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【空調(diào)】中央空調(diào)熱泵冷熱源的解決方案與選擇
(時(shí)間:2012-1-9 9:26:55)
  冷(熱)源來源經(jīng)濟(jì)與否直接關(guān)系建筑物空調(diào)的初投資與綜合運(yùn)行費(fèi)用。本文以實(shí)際設(shè)計(jì)方案為例,對(duì)不同制冷機(jī)冷源與熱泵熱源來源方案進(jìn)行了綜合性經(jīng)濟(jì)分析、比較,從而得出結(jié)論:用“熱源塔熱泵”系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冷暖空調(diào)衛(wèi)生熱水三聯(lián)供,的確是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的方案。 
  熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發(fā)冷卻熱回收制冷機(jī),可以向酒店免費(fèi)提供衛(wèi)生熱水和桑拿熱水;過度季節(jié)制取衛(wèi)生熱水時(shí)產(chǎn)生的冷量可供餐廳、娛樂及多功能廳空調(diào)免費(fèi)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(tǒng),可有效地保障熱泵供暖及衛(wèi)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(jīng)受住南方五十年一遇的冰凍期考驗(yàn),室內(nèi)供暖溫度達(dá)到30℃,熱水45℃以上。系統(tǒng)運(yùn)行可靠維修量小,這種無需設(shè)計(jì)鍋爐、水源和地埋管等輔助熱源系統(tǒng)的熱泵,初投資經(jīng)濟(jì)合理,室內(nèi)外機(jī)械設(shè)備綜合占地面積都比較小、節(jié)能效果明顯,以及對(duì)周圍環(huán)境影響符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)冷(熱)源來源方式,值得和大家交流探討。 
  關(guān)鍵詞:熱源塔;冷(熱)源;熱源塔熱泵 
  1.工程概況 
  桐廬大酒店位于城市發(fā)展的商業(yè)中心——杭州市桐廬縣城區(qū)。桐廬大酒店是按四星級(jí)酒店標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的集客房、餐飲、娛樂、休閑、會(huì)議、辦公及商場為一體的多功能綜合性項(xiàng)目。 
  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(tǒng)性能南方地區(qū)制冷負(fù)荷大于供暖+熱水負(fù)荷的20%左右,為維持地下土壤溫度場的平衡,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的,設(shè)計(jì)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(biāo),在熱源溫度12~6℃條件下運(yùn)行供熱雖有衰減,但仍能滿足2500KW供暖和熱水負(fù)荷的需求量。熱泵供熱性能系數(shù)COP值可達(dá)3.5以上,主要是依靠昂貴造價(jià)的地源埋管系統(tǒng)作陪襯,才能實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的高效。 
  系統(tǒng)初投資近期原薩斯特地源埋管鉆井施工隊(duì)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(jī)日進(jìn)尺深度只有10米,井深造價(jià)超過100元/米。在大型建筑物中用地緊張,單井深度可達(dá)到80~100米,隨著井深增加巖層硬度會(huì)更高,井深造價(jià)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(jī)組及冷(熱)源地源埋管系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)系,隨室外溫度的升高而降低,機(jī)組消耗功率隨室外環(huán)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(qū)受特定地質(zhì)與氣候條件因素影響,成為冷暖氣流對(duì)峙區(qū)“低溫高濕”,空氣中低品位“潛熱”含量高,空氣源熱泵因構(gòu)造缺陷,不能有效地利用低品位熱源,持續(xù)期累計(jì)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(dāng)空氣源熱泵迎面風(fēng)速為2M/S時(shí),室外空氣干球溫度在0~5℃,相對(duì)濕度>80%時(shí)結(jié)霜最為嚴(yán)重,此時(shí)平均每小時(shí)化一次霜,按現(xiàn)代技術(shù)不停機(jī)旁通換向化霜程序,一次化霜的時(shí)間不少于8分鐘左右(包括室內(nèi)反向取熱)。