中央空调热泵冷热源方案浅析.docx
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中央空调热泵冷热源方案浅析
中央空调热泵冷热源方案浅析
内容摘要冷(热)源来源经济与否直接关系建筑物空调的初投资与综合运行费用。
本文以实际设计方案为例,对不同制冷机冷源与热泵热源来源方案进行了综合性经济分析、比较,从而得出结论:
用“热源塔热泵”系统可实现冷暖空调卫生热水三联供,的确是一个经济合理的方案。
热源塔热泵夏季为高效水蒸发冷却热回收制冷机,可以向酒店免费提供卫生热水和桑拿热水;过度季节制取卫生热水时产生的冷量可供餐厅、娱乐及多功能厅空调免费利用;冬季热泵的低品位热源来自高效宽带无霜热源塔系统,可有效地保障热泵供暖及卫生热水所需要的低品位热源。
在无锅炉等辅助热源条件下,热源塔热泵经受住南方五十年一遇的冰冻期考验,室内供暖温度达到30℃,热水45℃以上。
系统运行可靠维修量小,这种无需设计锅炉、水源和地埋管等辅助热源系统的热泵,初投资经济合理,室内外机械设备综合占地面积都比较小、节能效果明显,以及对周围环境影响符合国家环保标准的空调冷(热)源来源方式,值得和大家交流探讨。
关键词:
热源塔、冷(热)源、热源塔热泵
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。
地上建筑面积:
34210m² 。
地下建筑面积:
3160m² 。
夏季制冷负荷为2500KW,冬季供热负荷为2000KW。
单位面积冷指标为70.4W/m²。
单位面积热指标为58.5W/m²。
热水负荷为5000KW/天。
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(详见表1)。
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+R Q0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(详见表1)。
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(见图1)。
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℃ (见图2),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)。
吉首市金煌大酒店热源塔热泵系统性能 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(详见表1)。
2.4不同冷(热)源及机组配置初投资分析表
不同冷(热)源及机组配置初投资表 单位万元 表1
序号
对比项目
单位
1、混合源地源热泵方案
2、空气源热泵方案
3、热源塔热泵方案
配置
单价
投资
配置
单价
投资
配置
单价
投资
1
满液螺杆机组
KW
2500
0.0800
200.0
3000
0.1680
504.0
2800
0.0850
238.0
2
螺杆热水机组
KW
500
0.0850
42.5
800
0.1780
142.4
650
0.0950
61.75
3
地源热井埋管
M
34000
0.0130
442.0
4
闭式冷却塔
T
160
0.1600
25.6
5
闭式热源塔
KW
2600
0.0500
130.0
6
地源防霜系统
M²
500
0.0300
15.0
7
辅助电热投资
500
0.1400
70.0
8
合 计
710.1
716.4
444.75
9
比方案3多投资
265.35
271.65
10
年还贷款利息为
10.46%
27.76
10.46%
28.4
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。
混合源热泵冷(热)源冷暖空调、热水系统能耗 表2
项目/月份
夏季空调区域控制制冷负荷
冬季空调区域控制供热负荷
耗电
KWH/年
05
06
07
08
09
10
11
12
01
02
03
04
系统空调 负荷
冷热源℃
20.1
24.7
32.2
32.8
23.5
16.5
10.9
10.0
8.0
8.0
6.0
6.0
空调负荷KW
1000
2000
2500
2500
2000
500
1700
2300
2500
2100
1700
1000
日运行时间
10
12
18
18
18
18
8
8
8
8
8
6
月空调负荷
310000
720000
1395000
1395000
1080000
270000
408000
570400
620000
470400
421600
186000
7846400
性能基数
压机EER/COP
6.20
5.96
5.26
5.26
5.96
6.40
3.73
3.73
3.51
3.51
3.29
3.29
负荷泵kwh
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
冷热源泵kwh
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
冷却塔kwh
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
系统能耗
螺杆压机kwh
50000
120805
265209
265209
181208
42188
109383
152922
176638
134017
128146
56535
1682261
负荷泵kwh
11470
26640
51615
51615
39960
9990
15096
21105
22940
17405
15599
6882
290317
冷热源泵kwh
9300
21600
41850
41850
32400
8100
12240
17112
18600
14112
12648
5580
235392
冷却塔kwh
2480
5760
11160
11160
8640
2160
41360
合计
2249330
空气源热泵冷(热)源冷暖空调、热水系统能耗 表3
项目/月份
夏季空调区域控制制冷负荷
冬季空调区域控制供热负荷
耗电
KWH/年
05
06
07
08
09
10
11
12
01
02
03
04
系统空调 负荷
冷热源℃
20.1
24.7
32.2
32.8
23.5
18.5
12.9
4.4
1.0
6.0
12.3
18.3
空调负荷KW
1000
2000
2500
2500
2000
500
1700
2300
2500
2100
1700
1000
日运行时间
10
12
18
18
18
18
8
8
8
8
8
6
月空调负荷
310000
720000
1395000
1395000
1080000
270000
408000
570400
620000
470400
421600
186000
7846400
性能基数
压机EER/COP
4.10
3.80
2.80
2.80
3.80
4.30
3.78
2.10
1.70
2.10
3.78
4.20
负荷泵kwh
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
机组风机kwh
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
系统能耗
螺杆压机kwh
75610
189474
498214
498214
284211
62791
107937
271619
364706
224000
111534
44286
2732595
负荷泵kwh
11470
26640
51615
51615
39960
9990
15096
21105
22940
17405
15599
6882
290317
机组风机kwh
6820
15840
30690
30690
23760
5940
8976
12549
13640
10349
9275
4092
172621
合计
3195532
热源塔热泵冷(热)源冷暖空调、热水系统能耗 表4
项目/月份
夏季空调区域控制制冷负荷
冬季空调区域控制供热负荷
耗电
KWH/年
05
06
07
08
09
10
11
12
01
02
03
04
系统空调 负荷
冷热源℃
18.1
22.7
30.2
30.8
21.5
16.5
12.9
4.4
1.0
6.0
12.3
18.3
空调负荷KW
1000
2000
2500
2500
2000
500
1700
2300
2500
2100
1700
1000
日运行时间
10
12
18
18
18
18
8
8
8
8
8
6
月空调负荷
310000
720000
1395000
1395000
1080000
270000
408000
570400
620000
470400
421600
186000
7846400
性能基数
压机EER/COP
6.50
6.29
5.54
5.54
5.96
6.60
3.73
3.26
2.79
3.26
3.73
4.30
负荷泵kwh
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
0.037
冷热源泵kwh
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
热源塔kwh
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
0.022
系统能耗
螺杆压机kwh
47692
114467
251805
251805
181208
42273
10938
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