中央空調熱泵冷熱源方案淺析
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：冷（熱）源來源經濟與否直接關系建筑物空調的初投資與綜合運行費用。本文以實際設計方案為例，對不同制冷機冷源與熱泵熱源來源方案進行了綜合性經濟分析、比較，從而得出結論：用“熱源塔熱泵”系統可實現冷暖空調衛生熱水三聯供，的確是一個經濟合理的方案。
熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發冷卻熱回收制冷機，可以向酒店免費提供衛生熱水和桑拿熱水；過度季節制取衛生熱水時產生的冷量可供餐廳、娛樂及多功能廳空調免費利用；冬季熱泵的低品位熱源來自高效寬帶無霜熱源塔系統，可有效地保障熱泵供暖及衛生熱水所需要的低品位熱源。
在無鍋爐等輔助熱源條件下，熱源塔熱泵經受住南方五十年一遇的冰凍期考驗，室內供暖溫度達到30℃，熱水45℃以上。系統運行可靠維修量小，這種無需設計鍋爐、水源和地埋管等輔助熱源系統的熱泵，初投資經濟合理，室內外機械設備綜合占地面積都比較小、節能效果明顯，以及對周圍環境影響符合國家環保標準的空調冷（熱）源來源方式，值得和家交流探討。
關鍵詞：熱源塔、冷（熱）源、熱源塔熱泵
1.工程概況
桐廬酒店位于城市發展的商業中心——杭州市桐廬縣城區。桐廬酒店是按四星級酒店標準設計的集客房、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。地上建筑面積：34210m2.地下建筑面積：3160m2.夏季制冷負荷為2500KW，冬季供熱負荷為2000KW.單位面積冷指標為70.4W/m2.單位面積熱指標為58.5W/m2.熱水負荷為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
系統性能南方地區制冷負荷于供暖+熱水負荷的20%左右，為維持地下土壤溫度場的平衡，實現經濟運行目的，設計采用混合源（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，在熱源溫度12～6℃條件下運行供熱雖有衰減，但仍能滿足2500KW供暖和熱水負荷的需求量。熱泵供熱性能系數COP值可達3.5以上，主要是依靠昂貴造價的地源埋管系統作陪襯，才能實現單項運行經濟指標的高效。
系統初投資 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，鉆機日進尺深度只有10米，井深造價超過100元/米。在型建筑物中用地緊張，單井深度可達到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組及冷（熱）源地源埋管系統的初投資為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系，隨室外溫度的升高而降低，機組消耗功率隨室外環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，南方地區受特定地質與氣候條件因素影響，成為冷暖氣流對峙區“低溫高濕”，空氣中低品位“潛熱”含量高，空氣源熱泵因構造缺陷，不能有效地利用低品位熱源，持續期累計約50天左右（-5～2℃溫度有近10天左右，2～5℃溫度有近40天左右）。當空氣源熱泵迎面風速為2M/S時，室外空氣干球溫度在0～5℃，相對濕度>80%時結霜最為嚴重，此時平均每小時化一次霜，按現代技術不停機旁通換向化霜程序，一次化霜的時間不少于8分鐘左右（包括室內反向取熱）。空氣源熱泵在0～5℃條件下處于無霜至結滿霜與半結霜狀態下運行，供熱性能下降35～40%；化霜減少的供熱量達15～20%左右。因此，在最惡劣工況條件下空氣源熱泵機組的實際供熱輸出量，只有標準工況供熱量的50%左右，供熱性能系數COP平均只有1.5左右。
設計采用標準制冷量為3800KW空氣源熱泵機組加500KW輔助電加熱裝置，能夠滿足制熱最不利工況下供熱。根據渦旋壓縮機構造不適應空氣源熱泵結霜后，長期處在高壓差下運行，容易損壞等因素，應采用螺桿壓縮機組，空氣源熱泵主機方案初投資為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：夏季為高效水蒸發冷卻制冷機，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，需要按熱源塔實際使用工況設計熱泵工況，所以定位為熱源塔熱泵。
熱源塔熱泵工作原理：由熱源塔旋流風機擾動環境中“低溫高濕”空氣從塔體底部進入，經低溫寬帶換熱器底部迎風面逆向流通，形成傳熱面與環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器的低溫循環溶液（乙二醇稀釋溶液）從寬帶換熱器上部進液底部出液，獲得低于環境溫度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，環境溫度為2～5℃的持續時間為40天左右，占冬季低溫高濕天氣85%以上，是傳統窄帶空氣源熱泵結霜率較頻繁期。閉式熱源塔由于設計上采用了冷庫-15℃的低溫寬帶小溫差傳熱技術，比傳統窄帶空氣源熱泵結霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結霜機率。環境空氣溫度高于2.0℃以上時，空氣相對濕度較潛熱含量高，寬帶換熱器在進行熱交換時凝結水量，凝結水分離系統自動排出凝結水份。