空氣源熱泵在0~5℃條件下處于無霜至結(jié)滿霜與半結(jié)霜狀態(tài)下運(yùn)行,供熱性能下降35~40%;化霜減少的供熱量達(dá)15~20%左右。因此,在最惡劣工況條件下空氣源熱泵機(jī)組的實(shí)際供熱輸出量,只有標(biāo)準(zhǔn)工況供熱量的50%左右,供熱性能系數(shù)COP平均只有1.5左右。 
  系統(tǒng)初投資冬季酒店供熱需求量為2500KW,選擇空氣源熱泵方案,容量應(yīng)按實(shí)際供熱能力確定為:Q=Q0.δ+RQ0為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)供熱量、δ為實(shí)際供熱系數(shù)、R為輔助熱源; 
  Q0=3800KWδ=0.53R=500KWQ=Q0.δ+R=3800×0.53+500=2514KW設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)制冷量為3800KW空氣源熱泵機(jī)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(jù)渦旋壓縮機(jī)構(gòu)造不適應(yīng)空氣源熱泵結(jié)霜后,長期處在高壓差下運(yùn)行,容易損壞等因素,應(yīng)采用螺桿壓縮機(jī)組,空氣源熱泵主機(jī)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(fā)冷卻制冷機(jī),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(yùn)行,才能獲得較高的供熱性能系數(shù),需要按熱源塔實(shí)際使用工況設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)擾動(dòng)環(huán)境中“低溫高濕”空氣從塔體底部進(jìn)入,經(jīng)低溫寬帶換熱器底部迎風(fēng)面逆向流通,形成傳熱面與環(huán)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(fā)器的低溫循環(huán)溶液(乙二醇稀釋溶液)從寬帶換熱器上部進(jìn)液底部出液,獲得低于環(huán)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(yùn)行期:南方冬季,環(huán)境溫度為2~5℃的持續(xù)時(shí)間為40天左右,占冬季低溫高濕天氣85%以上,是傳統(tǒng)窄帶空氣源熱泵結(jié)霜率較頻繁期。閉式熱源塔由于設(shè)計(jì)上采用了冷庫-15℃的低溫寬帶小溫差傳熱技術(shù),比傳統(tǒng)窄帶空氣源熱泵結(jié)霜溫度下降了5~6℃,減少了85%的結(jié)霜機(jī)率。環(huán)境空氣溫度高于2.0℃以上時(shí),空氣相對(duì)濕度較大潛熱含量高,寬帶換熱器在進(jìn)行熱交換時(shí)凝結(jié)水量大,凝結(jié)水分離系統(tǒng)自動(dòng)排出凝結(jié)水份。 
  人工無霜運(yùn)行期:南方冬季,環(huán)境空氣溫度低于1.0℃以下時(shí)的累計(jì)時(shí)間約10天左右,為防止負(fù)溫度濕空氣遇冷(低溫寬帶換熱器)結(jié)霜,負(fù)溫度噴淋裝置根據(jù)智能控制要求,自動(dòng)噴淋環(huán)保防凍溶液(選用食品行業(yè)用無毒、無腐蝕、環(huán)保的防凍液)降低換熱器表面冰點(diǎn),待低溫期過后采用濃縮裝置分離水份。 
  2.3.2閉式熱源塔熱泵應(yīng)用案例與性能湖南吉首市金煌賓館,地處湘西山區(qū),冬季低溫高濕,夏季高溫酷暑?照{(diào)面積2300平方米,其中客房80間,大堂150平方米,茶藝中心95平方米。生活熱水需求量15噸/日,供暖溫度要求28℃。系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用“熱源塔熱泵冷暖空調(diào)熱水三聯(lián)供”系統(tǒng),熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)容量,按夏季標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量采用160KW機(jī)組二臺(tái)。 
