热源塔热泵在空调工程中的实践应用

文章编号：CAR068热源塔热泵在空调工程中的实践应用方国明1张晨2（1桐庐好的大酒店有限公司，浙江3115002东华大学环境科学与工程学院，上海201620）摘要以“热源塔热泵”实际应用工程为例进行综合性经济分析、比较，认为“热源塔热泵”实现冷暖空调、卫生热水三联供系统节能效果明显，系统简洁、室内外设备占地面积都比较小、初投资经济合理、综合运行费用低，值得交流探讨。关键词热源塔热泵冷热源经济分析节能高效FangGuoming1ZhangChen2(1TonglugoodHotelCo.,Ltd.,Zhejiang311500；2CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620)AbstractTheeconomicanalysisofheat-sourcetowerheatpumpiscarriedoutwithsomepracticalexamples.Itisfoundthatthisnewdevicecouldsupplycoldandheatsourcefortheheating,ventilationandairconditioning(HVAC)systeminsummerandwinterrespectively,alsocouldsupplyhotwaterthroughouttheyear,showingpotentialprospects,suchasobviousenergy-saving,simplesystem,spaceandinvestmentssaving,lowoperatingcosts,etc,beingworthtobediscussedextensively.KeywordsHeat-sourcetowerheatpumpColdandheatsourceEconomicanalysisEnergy-savingandhighefficiency1热源塔热泵概述1.1热源塔热泵热源塔热泵是低品位热源提升设备，夏季为节能水冷却制冷机，冬季为高效宽带无霜空气源热泵。1.2热源塔热源塔是利用空气经过塔内空间的表面空隙逆向流通，形成液/气或气/换热器之间的接触面，完成显热交换（空气与溶液之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果）和潜热交换（是空气中的水蒸气凝结/蒸发而释放/吸收汽化潜热的结果）的换热装置。1.2.1开式热源塔热泵供冷、热工艺原理如图1所示，夏季为高效水冷却制冷机，冬季是将低于湿球温度的特制防冻溶液均匀喷淋在具有亲液性质填料层的凹凸形波板上，防冻溶液在亲液填料面形成液膜，空气则经多层凹凸形波板填料空间的表面空隙逆向流通，形成液/气之间的接触面。溶液在热源塔中热交换吸热主要是依靠表面液膜，总热交换是显热交换加潜热(或负值潜热)交换的代数和。防冻溶液的浓缩冬季-5~4℃低温及阴雨联绵期间，防冻溶液膜直接同空气进行显热与潜热换热的同时，凝结了空气中的水分，防冻溶液浓度下降，冰点上升。浓缩装置的作用是将稀释的防冻溶液浓缩使其冰点下降。开式热源塔热泵经济性能热源塔是按冬季小温差取热工况选型的，夏季散热能力大于传统的冷却塔，同时又进行热回收加热卫生热水，比冷却塔单冷螺杆制冷机提高效率5-10%以上；冬季在保持防冻溶液浓度的情况下避免了结霜、半结霜时的低效率和化霜的功耗，能持续正常供热，制热效率在环境温度0℃时，供暖45℃的情况下COP值高达3.0以上。图1开式热源塔热泵流程图运行管理防冻溶液膜直接与空气接触换热，防冻溶液浓度易受外界空气湿度变化影响，凝结水量大，使其冰点容易发生改变，因气候有周期性降温波动，需要认真监测防冻溶液浓度，长期启动浓缩装置浓缩，保持防冻溶液浓度比较困难。防冻液在开式运行时对管道和水泵等金属腐蚀也影响较大。综合管理相对繁琐，维护成本相对较高。系统适用性设计及配置合理的开式热源塔热泵系统广泛适用于长江流域以南地区。1.2.2闭式热源塔热泵供冷、热工艺原理图2闭式热源塔热泵流程图如图2所示，夏季为负压水蒸发冷却制冷机，冬季为闭式-10℃以下低温宽带换热器，空气则经多层宽带翅片换热器表面逆向流通，形成传热面与空气之间的显热与潜热的交换，获得低于环境温度2-3℃的溶液作为热源塔热泵的低品位可再生能源。防霜和防霜溶液浓缩环境空气温度高于1℃以上时属于无霜运行期，此时运行产生的大量凝结水通过控制阀门直接排放，当热泵检测到1℃以下低温位热源时，自动喷淋环保防霜溶液降低换热器表面冰点，此时防霜溶液通过阀门控制回流至溶液池，解决冬季10天左右的低温期运行除霜。环境温度1℃以下时相对湿度较低凝结水较少，采用大气回温浓缩装置来分离水份，保持防霜溶液浓度，确保在1℃以下恶劣工况下能连续正常供热。闭式热源塔热泵经济性能夏季为负压水冷却制冷机，运行时进行部分热回收免费提供卫生热水的热能，减少了制冷运行过程中热量的排放，降低了对环境的废热污染和卫生热水加热高品位能源消耗、废气排放，热回收还改善了冷凝器和机组的运行条件、延长了设备的使用寿命，提高了机组的运行效率，COP值可以提高10%-15%。并设计了旋流汽液分离消噪系统，有效地控制了水飘和风噪对环境的影响。过度季节制取卫生热水工况运行时免费提供各功能区域的空调冷量需求，而且还得到了比室外环境更理想的热源，运行效率比自然环境换热更高。冬季为闭式高效宽带无霜空气源热泵，采用宽带小温差传热设计的闭式热源塔，提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4~5℃，冬季85%的时间为无霜高效运行工况，降低了浓缩系统的运行功耗、防冻剂的损耗。制热效率在环境温度0℃时，供暖45℃的情况下COP值高达3.2以上。运行管理夏季制冷时系统为开式循环冷却，使用的是性能稳定的自来水。