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熱源塔熱泵空調系統(tǒng)經濟性分析

李念平，張鼎，成劍林，賀志明，陳琦

湖南大學土木工程學院，長沙410082

摘要:介紹熱源塔結構組成及熱泵工作原理，分析熱源塔熱泵的運行特點．以其辦公建筑為工程模型，利用建筑熱環(huán)境設計模擬工具包(designer's simulation toolkit，DeST)軟件建立建筑模型，設置建構物參數和室內設計參數，模擬計算建筑全年逐時負荷，在此基礎上，設計選擇熱源塔熱泵和空氣源熱泵冷、熱源方案的主要設備，計算不同方案全年能耗，對比分析對應的初投資和運行費用．研究表明，熱源塔熱泵的冷熱源技術具有運行穩(wěn)定、初投資低、年綜合運行費用低以及能源綜合利用效率高等優(yōu)勢，適于在冬季低溫高濕地區(qū)推廣．

關鍵詞:建筑設備;熱源塔;設計模擬工具包;全年能耗;冷熱源;初投資;運行費用

Received: 2015-02-12; Accepted: 2015-05-26

Foundation: National Science＆Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period(2011BAJ03B05-6) ; Changsha City Science and Technology Project(K1104101-11)

目前，中國使用的大中型空調系統(tǒng)中，主要的冷熱源技術方案有:冷水機組供冷+輔助供熱(鍋爐供熱或熱電站供熱)、熱泵機組供冷供熱(空氣源熱泵、地源熱泵或水源熱泵)以及天然冷熱源供冷、供熱［1］．對于冷水機組+輔助供熱方案，冷水機組配備水循環(huán)冷卻置換熱效果顯著的冷卻塔，在夏季工況下，有效降低了機組的冷凝溫度，從而使主機在較高的制冷性能系數(energy efficiency ratio，EER)狀態(tài)下運行．該方案具有技術成熟、EER高、無污染和初投資少等優(yōu)點［2-4］，但在采用鍋爐等輔助熱源進行冬季供暖時，往往采用的是燃煤、燃氣或者燃油鍋爐，此類鍋爐供熱效率低，同時向周圍環(huán)境排放大量污染物，目前正逐步被淘汰和整改．地源熱泵方案具有節(jié)能環(huán)保和能源利用率高等優(yōu)勢，但其效率受土壤環(huán)境和土質等問題約束［5］，且初投資較高．空氣源熱泵方案以運行穩(wěn)定、安裝操作簡單、能源利用率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)勢受到廣泛應用，但地源熱泵方案運行工況受室外空氣狀態(tài)參數影響大，冬季制熱結霜嚴重等問題不容忽視［6］．熱源塔熱泵則是針對以上問題研發(fā)出來的，夏季熱源塔可當作冷卻塔使用，利用水的蒸發(fā)散熱，系統(tǒng)制熱能效比(coefficient of performance，COP)可達5.0以上，冬季則利用冰點低于0℃的制冷媒介，從濕度相對較高的低溫環(huán)境中吸取低品位熱能進行供熱，實現高效穩(wěn)定的供冷和供熱［7］．

本研究以長江中下游某辦公建筑為研究對象，采用閉式熱源塔冷、熱源熱泵空調系統(tǒng)，從環(huán)保和經濟實用性角度出發(fā)，分析熱源塔熱泵方案與空氣源熱泵方案的初投資和運行費用．

1　熱源塔熱泵概述

1.1熱源塔結構

熱源塔主要由塔體結構、風機、換熱系統(tǒng)、汽液分離裝置、凝結水控制系統(tǒng)和低溫防霜裝置等組成．其中，換熱系統(tǒng)由塔體內的寬帶換熱肋片、換熱管及進出液口組成;寬帶換熱器上方設有由分離器組成的汽液分離裝置，下方設有由接水盤、凝結水控制閥和溶液控制閥等組成的凝結水分離系統(tǒng);還設有由溶液濃縮裝置及噴淋裝置等構成的防霜系統(tǒng)［8］．當空氣流經寬帶換熱器表面時，與換熱管內溶劑形成強制對流換熱進行顯熱和潛熱的交換，獲得低于室外溫度2～3℃［8］的熱泵低品位熱源溶液．1.2熱源塔熱泵工作原理

