能源塔热泵三用

1以能源塔为冷热源的水源热泵、带水蓄能的空调、采暖、生活热水三用系统的可行性及其节能效果江苏省能源研究会太阳能利用专业委员会首席咨询顾问江苏省机械设计研究院暖通高级工程师国家公用设备设计注册工程师中国制冷学会高级会员林康立2摘要本文针对某酒店空调、采暖、生活热水热源三用系统的工程实例，可能实施5个方案的仔细分析研究和全年的能源消耗及特定的电、燃气或燃油价格下的费用的比较，以及通过对能源塔热泵冷热水机组和水源热泵热水机组的特性推算；水蓄冷（热）的设计计算；机组过冷热回收的计算以及能源冬季结霜量和融霜热的计算，证明由能源塔和水蓄冷所组成的水源热泵、带水蓄能的空调、采暖、生活热水三用联合系统的方案是可行的。该方案应用了各种可能的节能办法后比采用传统的水冷冷水机组供冷、燃油或燃气锅炉系统供热的方案（方案2）是大大的节能的，但比当前通常推行的水源热泵冷热水机组为冷热源（可以是土壤源热泵，也可以是地下水热泵、江河湖海的水源冷热水系统（方案3）；一般带热回收空气源热泵冷热水机组（方案4）和空气源热泵冷热水机组与热水机组的联合系统（方案5），在节能方面的优势并不十分明显。3摘要本方案1中利用了能源塔的专利技术，能源塔夏季作为冷却塔起到蒸发冷却排除空调系统的余热作用；冬季则成为吸取周围低温空气中热量作热泵制热的热源，取消了一般水源热泵必须的复杂取热设施。方案中采用了水蓄热和水蓄冷技术，可充分利用晚间低价谷电，“削峰填谷”，实现电力平均化和降低运行成本；方案又采用了水源热泵热水机组的全年供应50℃热水的生活热水系统，而制取生活热水的热源则是来自能源塔的空气和来自热泵机组液相制冷剂的过冷热（制冷机节能器）的回收。机组过冷热的回收可大大提高热泵机组制冷、制热效果。本方案1完全没有采用电能、燃油、燃气等高位能源为三用联合系统的辅助热源。本方案1也适用于原先采用传统的水冷冷水机组加锅炉的空调及生活热水的冷热源的改造，在原有的水冷冷水机组上加装某单位研制的能量转换装置和制冷机节能器，就可以改造称为“水源热泵”的冷热水机组，再配置相应的能源塔，就构成了空调用能源塔热泵冷热水机组。“根据际高的资料认为：能源塔热泵系统可实施供暖，制冷和供热水，适合于-9℃以上长江流域潮湿地区，冬季COP大于风冷热泵达3.67。在地源热泵难以打井的地区可取代地源热泵”。4摘要本文指出，对于三用系统的技术经济性，必须在可靠的水，电，燃料价格的前提下，进行全年的能耗比较，也只有在空调、采暖、生活热水3个部分加起来的投入/产出比（总能效比）最高为最优方案，自然也应考虑主机设备的来源是否方便和一次投资及其回收年限的影响。本文仅在特定条件下进行分析比较的结论，有一定局限性，而其真正目的是提供方法和思路，并要求对于空调，采暖，生活热水热源三用系统的方案，进行认真的技术经济比较，以推进应用热泵技术节能的发展。•51.概况设某酒店的建筑总面积为5000平方米，共有150个标准客房，满员客人为300人，原设计采用传统的水冷冷水机组作为夏季空调冷源，燃油锅炉产生蒸汽为热源。现为了节能减排的要求，决定采用能源塔热泵冷热水机组为空调系统的冷热源；采用水源热泵热水机组制生活热水，并采用水蓄冷和水蓄热的办法，避开白天的用电高峰，达到“削峰填谷”的目的，尽量利用低价的谷电，进一步降低运行的成本。为此，对此方案的技术经济效果进行论证，比较。2.设计数据2.1建设地点：南京市北纬32o00′东经118o48′2.2年平均温度15.4℃2.3冬季空调室外计算干球温度－6℃；夏季空调室外计算干球温度35℃，湿球温度28.3℃3.