热源塔热泵在夏热冬暖地区的应用优势

许国强，黄德祥，张旭东（.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广州50500；.江苏辛普森新能源有限公司，扬州57）

热源塔热泵在夏热冬暖地区的应用优势

许国强1，黄德祥2，张旭东2
（1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广州510500；2.江苏辛普森新能源有限公司，扬州225127）

本文对热源塔热泵技术作了简要介绍，将热源塔热泵技术与夏热冬暖地区传统空调供暖方式进行比较分析，认为热源塔热泵技术在夏热冬暖地区有其应用优势，全寿命周期内费用最低，运行稳定，是一种新的节能、环保类热泵空调形式。

建筑节能；热源塔热泵；夏热冬暖地区

1　概述

随着我国城镇化的快速发展，建筑能耗在我国全社会终端能耗的比例快速增加，截至2013年约为27.5%，在整个城镇建筑能耗中，空调能耗占最主要方面，尤其对于亚热带季风气候区，空调系统能耗占到建筑总能耗的50%～70%［1］，按照节能减排规划，中国一次能源消费将于2030年左右使用约20%的非化石能源，推动低碳循环发展。

热源塔热泵系统作为一种新的热泵形式，冬季依靠其独特的运行方式，将空气中的低品位热源用于取暖或制取生活热水［2］，具有良好的节能和环保效益，近年来在夏热冬冷的长江流域及以南地区得到了日益广泛的应用［3］。热源塔热泵系统与目前夏热冬暖地区通常采用的风冷热泵比较，制冷能效高、制热无结霜；与锅炉系统比较，无污染，运行成本低。符合国家大力提倡的创新、环保和节能要求。

2　热源塔热泵系统

热源塔热泵技术源于冷却塔逆用吸热理论，关于冷却塔逆用吸热技术的理论研究最早源于日本［4］，我国于上世纪九十年代中期开始研究热源塔及其热泵技术，在文先太等人［5］［6］的研究下，热源塔热泵技术研究获得迅速发展，目前已在我国夏热冬冷地区被广泛接受，典型项目有浙江普陀山大酒店、上海延安饭店等。

图1　热源塔热泵运行原理

热源塔热泵机组运行原理如图1所示，夏季阀门A开启，阀门B关闭，热泵机组依靠热源塔散热，在有热水需求的建筑中利用热回收可免费为用户提供生活热水；冬季阀门A关闭，阀门B开启，利用冰点低于湿空气露点温度的介质提取空气中的显热及潜热为用户提供暖气及生活热水；春秋季制热水时阀门A关闭，阀门B开启，夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的空气温度高，可利用冷却水在热源塔中循环吸热为用户提供生活热水，此时热源塔热泵机组的COP最高，可达3.5以上。

在热源塔热泵系统中，热源塔是系统的重点之一，文先太等人的研究指出，叉流式热源塔潜热百分比与冷却塔相比小很多，基本低于35%［5］，同时随着溶液温度的升高，溶液温度与空气温度差值变小，潜热百分比变小甚至出现负值，所以冷却塔依靠潜热带走热量与热源塔主要吸收显热有很大不同，在夏热冬暖地区由于载冷剂温度升高，热源塔吸收显热要大于夏热冬冷地区，因此应根据项目条件合理选用热源塔。

3　夏热冬暖地区热源塔热泵应用优势分析

夏热冬暖地区处于我国最南部，包括海南全境、广西大部、广东大部、云南小部分、福建南部以及港澳台地区［7］，该地区夏季时间长，冬季时间短，长年气温高、湿度大，早期多数项目设计只考虑夏季空调制冷未考虑冬季空调供暖。随着该地区经济迅速发展，空调舒适性要求逐渐提高，新建的甲级写字楼、高档办公楼、高星级酒店、大中型医院等均设置冬夏空调；一些既有医院、酒店等建筑也相继增设冬季空调；酒店、医院和一些学校等公共类建筑，更是常年有生活热水需求，冬季建筑能耗也很高。因此，在夏热冬暖地区积极推广节能、环保型冬季空调系统和热水系统显得尤为重要。

热源塔热泵系统适用于冬季室外计算空气干球温度在2～-8℃的地区［3］。夏热冬暖地区一月平均气温大于10℃，空气湿度大，以北区的梅州为例，其冬季供暖室外计算温度为6.7℃，相对湿度77%，采暖计算温度高于热源塔热泵系统推荐温度，而且湿度大，有利于热源塔吸收潜热。因此热源塔热泵系统在夏热冬暖地区比在夏热冬冷地区高效。

