空調冷熱源新產(chǎn)品技術簡介及應用案例

溫彩霞

上海國瑞環(huán)保科技股份有限公司

介紹了目前市場上除常規(guī)空調冷熱源及有實際應用、具有一定代表性的節(jié)能型的空調冷熱源設備技術，并通過案例分析其實際應用的節(jié)能性、經(jīng)濟性和可行性。

節(jié)能技術；節(jié)能產(chǎn)品；空調冷熱源；案例分析

目前建筑領域主要的暖通空調的冷熱源可分為兩種。一種是以電力驅動為主的各種形式冷水機組、水/地源熱泵、風冷熱泵（含VRV）等，另一種是以燃氣燃燒驅動為主的各種形式的鍋爐和溴化鋰吸收式機組。

在以上海為代表的夏熱冬冷地區(qū)，一般大型建筑物（酒店、辦公樓、商業(yè)綜合體等）的空調系統(tǒng)以冷水機組+燃氣鍋爐為主要冷熱源形式，面積較小的建筑物多采用風冷熱泵機組或VRV空調系統(tǒng)。生活熱水熱源以鍋爐和熱泵熱水器為主要形式。

本文介紹幾種非典型性空調冷熱源系統(tǒng)，可作為目前空調冷熱源市場的補充，同時該空調系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調，標準煤消耗或運行費用可大幅降低，對節(jié)能減排要求較高的場合具有很好的適用性，對新建和改造項目也具有一定的示范性和實用性。

1 熱源塔熱泵系統(tǒng)

1.1 技術原理

熱源塔熱泵技術是通過熱源塔和熱泵機組聯(lián)合工作，實現(xiàn)制冷、供暖及提供生活熱水的新型節(jié)能技術。冬天它利用冰點低于零度的載體介質，高效提取低溫環(huán)境下的相對濕度較高的空氣中的低品位熱能，通過熱源塔熱泵機組輸入少量高品位能源，實現(xiàn)低溫環(huán)境下低溫熱能向高溫熱能的傳遞，達到制熱目的；夏天由于熱源塔的特殊設計，起到高效冷卻塔的作用，將熱量排到大氣中實現(xiàn)制冷（見圖1）。

圖1 熱源塔熱泵系統(tǒng)形式

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

熱源塔熱泵系統(tǒng)以電能為驅動能源，夏季制冷、冬季制熱，同時可回收冷凝器余熱制取生活熱水，一機三用，系統(tǒng)簡單。

熱源塔熱泵空調系統(tǒng)適用于冬季室外計算干球溫度在2～-8℃的地區(qū)[1]，尤其適用于夏季炎熱、冬季氣象條件陰雨連綿、空氣濕度大的潮濕陰冷地區(qū)。因熱源塔在潮濕陰冷條件下無結霜困擾，可穩(wěn)定高效提取冰點以下的空氣中的低品位熱能，相對比風冷熱泵換熱性能穩(wěn)定，整個冬季機組的平均能效比在3.5以上。夏季運行時，結構形式及原理完全等同于水冷式冷水機組，滿足建筑物供冷需求。

熱源塔熱泵系統(tǒng)可取代原冷水機組加鍋爐的傳統(tǒng)空調系統(tǒng)形式，節(jié)省占地面積，初期投資低，性價比高，可滿足夏熱冬冷地區(qū)的空調冷熱源的要求。尤其對酒店、醫(yī)院常年有熱水需求的場合，大大提高空調系統(tǒng)的經(jīng)濟性，降低運行和維保費用。

1.3 案例簡介

案例1

上海市政府機關辦公樓——上海市政大廈，面積約74 000m2。原空調冷熱源形式為直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組。2013年由國瑞環(huán)保公司進行節(jié)能改造，采用3臺熱源塔熱泵系統(tǒng)替代原溴化鋰機組。該系統(tǒng)于2014年改造完成并投入運行至今，節(jié)能率超過30%，基本達到了原方案設計的要求。

