热源塔热泵空调系统经济性分析



热源塔热泵空调系统经济性分析

李念平，张鼎，成剑林，贺志明，陈琦

湖南大学土木工程学院，长沙410082

摘要:介绍热源塔结构组成及热泵工作原理，分析热源塔热泵的运行特点．以其办公建筑为工程模型，利用建筑热环境设计模拟工具包(designer's simulation toolkit，DeST)软件建立建筑模型，设置建构物参数和室内设计参数，模拟计算建筑全年逐时负荷，在此基础上，设计选择热源塔热泵和空气源热泵冷、热源方案的主要设备，计算不同方案全年能耗，对比分析对应的初投资和运行费用．研究表明，热源塔热泵的冷热源技术具有运行稳定、初投资低、年综合运行费用低以及能源综合利用效率高等优势，适于在冬季低温高湿地区推广．

关键词:建筑设备;热源塔;设计模拟工具包;全年能耗;冷热源;初投资;运行费用

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，中国使用的大中型空调系统中，主要的冷热源技术方案有:冷水机组供冷+辅助供热(锅炉供热或热电站供热)、热泵机组供冷供热(空气源热泵、地源热泵或水源热泵)以及天然冷热源供冷、供热［1］．对于冷水机组+辅助供热方案，冷水机组配备水循环冷却置换热效果显著的冷却塔，在夏季工况下，有效降低了机组的冷凝温度，从而使主机在较高的制冷性能系数(energy efficiency ratio，EER)状态下运行．该方案具有技术成熟、EER高、无污染和初投资少等优点［2-4］，但在采用锅炉等辅助热源进行冬季供暖时，往往采用的是燃煤、燃气或者燃油锅炉，此类锅炉供热效率低，同时向周围环境排放大量污染物，目前正逐步被淘汰和整改．地源热泵方案具有节能环保和能源利用率高等优势，但其效率受土壤环境和土质等问题约束［5］，且初投资较高．空气源热泵方案以运行稳定、安装操作简单、能源利用率高、占地面积少和环保等优势受到广泛应用，但地源热泵方案运行工况受室外空气状态参数影响大，冬季制热结霜严重等问题不容忽视［6］．热源塔热泵则是针对以上问题研发出来的，夏季热源塔可当作冷却塔使用，利用水的蒸发散热，系统制热能效比(coefficient of performance，COP)可达5.0以上，冬季则利用冰点低于0℃的制冷媒介，从湿度相对较高的低温环境中吸取低品位热能进行供热，实现高效稳定的供冷和供热［7］．

本研究以长江中下游某办公建筑为研究对象，采用闭式热源塔冷、热源热泵空调系统，从环保和经济实用性角度出发，分析热源塔热泵方案与空气源热泵方案的初投资和运行费用．

1　热源塔热泵概述

1.1热源塔结构

热源塔主要由塔体结构、风机、换热系统、汽液分离装置、凝结水控制系统和低温防霜装置等组成．其中，换热系统由塔体内的宽带换热肋片、换热管及进出液口组成;宽带换热器上方设有由分离器组成的汽液分离装置，下方设有由接水盘、凝结水控制阀和溶液控制阀等组成的凝结水分离系统;还设有由溶液浓缩装置及喷淋装置等构成的防霜系统［8］．当空气流经宽带换热器表面时，与换热管内溶剂形成强制对流换热进行显热和潜热的交换，获得低于室外温度2～3℃［8］的热泵低品位热源溶液．1.2热源塔热泵工作原理

在夏季制冷工况下，热源塔接冷却水配水管，冷却水在热源塔盘管内流动，空气在盘管外强制对流，喷淋器喷射水在盘管表面，同时开启旋流风机加强内部气流扰动，提高对流换热系数，强化传热传质，提高换热效果，制备符合要求的冷却水用于热泵循环，同时通过调节风机风量和冷却水流量从而实现负荷的控制．从热力学角度看，在制冷工况下，热源塔热泵系统与单冷机+冷却塔的工作过程和原理相同，此时，热源塔当作闭式冷却塔使用［9］．