在夏季制冷工況下，熱源塔接冷卻水配水管，冷卻水在熱源塔盤管內流動，空氣在盤管外強制對流，噴淋器噴射水在盤管表面，同時開啟旋流風機加強內部氣流擾動，提高對流換熱系數，強化傳熱傳質，提高換熱效果，制備符合要求的冷卻水用于熱泵循環(huán)，同時通過調節(jié)風機風量和冷卻水流量從而實現負荷的控制．從熱力學角度看，在制冷工況下，熱源塔熱泵系統(tǒng)與單冷機+冷卻塔的工作過程和原理相同，此時，熱源塔當作閉式冷卻塔使用［9］．

在冬季制熱工況下，冰點低于0℃的防凍溶液在熱泵蒸發(fā)器與熱源塔低溫寬帶換熱器之間進行循環(huán)流動換熱，由旋流風機擾動環(huán)境中的低溫高濕空氣從熱源塔底部進入，逆向流過換熱器肋片表面，形成換熱器表面與空氣的顯熱和潛熱交換，進而對換熱器盤內的低溫防凍液加熱，獲得低于環(huán)境溫度2～3℃的溶液作為熱泵的低品位熱源，再經管道輸送至熱泵機組蒸發(fā)器，釋放出低位顯熱，為熱泵機組運行提供穩(wěn)定的熱源．為防止肋片表面溫度低于0℃時空氣冷凝水在換熱器外表面結霜，降低傳熱傳質效果，防霜裝置啟動并根據設定的溫度由噴淋器噴射溶液，降低換熱表面冰點，確保熱泵機組高效穩(wěn)定運行［9］．同時對被稀釋后的噴射溶液進行濃縮，一般情況下，噴淋溶液與防凍溶液采用相同的介質，工程應用較多的是氯化鈉或氯化鈣等鹽溶液，以及甲醇、乙醇、甘油或乙二醇等有機物的水溶液等［10］．熱泵系統(tǒng)現場系統(tǒng)如圖1．

圖1　熱泵系統(tǒng)工程實景圖Fig.1(Color online) Photos of a heat-source tower and its heat pump system

2　工程概況及負荷計算

2.1工程概況

本研究選取某辦公建筑為研究對象，建筑地處亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，常年空氣濕度較大．夏季日平均氣溫為29.5℃，冬季平均氣溫4.8℃，全年平均相對濕度達78%［11］．

該建筑本身南北通風，地上3層，地下1層，建筑總面積約693.85 m2．

2.2設備投入使用情況

該項目于2014年2月1日調整后開機．視液鏡液位中檔，蒸發(fā)效果好，2月當地天氣已經進入下雪結冰的狀態(tài)，溫度較低，濕度較大，但熱源塔機組運行較好，在冬季工況下，室外溫度低于2℃的天數有19.9 d，濕度高于85%的天數有48 d，在相同溫度下，相對濕度越高的空氣所含水蒸氣量越大，故水蒸氣凝結時釋放的凝結熱量也越大．現場部分測試數據如圖2．

圖2　設備測試結果Fig.2(Color online) Test results of the equipments throughtout the year

2.3建筑負荷計算

以清華大學研發(fā)的建筑熱環(huán)境設計模擬工具包(designer's simulation toolkit，DeST)軟件為工具，模擬計算該建筑全年的逐時負荷變化情況和室內負荷的分布情況，實時計算建筑物冷熱負荷，并將根據當地實測氣象數據生成的典型氣象年氣象參數導入模擬軟件系統(tǒng)中．