  在廠家交貨前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量測試時(shí)發(fā)現(xiàn)每臺(tái)只有120KW/臺(tái)。比原設(shè)計(jì)配置減少了160×2-120×2=80KW,相當(dāng)于25%的設(shè)備容量配置。2008年南方遭受了50年一遇的-1~-4℃冰凍期,這個(gè)先天性不足的容量配置系統(tǒng),經(jīng)受了嚴(yán)峻的實(shí)際考驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量為120×2=240KW的機(jī)組在低溫位熱源進(jìn)水溫度為-5℃情況下,壓縮機(jī)自然衰竭要大于標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量的25%,實(shí)際工況供熱量為90×2=180KW.在冰凍期期間,由于熱源塔熱泵低溫位熱源來源穩(wěn)定,無霜運(yùn)行效率高滿足要求,平均日輸出45℃生活熱水15噸,客房供暖溫度達(dá)到28~33℃,大堂供暖溫度達(dá)到24~26℃。熱源塔熱泵性能,在“低溫高濕冰凍期”就閉式熱源塔而言,只要保障溶液冰點(diǎn)濃度,在-5℃低溫位熱源,輸出熱水45℃情況下,機(jī)組的供熱性能系數(shù)COP不低于3.0(實(shí)驗(yàn)室測試,傳統(tǒng)干式熱泵螺桿機(jī)組在給定-5℃低溫位熱源,輸出熱水52℃條件下,供熱性能系數(shù)COP不低于2.6)。 
  系統(tǒng)性能熱源塔熱泵夏季為高效水蒸發(fā)冷卻制冷機(jī),冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵。由冷熱源吸收設(shè)備——閉式熱源塔和低位熱源提升設(shè)備——低熱源熱泵組成。環(huán)境空氣溫度高于1.5℃以上時(shí)屬于無霜運(yùn)行期,環(huán)境空氣溫度低于1.5℃以下時(shí)累計(jì)時(shí)間約10天左右,為防止零下溫度濕空氣遇蒸發(fā)器結(jié)霜,系統(tǒng)負(fù)溫度防霜系統(tǒng)自動(dòng)噴淋環(huán)保防凍溶液降低換熱器表面冰點(diǎn),待低溫期過后采用濃縮裝置分離水份,保障了熱源塔熱泵在最惡劣工況下0~5℃供熱性能系數(shù)COP值不低于3.2.系統(tǒng)初投資冬季酒店供熱需求量為2500KW,選擇熱源塔熱泵方案,容量應(yīng)按實(shí)際供熱能力確定為:Q=Q0.δ+RQ0為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)制冷量、δ為實(shí)際供熱系數(shù)、R為輔助熱源; 
  Q0=3450KWδ=0.75R=0KWQ=Q0.δ+R=3450×0.75+0=2587KW設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)供熱量為3450KW熱泵熱水機(jī)組,能夠滿足制熱最不利工況下供熱。系統(tǒng)應(yīng)采用滿液式螺桿壓縮機(jī)組,熱源塔熱泵及冷(熱)源初投資方案為445萬元左右。 
  小結(jié):混合源地源熱泵冷(熱)源與初投資710.00萬元左右;空氣源熱泵方案初投資為716.00萬元左右;熱源塔熱泵及冷(熱)源初投資方案為445.00萬元左右,是三個(gè)空調(diào)方案中最低的。 
  3.不同冷(熱)源熱泵方案能耗比較在對(duì)方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)性比較時(shí),首先應(yīng)注意比較基準(zhǔn)的基本一致。 
  應(yīng)用相同設(shè)備檔次、能源價(jià)格等基準(zhǔn)條件進(jìn)行比較,才能保證比較結(jié)果的科學(xué)性和合理性。對(duì)比方案全部采用滿液式螺桿機(jī)組。 
  4.不同冷(熱)源熱泵方案選擇與確定 
  4.1混合源地源熱泵方案最初的設(shè)計(jì)方案是采用地下水源熱泵機(jī)組,由于項(xiàng)目建筑紅線建筑范圍內(nèi),場地基礎(chǔ)地質(zhì)巖體廣布,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,經(jīng)水文地質(zhì)勘測找不到足夠的地下水源來作為熱泵系統(tǒng)的冷(熱)源,而地源土壤源打孔費(fèi)用和機(jī)組造價(jià)高達(dá)710.00萬元左右,對(duì)比熱源塔熱泵節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)增加初投資265.35萬元,年支付貸款利息為27.76萬元,全年節(jié)能回報(bào)只有5.85萬元左右。且本項(xiàng)目又處在市中心,沒有足夠可利用的空地打孔。因此,地下水源、地下土壤源冷(熱)源方案雖然節(jié)能,沒有成熟可靠的條件使用。更何況節(jié)能費(fèi)用尚不能抵消增加的初投資貸款利息。 