在冬季制热工况下，冰点低于0℃的防冻溶液在热泵蒸发器与热源塔低温宽带换热器之间进行循环流动换热，由旋流风机扰动环境中的低温高湿空气从热源塔底部进入，逆向流过换热器肋片表面，形成换热器表面与空气的显热和潜热交换，进而对换热器盘内的低温防冻液加热，获得低于环境温度2～3℃的溶液作为热泵的低品位热源，再经管道输送至热泵机组蒸发器，释放出低位显热，为热泵机组运行提供稳定的热源．为防止肋片表面温度低于0℃时空气冷凝水在换热器外表面结霜，降低传热传质效果，防霜装置启动并根据设定的温度由喷淋器喷射溶液，降低换热表面冰点，确保热泵机组高效稳定运行［9］．同时对被稀释后的喷射溶液进行浓缩，一般情况下，喷淋溶液与防冻溶液采用相同的介质，工程应用较多的是氯化钠或氯化钙等盐溶液，以及甲醇、乙醇、甘油或乙二醇等有机物的水溶液等［10］．热泵系统现场系统如图1．

图1　热泵系统工程实景图Fig.1(Color online) Photos of a heat-source tower and its heat pump system

2　工程概况及负荷计算

2.1工程概况

本研究选取某办公建筑为研究对象，建筑地处亚热带季风湿润气候区，气候温和湿润，常年空气湿度较大．夏季日平均气温为29.5℃，冬季平均气温4.8℃，全年平均相对湿度达78%［11］．

该建筑本身南北通风，地上3层，地下1层，建筑总面积约693.85 m2．

2.2设备投入使用情况

该项目于2014年2月1日调整后开机．视液镜液位中档，蒸发效果好，2月当地天气已经进入下雪结冰的状态，温度较低，湿度较大，但热源塔机组运行较好，在冬季工况下，室外温度低于2℃的天数有19.9 d，湿度高于85%的天数有48 d，在相同温度下，相对湿度越高的空气所含水蒸气量越大，故水蒸气凝结时释放的凝结热量也越大．现场部分测试数据如图2．

图2　设备测试结果Fig.2(Color online) Test results of the equipments throughtout the year

2.3建筑负荷计算

以清华大学研发的建筑热环境设计模拟工具包(designer's simulation toolkit，DeST)软件为工具，模拟计算该建筑全年的逐时负荷变化情况和室内负荷的分布情况，实时计算建筑物冷热负荷，并将根据当地实测气象数据生成的典型气象年气象参数导入模拟软件系统中．

建筑门窗位置、大小和结构材料均按设计图纸设置，建筑围护结构的传热系数按标准参数设置:外墙0.564 W/(m2·K)，内墙1.500 W/(m2·K)，屋顶0.810 W/(m2·K)，楼板3.000 W/(m2·K)以及外窗3.500 W/(m2·K)．

建筑物采用集中空调供冷供热，可将换气次数设置为1次/h，室内设计状态参数如表1．

表1　室内设计参数Table 1 Indoor design parameters

该建筑各房间为办公场所，各部门人员不相同，设计部和市场营销部人数偏多，设计部驻室内人员也较多，且每人都配置笔记本电脑等设备，因此办公室人均新风量设置为30 m3/(h·人)［12］，灯光负荷由于采用节能灯，设置为10 W/m2，设备负荷设置为20 W/m2．根据气候特征设置的采暖制冷

时间［12］如表2．

表2　全年制冷和采暖时间设置Table 2 Time schedule of refrigerating and heating

根据以上数据设置及办公作息时间，利用DeST对建筑的空间建模和拟合计算，得出建筑物冷热负荷结果:全年最大热负荷83.18 kW，全年最大冷负荷111.18 kW，全年累计热负荷31 695.82 kW，全年累计冷负荷98 930.92 kW;全年最大热负荷指标为119.89 W/m2，全年最大冷负荷指标为160.23 W/m2，全年累计热负荷指标为45.68 kW·h/m2，全年累计冷负荷指标为142.58 kW·h/m2，其中，采暖季热负荷指标为74.29 W/m2，制冷季冷负荷指标为128.76 W/m2．