建筑門窗位置、大小和結構材料均按設計圖紙設置，建筑圍護結構的傳熱系數按標準參數設置:外墻0.564 W/(m2·K)，內墻1.500 W/(m2·K)，屋頂0.810 W/(m2·K)，樓板3.000 W/(m2·K)以及外窗3.500 W/(m2·K)．

建筑物采用集中空調供冷供熱，可將換氣次數設置為1次/h，室內設計狀態(tài)參數如表1．

表1　室內設計參數Table 1 Indoor design parameters

該建筑各房間為辦公場所，各部門人員不相同，設計部和市場營銷部人數偏多，設計部駐室內人員也較多，且每人都配置筆記本電腦等設備，因此辦公室人均新風量設置為30 m3/(h·人)［12］，燈光負荷由于采用節(jié)能燈，設置為10 W/m2，設備負荷設置為20 W/m2．根據氣候特征設置的采暖制冷

時間［12］如表2．

表2　全年制冷和采暖時間設置Table 2 Time schedule of refrigerating and heating

根據以上數據設置及辦公作息時間，利用DeST對建筑的空間建模和擬合計算，得出建筑物冷熱負荷結果:全年最大熱負荷83.18 kW，全年最大冷負荷111.18 kW，全年累計熱負荷31 695.82 kW，全年累計冷負荷98 930.92 kW;全年最大熱負荷指標為119.89 W/m2，全年最大冷負荷指標為160.23 W/m2，全年累計熱負荷指標為45.68 kW·h/m2，全年累計冷負荷指標為142.58 kW·h/m2，其中，采暖季熱負荷指標為74.29 W/m2，制冷季冷負荷指標為128.76 W/m2．

DeST模擬計算的建筑物全年逐時冷熱負荷數據分布見圖3．

圖3　2014全年逐時負荷分布Fig.3(Color online) Year-round hourly load distributions in the building in 2014

由模擬計算結果可見，該建筑全年最大冷負荷為111.18 kW，最大熱負荷為83.18 kW;單位建筑面積全年最大冷負荷為160.23 W/m2，單位建筑面積全年最大熱負荷為119.89 W/m2;年逐時冷負荷最大值為111.18 kW，出現在7月11日，年逐時熱負荷最大值為83.18 kW，出現在1月21日．

3　冷熱源方案選擇及對比分析

根據以上冷熱負荷模擬計算分析，該建筑冷熱負荷量偏小，選用小型冷熱源熱泵設備比較經濟合理，考慮到地源熱泵受土壤環(huán)境及地質等條件約束，且初始投資較高，暫不列入選擇方案之中．此處只分析空氣源熱泵和熱源塔熱泵兩種方案，并對費用進行對比分析．

3.1熱源塔熱泵冷熱源方案

3.1.1熱源塔方案選擇

該建筑全年最大熱負荷為83.18 kW，考慮到熱源塔制熱工況下?lián)Q熱量約占空調系統(tǒng)總熱量80%［13］，同時考慮設備安全系數約為15%，因此熱源塔的容量配置為

冬季制熱運行時，熱源塔需要從低溫高濕空氣中換熱不少于76.53 kW的低品位熱量．此處可以選擇閉式熱源塔額定量為80 kW/臺．

3.1.2熱源塔熱泵方案選擇

建筑物全年最大冷負荷為111.18 kW，可以選擇額定制冷量為115 kW的壓縮式熱泵機組1臺，配置單臺壓縮機即可，機組夏季總制冷量為115 kW，冬季制熱量為123 kW，滿足設計方案要求．

3.1.3方案初投資與運行費用

初始投資考慮到設備的購置費、運輸安裝費、調試費、人工和材料(主要是制冷劑、防凍溶液及噴淋溶液)費用，此處折合為單位制冷、熱量的綜合單價．熱源塔綜合單價折合約0.065萬元/kW，熱源塔熱泵的綜合單價約為0.085萬元/kW，因此方案初投資費用為