人工無霜運行期：南方冬季，環境空氣溫度低于1.0℃以下時的累計時間約10天左右，為防止負溫度濕空氣遇冷（低溫寬帶換熱器）結霜，負溫度噴淋裝置根據智能控制要求，自動噴淋環保防凍溶液（選用食品行業用無毒、無腐蝕、環保的防凍液）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。
熱源塔熱泵方案 經慎重考慮科學論證后，最后提出一種介于水冷卻制冷機節能與無霜空氣源熱泵之間的組合制冷與熱泵系統。經多方面研究與網上市場調查了解到，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，傳統風冷熱泵夏季制冷能耗高、冬季供熱翅片換熱器易結霜降低換熱效率、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冷卻制冷機，冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵，經受住南方五十年一遇的冰凍期考驗，客房供暖溫度達到30℃、熱水45℃以上。熱源塔熱泵冷、暖空調和熱水三聯供一機三用，無需輔助熱源，節能環保、高效，且初投資合理，熱源塔熱泵冷（熱）源系統造價為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。
② 對比空氣源熱泵方案減少初投資271.65 萬元。減少年還貸利息28.41 萬元，年節能耗減少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。
結論
通過對不同熱泵及冷（熱）源系統方案進行的綜合經濟分析不難看出，熱源塔熱泵冷（熱）源系統作為中型建筑物（特別是酒店服務業）中央空調系統的冷（熱）源具有明顯的初投資低、節能和性能穩定優勢。不受區域地質及自然環境的限制，在氣候適宜的長江流域以南地區可在冬、夏過度季節共用，省去了鍋爐設備、水源和地埋管等輔助冷（熱）源系統，符合我國南方地理情況。一機三用，設備利用率高。
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計，吸取低品位熱源能力比窄帶空氣源熱泵換熱器結霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結霜機率。在環境負溫度運行期間，設計有噴淋防霜系統以及旋流汽液分離消噪系統，有效地控制了對環境的污染。
熱源塔熱泵系統全年可比混合源地源熱泵系統年節約綜合運行費用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，熱源塔熱泵系統在氣候適宜的長江流域以南地區中型建筑中可以廣泛地應用。
熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發冷卻熱回收制冷機，可以向酒店免費提供衛生熱水和桑拿熱水；過度季節制取衛生熱水時產生的冷量可供餐廳、娛樂及多功能廳空調免費利用；冬季熱泵的低品位熱源來自高效寬帶無霜熱源塔系統，可有效地保障熱泵供暖及衛生熱水所需要的低品位熱源。
在無鍋爐等輔助熱源條件下，熱源塔熱泵經受住南方五十年一遇的冰凍期考驗，室內供暖溫度達到30℃，熱水45℃以上。系統運行可靠維修量小，這種無需設計鍋爐、水源和地埋管等輔助熱源系統的熱泵，初投資經濟合理，室內外機械設備綜合占地面積都比較小、節能效果明顯，以及對周圍環境影響符合國家環保標準的空調冷（熱）源來源方式，值得和家交流探討。
關鍵詞：熱源塔、冷（熱）源、熱源塔熱泵
1.工程概況
桐廬酒店位于城市發展的商業中心——杭州市桐廬縣城區。桐廬酒店是按四星級酒店標準設計的集客房、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。地上建筑面積：34210m2.地下建筑面積：3160m2.夏季制冷負荷為2500KW，冬季供熱負荷為2000KW.單位面積冷指標為70.4W/m2.單位面積熱指標為58.5W/m2.熱水負荷為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
系統性能南方地區制冷負荷于供暖+熱水負荷的20%左右，為維持地下土壤溫度場的平衡，實現經濟運行目的，設計采用混合源（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，在熱源溫度12～6℃條件下運行供熱雖有衰減，但仍能滿足2500KW供暖和熱水負荷的需求量。熱泵供熱性能系數COP值可達3.5以上，主要是依靠昂貴造價的地源埋管系統作陪襯，才能實現單項運行經濟指標的高效。
