桐庐大酒店热泵空调冷(热)源方案浅析

 

湖南热源塔热泵技术研究所 刘秋克

浙江桐庐好的大酒店有限公司 方国明

 

热泵空调冷(热)源来源是否经济合理，直接关系建筑物空调运营后的经营管理成本，热源塔热泵技术应用，涉及到降低我国长江流域以南地区建筑物空调25—30%的运行能耗。是针对我国南方地区冬季“低温高湿”气候条件而研究开发的高性能低品位热源热泵。热泵通过输入少量的高品位能，实现低品位能量向高温位的转移，为建筑物空调节能减排提供一种经济性能优越的制冷与供热装置。

 

冬季北方冷空气越过长江流域南下，分别受到云南高原、川西高原、武夷山脉和南岭山脉的阻挡滞留，来自孟加拉湾的西南暖湿气流、来自南海的偏南暖湿气流、来自西北太平洋西侧的东南暖湿气流与滞留区冷空气汇合，使南方的广大地区成为冷暖气流对峙区，“低温高湿”成为长江流域以南地区特定的气候条件。 冬季2～－5℃的空气温度有近10天左右，2～5℃的空气温度有近40天左右。

低温高湿空气中“潜热”含量高蕴藏了无限的低温位能，由于传统空气源热泵延用的是美国和日本气候条件下的技术，因窄翅片构造缺陷和设计的蒸发器传热温差大，不适宜在低温高湿的气候条件下运行会出现过早结霜低效率的现象，更严重的是会造成压缩机长期处在高压差下运行，损坏率高。 而辅以高品位电热能及矿物燃料为辅助热源，能耗高污染环境。因此，寻求适合于我国南方“低温高湿”气候条件的低品位热源吸收设备，成为行业节能减排关注的焦点。

一种能从“低温高湿”空气中高效吸收提升低品位热源的装置即“热源塔热泵”将成为长江流域以南地区建筑物空调的设计主流。 

 

 

热源塔热泵是低品位热源提升设备，夏季为负压蒸发水冷却制冷机，冬季为高效宽带无霜空气源热泵。

 

1)技术起源  从低温高湿空气中吸收“潜热与显热”技术起源于上世纪九十年代冷却塔取热作为热泵热源，技术主要应用在我国珠江三角洲流域即广州市和南宁市以南地区，因环境温度比较高经济性能好。

2)热源塔定议  2003年国内研究学者刘秋克先生应用冷却塔取热作为热泵热源应用在长三角地区，由于长三角地区冬季气温远低于珠三角地区，用冷却塔取热不能达到预期效果。研究过程中发现冷却塔是按夏季蒸发冷却设计的参数，用于冬季吸收低温位能无技术依据。主要问题是环境空气温度与冷却塔出水温度相差较大，导致热泵性能系数低。刘秋克先生提出应按冬季吸收低温位热源能力设计塔的参数，为了区分与冷却塔不同的设计参数便于设备选型，定议为“热源塔”概念，2004年在国内科技网上招标。

3)初期热源塔热泵  2005年一个巧遇刘秋克先生进入湖南湘西云贵高原地区，开始了第一代热源塔热泵的研究，但由于只是采用加大冷却塔容量+盐类防冻循环溶液来吸收环境空气中的低温位热源，解决了低温位热源来源问题（见图1）。但是由于冷却塔结构普遍存在的漂水变成了漂溶液现象，防冻溶液损失量大。防冻溶液在塔内与填料层面形成液膜，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/气之间的接触面交换的同时，吸收了环境空气中的水分，防冻溶液被稀释需要不断的补充调整溶液浓度。由于塔漂溶液严重限制了高成本环保防冻溶液的使用，只有采用低廉的氯化物防冻溶液作为传热介质，氯化物防冻溶液与空气瀑气后溶解氧增加加速了设备的腐蚀和对环境的污染。2006年刘秋克先生不得不否认采用加大冷却塔得容量来定位“热源塔”取热技术的研究是不成功的错误的，开始了真正意义上“热源塔热泵”设备产品结构上的研究和氮类环保防冻溶液的开发（祥见2.3 热源塔热泵制冷供热工艺原理）。

1)热源塔热泵制冷供热工艺原理（见图2）夏季为负压蒸发水冷却制冷机，冬季为闭式－20℃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。

2)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，此时凝结水控制阀关闭防霜溶液通过提高液位回流至溶液池，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，采用大气回温浓缩或专用浓缩装置来分离水份，保持防霜溶液浓度，可以确保在1℃以下恶劣工况下能连续正常供热。

3)热源塔热泵经济性能  夏季为负压蒸发水冷却制冷机，在南方“高温高湿”的气候条件下比普通冷却塔出水温度低2～3℃, 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，提供免费热回收卫生热水，整体制冷效率EER值可以提高10-15%。热源塔设计了旋流汽液分离消噪系统，有效地控制了漂水和风噪对环境的影响。过渡季节制取卫生热水时可实现100%的冷回收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。在环境温度0℃时，供暖温度45℃的情况下的供热性能COP值高达3.2以上。

4)管理方便性  夏季制冷时系统为负压蒸发开式循环冷却，使用性能稳定可靠水温低。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，采用氮类混合防冻液在闭式运行时对管道和水泵等金属没有腐蚀并在金属表面形成防腐镀膜。1℃以上冷凝凝结水自动控制排放，负温期为间歇式喷射氮类混合防冻溶液防霜运行，换热器冰点降低保持防霜的可靠性，氮类混合防冻溶液在换热器表面的残留随着环境温度的升高被冷凝水冲洗干净。综合管理方便，维护成本较低。  