熱源塔熱泵的日常運行費用，結合建筑制冷時間、采暖時間和全年逐時冷、熱負荷計算．該建筑全年各月冷、熱負荷見表3．

表3　建筑全年逐月負荷Table 3 Building monthly loads

考慮到熱源塔熱泵機組運行負荷依據建筑物實際負荷變化，要準確地測量計算各月平均機組實際運行負荷較困難，在滿足建筑冷熱負荷的要求下，利用系數相關法來求機組實際運行負荷，此處負荷系數取1.25，因此機組的實際運行負荷為

機組運行負荷=建筑負荷×1.25(3)

熱源塔熱泵各設備逐月性能比參數見表4．

表4　熱泵各設備運行性能比參數Table 4 Parameters of operating performance ratio of heat pump equipments

由表4數據計算的全年系統(tǒng)能耗結果如表5．

表5　系統(tǒng)設備全年能耗Table 5 Annual energy consumption of heat pump equipments　kW·h

熱源塔熱泵系統(tǒng)方案全年運行能耗為45 021 kW·h，該地區(qū)居民用電價格0.888元/(kW·h)，得出該方案總的運行費用為45 021 kW·h×0.888元/(kW·h) = 39 978.65元．

3.2空氣源熱泵冷熱源方案

3.2.1空氣源熱泵的原理

空氣源熱泵空調系統(tǒng)是基于逆卡諾循環(huán)的原理，以少量的電能來吸收大氣中的低溫熱能，然后通過壓縮機獲取高溫熱能達到制熱效果的空調系統(tǒng)．在冬季工況運行時，以制冷劑作為熱媒，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收空氣中的熱能，經壓縮機將低溫位的熱能提高為高溫位熱能，在冷凝器中加熱系統(tǒng)循環(huán)水，為室內提供高溫熱源;在夏季工況運行時，以制冷劑作為冷媒，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收系統(tǒng)循環(huán)水從室內帶來的熱量，經壓縮機提升為高溫位熱能后，在冷凝器中向空氣釋放熱量，從而達到降低室內溫度的作用．空氣源熱泵空調系統(tǒng)如此循環(huán)往復的工作．

3.2.2空氣源熱泵方案選擇

根據所研究建筑的全年最大熱負荷83.18 kW，選擇空氣源熱泵設備．在夏季制冷工況下，空氣源熱泵的制冷效率EER直接受室外空氣干、濕球溫度影響，機組消耗的功率隨室外空氣溫度的升高而增大，同時機組制冷效率EER隨之降低［14］．室外空氣溫度為35℃，出水溫度為7℃時，機組運行效率EER約為2.5左右．在冬季制冷工況下，空氣源熱泵所在室外空氣溫度為5℃以下，濕度為70%以上時，熱泵系統(tǒng)結霜較嚴重，此時化霜程序系統(tǒng)開始工作，化霜期間，機組運行性能下降，供熱能力減少約20%以上［15-16］．根據當地氣象資料，室外溫度低于5℃、濕度高于80%的時間達57 d，此時機組的實際供熱能力為標準工況下70%．因此，機組實際供熱能力=83.18 kW/70% =118.828 kW．選用標準供熱能力為120 kW的滿液式活塞熱泵機組1臺，可以滿足冬季工況下的設計要求．

3.2.3方案初投資與運行費用

該方案初始投資同樣用綜合單價計算，綜合單價為0.138 1萬元/kW，初投資費用為

初投資費用=120 kW×0.138 1萬元/kW

空氣源熱泵運行費用依照上述計算方法計算，各設備運行性能比參數如表6．

表6　空氣源熱泵各設備運行性能比參數Table 6 Parameters of operating performance ratio of equipments for air-source heat pump system

空氣源熱泵系統(tǒng)全年能耗計算結果如表7．

表7　空氣源熱泵設備全年能耗Table 7 Annual energy consumption of equipments with air-source heat pump system　kW·h