冬季采用闭式宽带高效换热器，管内防冻溶液依靠动力强制循环，流速快传热均匀效率高，溶液浓度不受外界空气湿度变化影响，其冰点性能稳定，防冻液在闭式运行时对管道和水泵等金属腐蚀影响很小。冷凝凝结水自动控制排放，低温期运行除霜时间短，保持防霜溶液浓度可靠，防霜溶液在换热器表面使用后阶段性地被冷凝水冲洗腐蚀影响也较小。综合管理方便，维护成本较低。系统适用性设计及配置合理的闭式热源塔热泵系统广泛适用于长江流域以南地区。2热源塔热泵的应用工程与使用性能2.1开式热源塔热泵应用工程与性能工程概况浙江舟山市普陀山大酒店（四星级酒店）座落于普陀山中心区——司基畈地段，占地面积约24亩。建筑面积：16800m²,酒店内设标准（包括无烟房）及各式套房共168间（套），并设有中餐厅、西餐厅、多功能厅及包厢12间，可接纳500人同时就餐，并配有会议中心、商务中心、商场及娱乐中心等多项配套设施,要求满足四星级酒店空调需求及每天提供生活热水80m3。系统设计采用“开式热源塔热泵，冷暖空调、热水三联供”系统，热泵机组设计容量，按夏季标准工况冷量采用360kW×3台、160kW×2台，开式热源塔：取热量750kW×2台。使用性能在改造前系统冷、热源使用的是水冷螺杆制冷机＋燃油锅炉。通过热源塔热泵机组改造后每年空调运行费用为120万元，比改造前节省50%。夏季：热源塔热泵机组360kW×3台运行制冷工况为酒店提供空调制冷，机组160kW×2台运行制冷工况为酒店提供空调制冷的同时通过热回收加热卫生热水，满足整个酒店卫生热水需求，多余的热量通过热源塔释放到大气中，空调冷冻水7~12℃，卫生热水50~55℃，卫生热水免费使用。过渡季节：热源塔热泵机组160kW×2台运行制热工况为酒店提供卫生热水，免费为酒店餐饮空调提供冷量（酒店餐饮部分一般在过渡季还需提供冷空调）。冬季：热源塔热泵机组360kW×3台运行制热工况为酒店提供空调制热，空调热水45~48℃，热源塔热泵机组160kW×2台制取酒店卫生热水，卫生热水50~55℃。开式热源塔其他应用工程：浙江息耒小庄度假村（五星级酒店），建筑面积20000m²。江都质检站（办公楼）4500m²。镇江阿得宝假日酒店（三星级酒店）6500m²。湖南永顺大酒店（酒店）8000m²等。2.2闭式热源塔热泵应用工程与性能工程概况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2300m²，其中客房80间，大堂150m²，茶艺中心95m²。每天生活热水需求量15m3，供暖温度要求28℃。系统设计采用“闭式热源塔热泵，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120kW机组二台。闭式热源塔：取热量100kW×2台。使用性能2008年初南方遭受了50年一遇的-1~-4℃冰冻期，闭式热源塔热泵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实际运行要求，平均日输出45℃生活热水15m3，客房供暖温度达到28~33℃，大堂供暖温度达到24~26℃。3不同冷、热源热泵方案比较3.1工程综合概况桐庐大酒店按五星级酒店标准设计集客房、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。地上建筑面积：43000m²。地下建筑面积：3160m²。3.2设计方案依据1）暖通设计规范《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005；《采暖通风与空气调节设计规GB50019-2003。2）区域气候条件根据气象台记载，2004-2008年冬季夜间低于0℃以下至-5℃气温约10天左右。其它气温多为0~8℃持续时间约80天左右。3）冷、热负荷参数空调使用面积：33325m2，依据计算，夏季逐时制冷高峰负荷为3155kW，单位使用面积冷指标为95W/m²。冬季逐时供热高峰负荷（含热水负荷）为2550kW，单位面积热指标（不含热水负荷）为56W/m²，每天生活热水需求为180m3。根据以上三项条件进行冷、热源方案设计。3.3热源塔热泵冷、热源方案1）热源塔设计方案:根据桐庐大酒店昀高供热负荷2550kW，热泵做功热量约占30%，设备安全系数为10%，热源塔容量配置为，2550×0.7×1.1=1963kW，需要热源塔从环境空气中采集不少于1963kW的低品位热源能力。选用模块化闭式热源塔350kW×6台，总低温位热源采集量为2100kW，分布安装在宽敞通风的场所。2）热源塔热泵设计方案:根据生活热水卫生要求：机组设计为独立的热水冷凝器，满液式螺杆热泵机组。选用1080kW×3台，其中一台冷暖空调为部分热回收热泵，另两台冷暖空调为双冷凝器热泵，机组夏季总制冷量为3240kW，冬季总供热量为2592kW。满足方案条件。3）系统初投资:热源塔2100kW×0.060万元/kW+热源塔热泵3240kW×0.095万元/kW=433.8万元。4）热源塔热泵运行费用(见表1)3.4空气源热泵冷、热源方案1）空气源热泵设计方案根据桐庐大酒店昀高供热负荷2550kW，选择空气源热泵方案，应按实际供热能力确定为：Q=Q0×δ+R，Q0为设定的标准制热量、δ为实际供热系数、R为辅助热源，Q0=3867kW，δ=0.53，R=500kW，Q=Q0×δ+R=3867kW×0.53+500kW=2550kW，选用标准供热量为3867kW满液式螺杆热泵热水机组，500kW辅助电加热装置，能够满足制热昀不利工况下供热。2）系统综合性能酷暑制冷，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，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%时结霜昀为严重，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