系統初投資 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，鉆機日進尺深度只有10米，井深造價超過100元/米。在型建筑物中用地緊張，單井深度可達到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組及冷（熱）源地源埋管系統的初投資為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系，隨室外溫度的升高而降低，機組消耗功率隨室外環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，南方地區受特定地質與氣候條件因素影響，成為冷暖氣流對峙區“低溫高濕”，空氣中低品位“潛熱”含量高，空氣源熱泵因構造缺陷，不能有效地利用低品位熱源，持續期累計約50天左右（-5～2℃溫度有近10天左右，2～5℃溫度有近40天左右）。當空氣源熱泵迎面風速為2M/S時，室外空氣干球溫度在0～5℃，相對濕度>80%時結霜最為嚴重，此時平均每小時化一次霜，按現代技術不停機旁通換向化霜程序，一次化霜的時間不少于8分鐘左右（包括室內反向取熱）。空氣源熱泵在0～5℃條件下處于無霜至結滿霜與半結霜狀態下運行，供熱性能下降35～40%；化霜減少的供熱量達15～20%左右。因此，在最惡劣工況條件下空氣源熱泵機組的實際供熱輸出量，只有標準工況供熱量的50%左右，供熱性能系數COP平均只有1.5左右。
設計采用標準制冷量為3800KW空氣源熱泵機組加500KW輔助電加熱裝置，能夠滿足制熱最不利工況下供熱。根據渦旋壓縮機構造不適應空氣源熱泵結霜后，長期處在高壓差下運行，容易損壞等因素，應采用螺桿壓縮機組，空氣源熱泵主機方案初投資為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：夏季為高效水蒸發冷卻制冷機，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，需要按熱源塔實際使用工況設計熱泵工況，所以定位為熱源塔熱泵。
熱源塔熱泵工作原理：由熱源塔旋流風機擾動環境中“低溫高濕”空氣從塔體底部進入，經低溫寬帶換熱器底部迎風面逆向流通，形成傳熱面與環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器的低溫循環溶液（乙二醇稀釋溶液）從寬帶換熱器上部進液底部出液，獲得低于環境溫度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，環境溫度為2～5℃的持續時間為40天左右，占冬季低溫高濕天氣85%以上，是傳統窄帶空氣源熱泵結霜率較頻繁期。閉式熱源塔由于設計上采用了冷庫-15℃的低溫寬帶小溫差傳熱技術，比傳統窄帶空氣源熱泵結霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結霜機率。環境空氣溫度高于2.0℃以上時，空氣相對濕度較潛熱含量高，寬帶換熱器在進行熱交換時凝結水量，凝結水分離系統自動排出凝結水份。
人工無霜運行期：南方冬季，環境空氣溫度低于1.0℃以下時的累計時間約10天左右，為防止負溫度濕空氣遇冷（低溫寬帶換熱器）結霜，負溫度噴淋裝置根據智能控制要求，自動噴淋環保防凍溶液（選用食品行業用無毒、無腐蝕、環保的防凍液）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。
熱源塔熱泵方案 經慎重考慮科學論證后，最后提出一種介于水冷卻制冷機節能與無霜空氣源熱泵之間的組合制冷與熱泵系統。經多方面研究與網上市場調查了解到，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，傳統風冷熱泵夏季制冷能耗高、冬季供熱翅片換熱器易結霜降低換熱效率、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冷卻制冷機，冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵，經受住南方五十年一遇的冰凍期考驗，客房供暖溫度達到30℃、熱水45℃以上。熱源塔熱泵冷、暖空調和熱水三聯供一機三用，無需輔助熱源，節能環保、高效，且初投資合理，熱源塔熱泵冷（熱）源系統造價為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。
② 對比空氣源熱泵方案減少初投資271.65 萬元。減少年還貸利息28.41 萬元，年節能耗減少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。
結論
通過對不同熱泵及冷（熱）源系統方案進行的綜合經濟分析不難看出，熱源塔熱泵冷（熱）源系統作為中型建筑物（特別是酒店服務業）中央空調系統的冷（熱）源具有明顯的初投資低、節能和性能穩定優勢。不受區域地質及自然環境的限制，在氣候適宜的長江流域以南地區可在冬、夏過度季節共用，省去了鍋爐設備、水源和地埋管等輔助冷（熱）源系統，符合我國南方地理情況。一機三用，設備利用率高。
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計，吸取低品位熱源能力比窄帶空氣源熱泵換熱器結霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結霜機率。在環境負溫度運行期間，設計有噴淋防霜系統以及旋流汽液分離消噪系統，有效地控制了對環境的污染。
熱源塔熱泵系統全年可比混合源地源熱泵系統年節約綜合運行費用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，熱源塔熱泵系統在氣候適宜的長江流域以南地區中型建筑中可以廣泛地應用。