空调负荷和热水3.1年度按季空调负荷和热水负荷（见表3.1）6名称单位夏季（138天）春秋季（122天）冬季（105天）月份56789345101112123月平均气温℃19.924.52827.822.78.414.819.916.910.54.423.88.4季节平均气温及相对湿度℃%25.18014.06754.173季节平均湿球温度℃22.6411.662.03不冻液温度*℃18.122.730.230.821.212.318.318.116.512.94.40.06.012.3不冻液季节出塔平均温度℃采用蒸发冷却，出塔温度高于湿度23从环境空气中取热，出塔温度低于环境空气12.5从环境空气中取热，出塔温度低于环境空气2运行工况制空调用冷水及生活热水水源热泵制空调冷水水蓄冷水源热泵热水机组联合制生活热水水源热泵热水机组热源可应用蓄能水池内冷水制热水，同时将部分水池内的冷水进一步降温，减少制空调冷水的负荷空调停用，仅制生活热水水源热泵热水机组制生活热水水源热泵热水机组热源可应用蓄能水池水或能源塔的不冻液制空调用热水及生活热水水源热泵制空调热水水蓄热水源热泵热水机组制生活热水水源热泵热水机组热源可应用蓄能水池热水或能源塔的不冻液自来水温度℃2415.57空调额定冷负荷KW1163－－空调额定日总冷负荷kW.hr20079--空调额定热负荷KW－－930空调额定日总热负荷kW.hr--18601日用热水量升36000最大小时供热水量升9000供热水温度℃50日热水总用热量KW.hr108814441800最大小时制热功率KW272361450表3.1空调与热水负荷空调和热水负荷的计算如下：全年分三个季节，夏季138天，春秋季122天，冬季105天，求出平均气温，自来水温，不冻液温。得到空调额定冷负荷1163千瓦；空调额定热负荷930千瓦。空调日用总冷量20000千瓦小时；空调日用总热负荷18600千瓦小时。生活热水日供应量36吨，水温50℃，热水日用热量夏季1088千瓦小时；春秋季1444千瓦小时；冬季1800千瓦小时。运行策略1.夏季：制空调用冷水及生活热水；水源热泵制空调冷水；水蓄冷；水源热泵热水机组联合制生活热水；水源热泵热水机组热源可应用蓄能水池内冷水制热水，同时将部分水池内的冷水进一步降温，减少制空调冷水的负荷。2.春秋季：空调停用，仅制生活热水；水源热泵热水机组制生活热水；水源热泵热水机组热源可应用蓄能水池水或能源塔的不冻液。3.冬季：制空调用热水及生活热水；水源热泵制空调热水；水蓄热；水源热泵热水机组制生活热水；水源热泵热水机组热源可应用蓄能水池热水或能源塔的不冻液。78••钟点数24/0123456789101112占满负荷的%50505050505054546876798290kW5825825825825825826286287918849199541047钟点数1314151617181920212223占满负荷的%9510010010090908682656055kW11051163116311631047104710009547566986403.2夏季空调日小时冷负荷变化情况表3.2夏季日空调冷负荷变化表93.3冬季空调日小时热负荷变化情况表3.3冬季日空调热负荷变化表钟点数24/0123456789101112占满负荷的%10010010010010010090858080707060kW930930930930930930837791744744651651558钟点数1314151617181920212223占满负荷的%5050507080809095100100100kW465465465651744744837884930930930104.设计说明4.1概述本设计方案决定采用能源塔热泵冷热水机组为空调系统的冷热源；采用水源热泵热水机组制生活热水，并且运用水蓄冷和水蓄热的办法，避开白天的用电高峰，达到“削峰填谷”的目的，尽量利用低价的谷电，进一步降低运行的成本。首先对原先设计的空调水冷冷水机组加装某单位研制的“能量转换装置”及“制冷机节能器”使之成为一台可进行蒸发器和冷凝器切换不冻液源的类似于水源热泵的“不冻液热泵冷热水机组”；该机组可在夜间利用谷电制冷（热）水，并可蓄存在蓄能水池中。