DeST模拟计算的建筑物全年逐时冷热负荷数据分布见图3．

图3　2014全年逐时负荷分布Fig.3(Color online) Year-round hourly load distributions in the building in 2014

由模拟计算结果可见，该建筑全年最大冷负荷为111.18 kW，最大热负荷为83.18 kW;单位建筑面积全年最大冷负荷为160.23 W/m2，单位建筑面积全年最大热负荷为119.89 W/m2;年逐时冷负荷最大值为111.18 kW，出现在7月11日，年逐时热负荷最大值为83.18 kW，出现在1月21日．

3　冷热源方案选择及对比分析

根据以上冷热负荷模拟计算分析，该建筑冷热负荷量偏小，选用小型冷热源热泵设备比较经济合理，考虑到地源热泵受土壤环境及地质等条件约束，且初始投资较高，暂不列入选择方案之中．此处只分析空气源热泵和热源塔热泵两种方案，并对费用进行对比分析．

3.1热源塔热泵冷热源方案

3.1.1热源塔方案选择

该建筑全年最大热负荷为83.18 kW，考虑到热源塔制热工况下换热量约占空调系统总热量80%［13］，同时考虑设备安全系数约为15%，因此热源塔的容量配置为

冬季制热运行时，热源塔需要从低温高湿空气中换热不少于76.53 kW的低品位热量．此处可以选择闭式热源塔额定量为80 kW/台．

3.1.2热源塔热泵方案选择

建筑物全年最大冷负荷为111.18 kW，可以选择额定制冷量为115 kW的压缩式热泵机组1台，配置单台压缩机即可，机组夏季总制冷量为115 kW，冬季制热量为123 kW，满足设计方案要求．

3.1.3方案初投资与运行费用

初始投资考虑到设备的购置费、运输安装费、调试费、人工和材料(主要是制冷剂、防冻溶液及喷淋溶液)费用，此处折合为单位制冷、热量的综合单价．热源塔综合单价折合约0.065万元/kW，热源塔热泵的综合单价约为0.085万元/kW，因此方案初投资费用为

热源塔热泵的日常运行费用，结合建筑制冷时间、采暖时间和全年逐时冷、热负荷计算．该建筑全年各月冷、热负荷见表3．

表3　建筑全年逐月负荷Table 3 Building monthly loads

考虑到热源塔热泵机组运行负荷依据建筑物实际负荷变化，要准确地测量计算各月平均机组实际运行负荷较困难，在满足建筑冷热负荷的要求下，利用系数相关法来求机组实际运行负荷，此处负荷系数取1.25，因此机组的实际运行负荷为

机组运行负荷=建筑负荷×1.25(3)

热源塔热泵各设备逐月性能比参数见表4．

表4　热泵各设备运行性能比参数Table 4 Parameters of operating performance ratio of heat pump equipments

由表4数据计算的全年系统能耗结果如表5．

表5　系统设备全年能耗Table 5 Annual energy consumption of heat pump equipments　kW·h

热源塔热泵系统方案全年运行能耗为45 021 kW·h，该地区居民用电价格0.888元/(kW·h)，得出该方案总的运行费用为45 021 kW·h×0.888元/(kW·h) = 39 978.65元．

3.2空气源热泵冷热源方案

3.2.1空气源热泵的原理

空气源热泵空调系统是基于逆卡诺循环的原理，以少量的电能来吸收大气中的低温热能，然后通过压缩机获取高温热能达到制热效果的空调系统．在冬季工况运行时，以制冷剂作为热媒，在蒸发器中蒸发吸收空气中的热能，经压缩机将低温位的热能提高为高温位热能，在冷凝器中加热系统循环水，为室内提供高温热源;在夏季工况运行时，以制冷剂作为冷媒，在蒸发器中蒸发吸收系统循环水从室内带来的热量，经压缩机提升为高温位热能后，在冷凝器中向空气释放热量，从而达到降低室内温度的作用．空气源热泵空调系统如此循环往复的工作．