案例2

上海金門飯店是位于南京路上具有意大利建筑風格的四星級酒店，建筑面積14 000m2，客房180間，生活熱水需求量每天約80 t。原空調冷熱源是比較典型的燃氣鍋爐加冷水機組形式。2013年進行空調熱水系統(tǒng)改造，拆除原冷水機組和鍋爐，采用2臺帶全熱回收功能的熱源塔熱泵機組進行替代，年節(jié)能率超過25%。熱源塔機組放置在原冷水機組機房內(nèi)，騰空鍋爐房，并通過鍋爐房和員工宿舍的置換，新增15間標準客房，直接可為酒店增加150萬元/年的經(jīng)濟收益。

2 磁懸浮離心式制冷機組

2.1 技術原理

磁懸浮技術是利用磁場力使物體沿著一個軸或幾個軸保持一定位置的技術措施。集電磁學、電子技術、控制工程、信號處理、機械學、動力學為一體的典型的機電一體化高新技術。

磁懸浮制冷機即是一種采用磁懸浮技術使旋轉軸懸浮于軸承之中的離心式制冷機組。數(shù)控磁軸承系統(tǒng)，使壓縮機的運動部件（動子轉軸和葉輪）懸浮在磁襯上無摩擦的運動，磁軸承上的定位傳感器則為電機轉子提供高達600萬次/min的實時重新定位，以確保精確定位和可靠，確保軸與軸承不接觸。磁懸浮軸承和傳感器的位置見圖2。它的無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等特殊的優(yōu)點引起世界各國科學界的特別關注。

圖2 磁懸浮軸承和傳感器示意圖

目前，從全球市場占有率看，磁懸浮壓縮機占比約10%，其中歐洲59%，美國36%，澳大利亞76%，拉丁美洲、中國、東南亞市場占有率相對較低，中國只有1～2%。隨著磁懸浮制冷機技術的成熟以及國產(chǎn)化，據(jù)相關估計，未來國內(nèi)市場磁懸浮機組占比將超過20%[2]。

2.2 技術優(yōu)勢

利用磁懸浮技術的制冷機組具有如下幾大優(yōu)勢

（1）零摩擦、無油運行、日常維護簡單

由于潤滑油與制冷劑有限互溶，制冷劑中不可避免地會攜帶少量潤滑油，由于它的不凝性以及較大的粘度，會造成換熱效率的下降。根據(jù)ASHRAE Research Study 601，絕大多數(shù)冷水機組均含過多的潤滑油，且制冷系統(tǒng)內(nèi)含油量越高，系統(tǒng)效率下降幅度越大，若制冷系統(tǒng)內(nèi)含4%油，系統(tǒng)效率會下降9%。而磁懸浮冷水機組制冷系統(tǒng)中沒有一滴潤滑油，因此不存在由潤滑油引起的制冷效率衰減。

磁懸浮壓縮機在運轉過程中，軸因磁力而懸浮、與軸承無接觸，沒有機械摩擦，大大降低了壓縮機的機械損失。

磁懸浮機組毋需潤滑油，避免油膜覆蓋在換熱管上導致?lián)Q熱效率下降，保證產(chǎn)品在整個使用壽命周期具有可持續(xù)的優(yōu)越性能。實現(xiàn)無油潤滑可提高機組能效15%以上[2]。

機組完全無油，毋需油路系統(tǒng)、油泵等零部件，可靠性更高，并可大大減少維護保養(yǎng)工作量。

（2）運轉低噪音、精確控制水溫

制冷機完全無摩擦運行，運行噪音低于70 dB(A)，結構震動接近于零，無需昂貴的減震部件。機組可進行10（min 2%）～100%負荷連續(xù)調節(jié)，溫度控制精度±0.1℃。

