热泵冷(热)源系统作为大中型建筑物(特别是酒店服务业)中央空调系统的冷(热)源具有明显的初投资低、节能和性能稳定优势。不受区域地质及自然环境的限制，在气候适宜的长江流域以南地区可在冬、夏过度季节共用，省去了锅炉设备、水源和地埋管等辅助冷(热)源系统，符合我国南方地理情况。一机三用，设备利用率高。
　　热源塔热泵夏季制冷具有比冷却塔更好的冷却效果，较低的风速令人满意的降低了噪音;冬季热源塔由于采用了宽带小温差传热设计，吸取低品位热源能力比窄带空气源热泵换热器结霜温度下降了5～6℃，减少了85%的结霜机率。在环境负温度运行期间，设计有喷淋防霜系统以及旋流汽液分离消噪系统，有效地控制了对环境的污染。
　　热源塔热泵系统全年可比混合源地源热泵系统年节约综合运行费用11.6%左右，减少初投资265.35万元;比空气源热泵年节约综合运行费用61%左右，减少初投资271.65万元。因此，热源塔热泵系统在气候适宜的长江流域以南地区大中型建筑中可以广泛地应用。