水蓄冷（热）设计采用分量蓄能的方案，即按照夜间8小时利用谷电全额运行热泵机组，制备冷热水蓄存于水池中；在负荷高峰时段靠机组和蓄能水池同时供应来满足空调用冷热量。水源热泵冷热水机组全日运行。由于采用分量蓄能，可减低空调用冷热水机组的用量（出力）。本设计中，水源热泵热水机组，可在原设计选用的冷水机组上加装“制冷机节能器”使之成为一台蒸发器通入不冻液或蓄热水池的温水被吸热和冷凝器出生活热水的水源热泵热水机组。水源热泵热水机组的热源应用能源塔的不冻液（在夏季和春秋季）和蓄能水池来的温水（冬季极冷季节，短期使用。）。视情况需要，水源热泵热水机组在夏季和春秋季也可应用蓄能水池的水为热源。本设计中，对空调用水源热泵冷热水机组和热水用水源热泵热水机组均进行机组内部循环工质--液态氟利昂过冷热的回收（通过外置的“制冷机节能器”），这一方面可增加机组的制冷量和制热量，也相应减少了耗电量；另一方面利用回收的液氟过冷热量预热生活热水系统的补水，减小热泵热水系统的电耗，并可利用回收热量所加热的热水作为能源塔冬季除霜的喷淋水（喷淋后的水直接排放不再回收）。11进行方案的技术经济比较时，所选机组的特性很重要，在厂家无法提供数据时，只有进行推算。下面是推算的结果。4.2能源塔热泵冷热水机组和水源热泵热水机组的初选及推算特性4.2.1选用仿清华同方活塞式水源热泵机组GHP600型机组的能源塔热泵冷热水机组2台，对其特性进行推算，其结果如表4.1A、B。。不冻液初温℃1518202325273032不冻液终温℃2023252830323537制冷%10910610210098969492kW667.1648.7624.2612599.8587.5575.3563.0输入功率%919499100103107113117kW111.02114.68120.78122125.66130.54137.86142.74能效比EER%6.015.665.175.024.774.504.173.94注：1）制冷时，冷凝器的冷却水（即不冻液）温升取5℃；空调冷水温度取7℃。2）本机组的特性为推算值。表4.1A能源塔热泵冷热水机组GHP600型的推算特性(制冷时)12不冻液初温℃-10-5025101520不冻液终温℃-15-10-5-3051015制热%324557627085100115kW224315399434490595700805输入功率%83.2786.6289.9791.1793.3296.67100103.35kW142.39148.12153.85155.90159.58165.31171176.73性能系数COP%1.572.132.592.783.073.604.094.55表4.1B能源塔热泵冷热水机组GHP600型的推算特性(制热时)注：1）制热时，蒸发器的水源（即不冻液）温降取5℃；冷凝器出口热水温度取50℃。2）本机组的特性为推算值。134.2.2选用仿清华同方水源热泵机组TFS-SSR1280型机组的水源热泵热水机组2台，对其特性进行推算，结果见表4.2：热源水（不冻液）初温℃-50251015202530热源水（不冻液）终温℃-10-5-30510152025制热量%264552637485100104110kW13.5423.0426.6632.0837.8643.6451.253.1856.35吸热量%73140536781100105112kW2.9412.3615.9521.3427.0532.7740.2742.1945.29输入功率kW10.6010.6810.7010.7410.8110.8710.9310.9911.06性能系数COPH%1.282.162.492.993.504.014.684.845.09表4.2水源热泵热水机组的推算特性（热水出口温度为50℃时）144.3水蓄冷（热）的设计计算4.3.1本设计采用分量蓄冷（热）的方案，空调冷负荷日逐时变化值和空调热负荷日逐时变化值可见表3.2和表3.3。本例中,充分利用夜间8小时的低谷电，开启冷热水机