（3）啟動電流小、對電網(wǎng)無沖擊

由于采用磁懸浮技術，開機時只需要2 A的電流就能使轉軸懸浮，啟動扭矩小，實現(xiàn)對電網(wǎng)的沖擊最小。不需要軟啟動器，節(jié)省配電費用。

（4）智能放喘振、運行范圍寬

壓縮機控制模塊中提供了壓縮機安全運行的控制曲線，通過實時監(jiān)測壓縮機的運行狀態(tài)，見圖3，經(jīng)計算判斷，能及時調整轉速，確保壓縮機始終在安全區(qū)域運行。

圖3 壓縮機運行狀態(tài)示意圖

控制邏輯根據(jù)機組水溫情況和冷凝器液面位置進行實時計算對比，經(jīng)控制模塊判斷，調節(jié)壓縮機和電子膨脹閥，機組的負荷控制可達到最大程度的“隨時調節(jié)”，實現(xiàn)機組最經(jīng)濟運行；出水溫度可調節(jié)在在3～20℃，單冷型冷卻水進水可達40℃以上，產(chǎn)品適用任何水冷工況，可替換同冷量的螺桿機和離心機組。磁懸浮和螺桿機的運行范圍對比如圖4所示。

圖4 單冷型磁懸浮機組運行范圍

（5）IPLV值高、運行費用低

系統(tǒng)通過電子膨脹閥進行智能化調節(jié)，可精確調節(jié)系統(tǒng)冷媒循環(huán)量，在運行穩(wěn)定情況下，降低冷凝器液面位置，提高制冷量。依據(jù)國家能效標準GB19577-2004，產(chǎn)品制冷能效值均達到1級標準。IPLV值可達到10以上，有效降低空調的實際運行費用。

2.3 案例簡介

案例1

上海君欣時代廣場商業(yè)部分原設計空調主機為6臺制冷量為1 044 kW的風冷熱泵機組。因考慮商場的冷負荷遠大于熱負荷需求，按冷負荷選配風冷熱泵冬季有近50%機組閑置，而風冷機組的夏季制冷COP只有三點幾，且溫度越高，輸出冷量越小。優(yōu)化設計時取消了2臺風冷熱泵，增加了同冷量的2臺磁懸浮冷水機組。在不增加整體費用基礎上，年可節(jié)約運行費用50萬元，節(jié)約標準煤103 t。

案例2

南京某酒店酒店建筑面積為28 000m2，建于1997年，2014年5月對空調系統(tǒng)節(jié)能改造，選用2臺300USRT磁懸浮離心式冷水機組替代原冷水機組，取得較好效果（見表1）。

據(jù)實際運行數(shù)據(jù)分析，整個空調季節(jié)，主機運行費改造后較改造前節(jié)省48.9%。

3 燃氣空氣源吸收式熱泵機組

3.1 技術原理

燃氣熱泵機組，簡稱GHP機組，采用清潔能源天然氣為驅動能源，以MR717為制冷劑，水作為吸收劑，通過翅片式換熱器從空氣中提取低品位熱能，達到1.8倍的高效制熱功能，是一種高效的能源綜合利用系統(tǒng)。

3.2 燃氣熱泵特點

（1）節(jié)能、減排、環(huán)保

吸收式熱泵機組從空氣中吸取一部分熱量，把輸入的熱能轉化為1.8倍的熱能，實現(xiàn)高效供熱；燃氣熱泵機組采用一次清潔能源天然氣，無PM2.5排放，有效防治霧霾天氣；熱泵機組采用氨水工質，不破壞臭氧層，保護人類生存環(huán)境。

（2）全天候穩(wěn)定運行

機組適應環(huán)境能力強，可在環(huán)境溫度-20℃到43℃內(nèi)穩(wěn)定運轉，水溫可從5℃到55℃范圍內(nèi)高效運轉，最高出水溫度可達55℃。

表1 改造前后主機運行費用對比表

（3）按需要安裝，能量無級調節(jié)

機組模塊化設計，因地制宜，選擇集中式安裝或分布式安裝; 機組擴容方便，既保證了先期入住業(yè)主的采暖需求又節(jié)省了初投資費用，降低了運行成本；單臺熱量輸出自20kW～50kW無級調節(jié)，滿足不同負荷的要求。