5)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黄河流域以南地区。

 

 

1）工程概况  浙江舟山普陀山四星级大酒店，建筑面积：16800 m²,酒店内设标准各式套房共168间，并设有500人中西餐厅、配有会议、商务中心、商场及娱乐中心等多项配套设施,生活热水80 m³。  

2）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。

3）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360 kw×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48℃－52℃，卫生热水免费使用。过渡季节：热源塔热泵机组160 kw×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360 kw×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160 kw×2台制取酒店卫生热水，卫生热水48－52℃。

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20000 m²。江都质检站（办公楼）4500 m²。镇江阿得宝假日酒店（三星级酒店）6500 m²。

4）存在问题  第一代加大冷却塔容量的热源塔热泵应用工程，基本归属于“冷却塔+氯化物类混合防冻溶液开式循环系统”其存在的主要问题是循环防冻溶液被稀释、漂液损失和设备被腐蚀现象较严重。

 

1）工程概况  吉首市金煌大酒店（见图3），地处湘西山区，冬季低温高湿，夏季高温酷暑。空调面积2300 m²，其中客房80间，大堂150 m²，茶艺中心95 m²。每天生活热水需求量15 m³，供暖温度要求28℃。

2）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120 kw机组二台。闭式热源塔：取热量 100 kw×2台。

3）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=240 kw的机组在低温位热               

图3吉首市金煌大酒店

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=180 kw。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15 m³，客房供暖温度达到28～33℃，大堂供暖温度达到24～26℃。

4）存在问题  第四代闭式热源塔热泵应用工程与性能，基本归属于“热源塔+醇类混合防冻溶液闭式循环系统”其存在的主要问题是，系统初投资高于开式塔系统。

 

 

1）项目概况  桐庐大酒店按四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：43000 m²。地下建筑面积：3160 m²。

2）负荷参数  空调使用面积：33325 m²，依据计算，夏季逐时制冷高峰负荷为3155 kw，单位使用面积冷指标为95 w/m²。冬季逐时供热高峰负荷（含热水负荷）为2550 kw，单位面积热指标（不含热水负荷）为56 w/m²，每天生活热水需求为180 m³。   

2）地质条件  为岩层地质和建筑物红线范围内用地面积不足,不适用采用混合地源热泵系统。

3）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。

 

1）热源塔设计方案  根据桐庐大酒店最高供热负荷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，需要从环境空气中吸收不少于1963kw的低品位热源能力。选用模块化闭式热源塔350kw×6台，低温位热源吸收能力为2100 kw，要求分布安装在群楼或宽敞通风场所有利于扩大热交换半径。

2）低热源热泵设计方案  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。

热源塔热泵方案系统能耗为：耗电为2273250kwh×电价0.956元/kwh＝2173227元(217.32万元)。

 

1）空气源热泵设计方案  根据桐庐大酒店最高供热负荷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=3867 kw ，δ=0.53，R=500kw，Q=Q₀×δ+R=3867kw×0.53+500kw=2550kw，选用标准供热量为3867 kw满液式螺杆热泵热水机组，500kw辅助电加热装置，能够满足制热最不利工况下供热。

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1.7左右。

3）系统初投资 空气源热泵3867kw×0.17万元/kw＋辅助热源500kw×0.14万元/kw＝716.6万元。

空气源热泵方案系统能耗为：耗电为3195532kwh×电价0.956元/kwh＝3054928元(305.49万元)；

 

热源塔满液式螺杆热泵冷、热源方案初投资(为433.8万元)比空气源热泵方案初投资(为716.6万元)减少282.8万元。减少年还贷(282.8万元×年利率10.46%)利息29.6 万元，年减少能耗(305.49－217.32)＝88.17万元左右，实际比空气源热泵方案年减少费用（29.6 万元＋88.17万元）117.77万元。

 

通过对热源塔热泵的研究与实际应用，通过对不同冷、热源热泵系统方案的综合比较不难看出，“热源塔热泵”系统是介于负压蒸发水冷却制冷机节能与宽带无霜空气源热泵高效的组合。热源塔热泵冷、热源作为大中型建筑（特别是酒店服务业）的中央空调系统具有明显的初投资低、可以实现夏季热量、过度季节冷量免费回收利用、高效节能，综合运营成本低。突出了系统简洁、性能稳定的优势。在气候适宜的长江流域以南地区，不受区域地质及自然环境的限制，可在冬夏过度季节共用，设备利用率高。无需辅助热源，省去了锅炉设备、地下水源、地埋管等冷、热源系统。热源塔热泵系统比空气源热泵系统年节约综合运行费用50% 以上，因此，热源塔热泵在气候适宜的长江流域及以南地区大中型建筑中可以广泛地应用。

 

1.《热泵市场》杂志  “热泵暴雪天如何过冬”                  记者 郭星成  P32

   2. 2008年建设部“暖通空调节能减排与热泵技术应用高峰论坛”会刊    

“夏热冬冷气候区应用冷却塔采暖可行性分析” 作者 鲍士雄  上海交通大学   P157

3.《筑龙网》空气源热泵在南京的应用             作者 张建忠 龚延风 杜垲

4.《地源热泵》杂志 “热源塔热泵技术在南方应用”           作者 刘秋克    P33

5.《热源塔热泵空调技术网》  网站 www.reyuanta.com

6. 建设部《建设科技》杂志 “热源塔热泵低热能再生技术在我国南方的应用”作者 刘秋克  P124