  4.2空氣源熱泵方案在地源熱泵方案被否定后,考慮采用空氣源來作為來作為熱泵系統(tǒng)的冷(熱)源方案。夏季,空氣源熱泵的冷源來自空氣冷卻,空氣源動(dòng)力風(fēng)機(jī)的噪聲也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境及酒店自身產(chǎn)生影響,冷卻效果受“高溫酷暑”環(huán)境溫度影響,最惡劣工況時(shí)能效比只有EER=2.5左右,比水蒸發(fā)冷卻增加了近一倍的能耗。冬季,空氣中低位“潛熱”含量高,空氣源熱泵因構(gòu)造缺陷不能有效地利用低位熱源,結(jié)霜降低機(jī)組換熱效率,而除霜既要耗能又影響連續(xù)供暖能力;當(dāng)室外溫度過低,會(huì)使機(jī)組保護(hù)停機(jī)不能正常工作,即使可以工作,其效率也很低,影響酒店的正常經(jīng)營。而其空氣源熱泵螺桿機(jī)組造價(jià)高達(dá)716.00萬元左右,對(duì)比熱源塔熱泵節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)增加初投資271.65萬元,年支付貸款利息為28.4萬元,全年能耗對(duì)比其它節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)增加71.27萬元左右。  
  4.3熱源塔熱泵方案經(jīng)慎重考慮科學(xué)論證后,最后提出一種介于水冷卻制冷機(jī)節(jié)能與無霜空氣源熱泵之間的組合制冷與熱泵系統(tǒng)。經(jīng)多方面研究與網(wǎng)上市場調(diào)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(jià)高,傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵夏季制冷能耗高、冬季供熱翅片換熱器易結(jié)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(fā)冷卻制冷機(jī),冬季為高效寬帶無霜空氣源熱泵,經(jīng)受住南方五十年一遇的冰凍期考驗(yàn),客房供暖溫度達(dá)到30℃、熱水45℃以上。熱源塔熱泵冷、暖空調(diào)和熱水三聯(lián)供一機(jī)三用,無需輔助熱源,節(jié)能環(huán)保、高效,且初投資合理,熱源塔熱泵冷(熱)源系統(tǒng)造價(jià)為445.00萬元左右,與其它熱泵方案對(duì)比如下: 
  ①對(duì)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(shí)際比混合源地源熱泵方案年減少21.91萬元的費(fèi)用。 
  ②對(duì)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(jié)能耗減少71.27萬元左右,實(shí)際比空氣源熱泵方案年減少99.68萬元的費(fèi)用。 
  5.結(jié)論  
  通過對(duì)不同熱泵及冷(熱)源系統(tǒng)方案進(jìn)行的綜合經(jīng)濟(jì)分析不難看出,熱源塔熱泵冷(熱)源系統(tǒng)作為大中型建筑物(特別是酒店服務(wù)業(yè))中央空調(diào)系統(tǒng)的冷(熱)源具有明顯的初投資低、節(jié)能和性能穩(wěn)定優(yōu)勢。不受區(qū)域地質(zhì)及自然環(huán)境的限制,在氣候適宜的長江流域以南地區(qū)可在冬、夏過度季節(jié)共用,省去了鍋爐設(shè)備、水源和地埋管等輔助冷(熱)源系統(tǒng),符合我國南方地理情況。一機(jī)三用,設(shè)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(fēng)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(shè)計(jì),吸取低品位熱源能力比窄帶空氣源熱泵換熱器結(jié)霜溫度下降了5~6℃,減少了85%的結(jié)霜機(jī)率。在環(huán)境負(fù)溫度運(yùn)行期間,設(shè)計(jì)有噴淋防霜系統(tǒng)以及旋流汽液分離消噪系統(tǒng),有效地控制了對(duì)環(huán)境的污染。 
  熱源塔熱泵系統(tǒng)全年可比混合源地源熱泵系統(tǒng)年節(jié)約綜合運(yùn)行費(fèi)用11.6%左右,減少初投資265.35萬元;比空氣源熱泵年節(jié)約綜合運(yùn)行費(fèi)用61%左右,減少初投資271.65萬元。因此,熱源塔熱泵系統(tǒng)在氣候適宜的長江流域以南地區(qū)大中型建筑中可以廣泛地應(yīng)用。 

 



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