3.3 燃氣熱泵替代鍋爐節(jié)能系統(tǒng)

（1）和一般燃氣鍋爐相比，使用燃氣熱泵可節(jié)約天然氣能源50%以上，見表2。

表2 燃氣熱泵和燃氣鍋爐等對比分析表

（2）燃氣熱泵和替代其它常規(guī)熱源比較分析見表3。

表3 燃氣熱泵和常規(guī)熱源對比分析表

表4 各項參數(shù)匯總

3.4 案例簡介

石家莊某小區(qū)采暖系統(tǒng)，總建筑面積：117 962.3 m2，其中地上采暖建筑面積：107 416.1 m2；實際供暖面積約：80 000 m2；總熱負荷：3 867 kW；采暖熱媒溫度：45/35℃熱水。各項參數(shù)匯總見表4，實際運行費用匯總見表5。

表5 燃氣熱泵運行費用匯總

4 相變儲能技術

4.1 技術簡介

相變材料是一類在其本身發(fā)生相變的過程中，可以吸收環(huán)境的熱（冷）量，并在需要時向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達到控制周圍環(huán)境溫度要求的材料[3]。

相變儲能技術通過相變材料在相變過程中吸收或放出大量熱量以達到能量存儲和釋放，是一種緩解能量需求雙方在時間、地點及強度上不匹配的有效方式。該技術在太陽能的利用、電力的移峰填谷、廢熱和余熱的回收利用等方面具有廣泛的應用背景。

在建筑節(jié)能領域，相變儲能技術可充分利用夜間谷電，將電能轉化成熱能存儲在相變材料中，在白天或其它需要供熱的時間段內(nèi)，將熱量釋放出來，不僅利用峰谷電價差，有很好的經(jīng)濟效益，同時對電網(wǎng)移峰填谷及實行“煤改電”、“電能替代工程”地區(qū)具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

4.2 案例簡介

天津某休閑購物中心，建筑面積8萬m2，因層高較高，原市政供暖按13萬m2進行固定收費，每年采暖總費用為520萬元。2014年采用啟能相變蓄熱材料（熱庫）進行采暖系統(tǒng)改造，夜間采用谷電利用電鍋爐對蓄熱材料充熱，在其它時間段釋放儲存的熱能進行供暖。改造完成后，當年采暖季的采暖費用（2014～2015）實際只有190萬元電費（谷電電價0.46元/kWh），實際采暖費用為14.6元/m2,較原來的市政供暖節(jié)約費用64%。費用對比見圖5。

5 結語

本文介紹了幾種新型的空調冷熱源產(chǎn)品技術和相應案例。表6為新型冷熱源和傳統(tǒng)冷熱源的各項對比分析表。這些產(chǎn)品技術經(jīng)多年的研發(fā)和應用，具有一定的實用性和節(jié)能性。隨著科技進步和市場的實踐檢驗，其產(chǎn)品的各方面性能將逐步完善和提高，必將給空調冷熱源市場帶來更多的活力，豐富暖通空調設計單位和各使用單位的選擇空間。

圖5 熱庫采暖費用與市政采暖費用對比

[1]CECS362:2014熱源塔熱泵系統(tǒng)應用技術規(guī)程，中國計劃出版社

[2]磁懸浮離心機產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書，2015年11月

[3]《相變材料與相變儲能技術》作 者:張仁遠 等 著叢 書 名:現(xiàn)代材料科學叢書出版

New Product Technology Introduction and Application Case Study of Air Conditioning Cold and Heat Source

Wen Caixia
Shanghai Guorui Environmental Protection Technology Co., Ltd

The article introduces certain representative and practical application energy saving air conditioning cold and heat source facility technology except traditional air conditioning cold and heat source in the market. The author analyzes it’s practical energy saving effect and economic benefit and feasibility through case study.

Energy Conservation Technology, Energy Conservation Products, Air Conditioning Cold and Heat Source, Case Study

表6 新型冷熱源與傳統(tǒng)冷熱源各項對比

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.03.009