3.2.2空气源热泵方案选择

根据所研究建筑的全年最大热负荷83.18 kW，选择空气源热泵设备．在夏季制冷工况下，空气源热泵的制冷效率EER直接受室外空气干、湿球温度影响，机组消耗的功率随室外空气温度的升高而增大，同时机组制冷效率EER随之降低［14］．室外空气温度为35℃，出水温度为7℃时，机组运行效率EER约为2.5左右．在冬季制冷工况下，空气源热泵所在室外空气温度为5℃以下，湿度为70%以上时，热泵系统结霜较严重，此时化霜程序系统开始工作，化霜期间，机组运行性能下降，供热能力减少约20%以上［15-16］．根据当地气象资料，室外温度低于5℃、湿度高于80%的时间达57 d，此时机组的实际供热能力为标准工况下70%．因此，机组实际供热能力=83.18 kW/70% =118.828 kW．选用标准供热能力为120 kW的满液式活塞热泵机组1台，可以满足冬季工况下的设计要求．

3.2.3方案初投资与运行费用

该方案初始投资同样用综合单价计算，综合单价为0.138 1万元/kW，初投资费用为

初投资费用=120 kW×0.138 1万元/kW

空气源热泵运行费用依照上述计算方法计算，各设备运行性能比参数如表6．

表6　空气源热泵各设备运行性能比参数Table 6 Parameters of operating performance ratio of equipments for air-source heat pump system

空气源热泵系统全年能耗计算结果如表7．

表7　空气源热泵设备全年能耗Table 7 Annual energy consumption of equipments with air-source heat pump system　kW·h

空气源热泵系统方案全年运行能耗为53 366 kW·h，该地区居民用电价格0.888元/(kW·h)，得出该方案的运行总费用为53 366 kW·h×0.888元/(kW·h) = 47 389元．

3.3方案系统对比分析

在冬季运行工况下，热源塔热泵机组实测数据及性能系数计算结果见表8．

在相同运行工况下，根据空气源热泵机组季节性COP经验公式［17］其中，tt、ta、tw和td分别为水温、环境温度、湿球温度以及露点温度．计算得到相同时段工况内空气源热泵的COP为2.24、2.81、2.93、2.86和2.57．由此可知，根据表8热源塔热泵SEER计算结果，与上述空气源热泵经验计算结果相比，相同工况下，热源塔热泵的性能系数要比空气源热泵分别高0.117、0.032、0.065、0.164和0.046．

对比分析以上两个系统方案计算结果可见，热源塔热泵冷热源方案初投资(14.975万元)比空气源热泵冷热方案初投资(16.572万元)约减少1.597万元;全年运行能耗总费用约减少47 389元－39 978.65元=7 860.35元．

表8　热源塔热泵机组测试数据及结果Table 8 Test data and results of heat-source tower with heat pump

结语

本研究针对热源塔热泵空调系统实际应用工程，在冬季低温高湿时段现场测试其冷凝侧数据．利用DeST建立模型，模拟计算该建筑全年冷热负荷，在此基础上设计选择不同的冷热源方案，确定主要设备参数，计算全年能耗，并根据能耗值计算相应全年运行费用．对比分析不同冷热源方案的初投资、全年运行费用及全年能耗，得出热源塔热泵空调系统具有冬季运行稳定，初投资和运行费用低、年运行综合能耗低的优点．由此可知热源塔热泵是一种具有节能效应和环保效益的新型空调方式，符合可持续发展，适于南方冬季低温高湿地区推广使用．

引文:李念平，张鼎，成剑林，等．热源塔热泵空调系统经济性分析［J］．深圳大学学报理工版，2015，32(4) : 404-410．

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【中文责编:晨兮;英文责编:新谷】

【光电工程/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

作者简介:李念平(1962—)，男(汉族)，湖南省长沙市人，湖南大学教授、博士生导师．E-mail: linianping@ hnu.edu.cn

基金项目:国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAJ03 B05-6) ;长沙市科技攻关资助项目(K1104101-11)

中图分类号:TU 831

文献标志码:A

doi:10．3724/SP．J．1249．2015．04404