空氣源熱泵系統(tǒng)方案全年運行能耗為53 366 kW·h，該地區(qū)居民用電價格0.888元/(kW·h)，得出該方案的運行總費用為53 366 kW·h×0.888元/(kW·h) = 47 389元．

3.3方案系統(tǒng)對比分析

在冬季運行工況下，熱源塔熱泵機組實測數據及性能系數計算結果見表8．

在相同運行工況下，根據空氣源熱泵機組季節(jié)性COP經驗公式［17］其中，tt、ta、tw和td分別為水溫、環(huán)境溫度、濕球溫度以及露點溫度．計算得到相同時段工況內空氣源熱泵的COP為2.24、2.81、2.93、2.86和2.57．由此可知，根據表8熱源塔熱泵SEER計算結果，與上述空氣源熱泵經驗計算結果相比，相同工況下，熱源塔熱泵的性能系數要比空氣源熱泵分別高0.117、0.032、0.065、0.164和0.046．

對比分析以上兩個系統(tǒng)方案計算結果可見，熱源塔熱泵冷熱源方案初投資(14.975萬元)比空氣源熱泵冷熱方案初投資(16.572萬元)約減少1.597萬元;全年運行能耗總費用約減少47 389元－39 978.65元=7 860.35元．

表8　熱源塔熱泵機組測試數據及結果Table 8 Test data and results of heat-source tower with heat pump

結語

本研究針對熱源塔熱泵空調系統(tǒng)實際應用工程，在冬季低溫高濕時段現場測試其冷凝側數據．利用DeST建立模型，模擬計算該建筑全年冷熱負荷，在此基礎上設計選擇不同的冷熱源方案，確定主要設備參數，計算全年能耗，并根據能耗值計算相應全年運行費用．對比分析不同冷熱源方案的初投資、全年運行費用及全年能耗，得出熱源塔熱泵空調系統(tǒng)具有冬季運行穩(wěn)定，初投資和運行費用低、年運行綜合能耗低的優(yōu)點．由此可知熱源塔熱泵是一種具有節(jié)能效應和環(huán)保效益的新型空調方式，符合可持續(xù)發(fā)展，適于南方冬季低溫高濕地區(qū)推廣使用．

引文:李念平，張鼎，成劍林，等．熱源塔熱泵空調系統(tǒng)經濟性分析［J］．深圳大學學報理工版，2015，32(4) : 404-410．

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【中文責編:晨兮;英文責編:新谷】

【光電工程/Optoelectronic Engineering】

Corresponding author: Professor Li Nianping．E-mail: linianping@ hnu.edu.cn

Citation: Li Nianping，Zhang Ding，Cheng Jianlin，et al．Economic analysis of heat pump air conditioning system of heat-source tower［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2015，32(4) : 404-410．(in Chinese)

Economic analysis of heat pump air conditioning system of heat-source tower

Li Nianping，Zhang Ding，Cheng Jianlin，He Zhiming，and Chen Qi

College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，P．R．China

Abstract:We introduce the heat-source tower structure and its working principle and analyze its heat pump characteristics．By using DeST(designer's simulation toolkit) to simulate the year-round hourly cooling and heating loads of a building，we get the indoor parameters．According to these parameters，we select the main equipments of cooling and heating sources for air-conditioning systems of both heat-source tower heat pump and air source heat pump．By calculating the annual energy consumption，initial investment and annual operating cost，we find that the heat-source tower，with more stable operation，lower initial investment and annual operating cost is suitable for popularization in cold winters and in areas with low temperature and high humidity．

Key words:building implements; heat-source tower; designer's simulation toolkit(DeST) ; annual energy consumption; cooling and heating sources; initial investment; operating cost

作者簡介:李念平(1962—)，男(漢族)，湖南省長沙市人，湖南大學教授、博士生導師．E-mail: linianping@ hnu.edu.cn

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2011BAJ03 B05-6) ;長沙市科技攻關資助項目(K1104101-11)

中圖分類號:TU 831

文獻標志碼:A

doi:10．3724/SP．J．1249．2015．04404