3.1夏热冬暖地区空调冷热源常规模式

夏热冬暖地区设置冬夏空调系统的公共建筑的空调冷热源系统配置常规模式有“冷水机组+风冷热泵”、“冷水机组+锅炉”、“风冷热泵”等；夏热冬暖地区采用热源塔热泵系统作空调冷热源的配置模式为“冷水机组+热源塔热泵机组”，制冷时两种机组共同运行，制热时运行热源塔热泵机组，热源塔热泵机组容量一般按项目冬季热负荷选型。

3.2热源塔热泵系统与空调冷热源系统常规模式比较

3.2.1能效分析

按相同工况、以三级能效为例比较，冷水机组/热源塔热泵/风冷热泵制冷时COP值分别为5.20/ 5.10/3.00，热源塔热泵/风冷热泵制热COP值分别为3.70/3.10，夏热冬暖地区距离天然气产区较远，气价高，锅炉冬季制热费用远高于热源塔热泵和风冷热泵。

夏热冬暖地区冬季热负荷一般为夏季冷负荷的1/4～1/3，采用热源塔热泵系统作空调冷热源时，可按“2/3～3/4总容量的冷水机组+1/4～1/3总容量的热源塔热泵机组”配置，因此热源塔热泵系统与“冷水机组+风冷热泵”模式比较，制冷能效相差不大，冬季制热能效高；与“冷水机组+锅炉”模式比较，制冷能效相差不大，冬季制热费用小；与“风冷热泵”模式比较，制冷制热能效均高。

3.2.2可靠性稳定性分析

“冷水机组+风冷热泵”系统制冷时，两种机组共同运行，制热只运行风冷热泵。通常，此种系统的冷水机组设在地下室制冷机房，风冷热泵机组设在裙楼屋面或高层、超高层建筑屋面，两种机组之间高差大，通过很长管路并联连接，夏季共同制冷时，容易造成系统水力不平衡，机组水流量与制冷量不匹配，降低系统运行可靠性。对于一些无裙楼和坡屋面的建筑，更是无条件摆放风冷热泵机组。

“冷水机组+风冷热泵”系统和“风冷热泵”系统冬季采用风冷热泵制热，冬季空气潮湿，当寒潮来临时，空气温度下降，相对湿度增高，会导致风冷热泵结霜，影响制热效果，融霜时制热量难保证，一些高星级酒店及医院建筑通常还要求另配辅助热源，造成系统投资高、系统配置复杂。一些建设在山区的旅游宾馆、温泉度假村等项目，冬季寒冷时段的室外计算空气干球温度处在2℃以下，湿度非常大，风冷热泵机组更易结霜，运行效率低，除霜过程供热无保障，空调供热效果差，这些项目必须另配辅助热源。风冷热泵机组设在室外，日晒雨淋，易受外界不良环境侵蚀，维护保养工作量大，机组能效衰减快，使用寿命较短。

“冷水机组+锅炉”系统冬季采用燃气锅炉制热，除运行成本高外，需设烟道排烟，对环境有污染；有些项目建设地点没有管道供应天然气，需设瓶组定期补充燃气，瓶组占用建设用地，且需设置消防设施，增加燃气系统投资。

3.2.3初投资分析

热源塔热泵机组比相同容量的冷水机组价格高，但夏热冬暖地区冬季热负荷一般为夏季总冷负荷的1/4～1/3，系统只需按总冷负荷的1/4～1/3配备热源塔热泵机组，其余按常规冷水机组配置；同理，热源塔（冷却塔）只需按夏季总冷负荷配置，冬季吸热运行可充分利用系统冷却塔吸热，而无需像夏热冬冷地区要增大热源塔配置；在冬季干球温度高于9℃的夏热冬暖地区，源侧冷却水可不添加抗冻剂，不需设置冷却水溶液回收系统。这些都是控制初投资、降低运行成本的有效措施。

热源塔热泵系统的冷水机组和热源塔热泵机组设在同一个机房，夏季制冷，两种机组共同运行时容易实现水力平衡；冬季制热，可根据项目所在地气象条件调整源侧溶液浓度，能保证热源塔热泵系统可靠稳定运行。热源塔热泵系统夏季制冷，冬季吸收空气中的显热与潜热制热，并可提供生活热水，一机三用，与常规空调冷热源系统模式比，只需设置一个机房，同时解决了用户的空调及热水需求，系统运行能效高，可靠稳定，无污染，控制简单，适合在夏热冬暖地区推广应用；对不适合设置风冷热泵和锅炉的项目，更具有明显的应用优势。

4　全寿命周期费用分析

4.1构成

全寿命周期费用（life cycle cost，简称LCC）是指设备或系统从诞生到报废的整个周期需要的费用总和［8］，对于空调系统而言，包括系统初投资、运行费用、维护保养费用和设备更新等全寿命期消耗。根据全寿命周期的定义，结合机房运行，得出空调机房系统的全寿命周期费用计算如下:

式中:LCC为折算成现值的全寿命周期费用（万元）；I为折算成现值的一次性投资（万元）；Rep为折算成现值的设备更新投资（万元）；OM&R为折算成现值的运行维护费用（万元）；

4.2寿命周期的确定

主机的寿命周期由生产、安装、运行、维护、报废等阶段组成，根据当前各厂家公开的资料，表1列取了各机组的寿命周期。

表1　机组寿命周期汇总

4.3折算因子的确定

由于全寿命周期费用是在整个寿命周期内按时间序列发生的，为便于在相同的基础上作比较，需要将各时间发生的费用统一折算成初始年的现值，根据机房费用结构将折现因子分为单一现值因子（简称SPV）、不变的现值因子（简称UPV）以及修正的现值因子（简称UPV*）［9］，各折现因子的计算公式如下:

式中:d为折现率，取10%；n为年数；e为相关能源价格的上涨指数，取5%。

为比较热源塔热泵在夏热冬暖地区的优越性，现以梅州地区某酒店为基础，将热源塔热泵系统与夏热冬暖地区常用的“冷水机组+风冷热泵”、“冷水机组+锅炉”、“风冷热泵”系统做全寿命周期费用的评估分析，该酒店地下一层，地上18层，客房286间，总建筑面积32000m2。空调夏季冷负荷3280kW，冬季热负荷为1100kW，热水负荷448kW，该建筑既有制冷、制热又有热水需求。

4.4一次性投资（综合造价）的计算与分析

机房的一次性投资即设备从购买到开始使用时所支出的所有费用，表2为梅州某酒店各系统机房一次投资成本。

4.5运行及维护费用分析

空调系统的运行费用为能耗费用，能源价格与机组的效能决定了系统的运行费用，为分析各系统的运行费用，考虑到机组能效的衰减，现以容量大于1163kW机组的三级能效作为全寿命周期内计算的依据，分别计算热源塔热泵系统及夏热冬暖地区常用空调系统的单位成本。2015年梅州商业用气为6元/m3商业用电为0.9元/kWh，表3为各系统空调单位负荷成本表。

表2　机房投资成本汇总（按市场报价）

表3　空调单位成本计算表

对于有热水需求的建筑，当前普遍采用热回收技术，在制冷时回收热量用于制取生活热水，可降低业主的运行成本，具有较高的经济性，故在分析热水的运行成本时只需计算春秋季不制冷时和冬季制热时的热水运行成本，表4为各系统当前，对长期有热水需求的建筑，考虑到运行成本的压力，业主普遍采用夏季热回收的方式获取生活热水，故热水成本的分析只需分析春秋季与冬季各系统的运行成本即可，表4为各系统热水单位负荷成本表。

表4　热水单位成本计算表

机组的维护成本含换热器的清洗、压缩机的保养、过滤器清洗等，结合工程实际经验，各系统的维护保养成本以其造价的百分数表示:热源塔热泵系统为2%，冷水机组配风冷热泵为1.3%，冷水机组配天然气锅炉为1.8%，风冷热泵为1%。

表5　各系统维护成本表

利用全寿命周期公式，并结合各成本的计算结果，分别计算梅州某酒店不同空调系统的全寿命周期费用成本。表6列出了各系统的全寿命周期成本数据。

5　热源塔热泵系统应用注意问题

笔者认为，在夏热冬暖地区推广热源塔热泵技术，在设计及应用中应注意以下问题:

（1）热源塔热泵系统夏季运行与冷水机组相同，冬季运行不同于冷水机组，故在设计中要考虑季节切换的方式，通常冬夏切换可采用主管道切换或单台主机支管切换，两种方式各有利弊，应在设计中考虑系统运行的方便，综合考虑采用哪种方式切换。

（2）热源塔热泵冬季源侧冷却水运行温度一般在零下，需在冷却水中加入添加剂，而在夏季运行时不需要，故在系统设计中要考虑含抗冻剂的冷却水溶液回收问题，以免造成浪费与污染。

（3）热源塔冬季运行主要吸收显热，必须具有较大的传热面积与排风量，相同容量的热源塔通常比普通冷却塔外形尺寸更大，才能满足其冬季吸热的要求。但夏热冬暖地区热负荷小，冬季可充分利用系统冷却塔作热源塔，因此要做好热源塔选型计算，不要盲目增大热源塔配置，增加初投资。

（4）热源塔热泵系统要有可靠的浓度检测装置，实时检测冷却水中抗冻剂的比重，以免造成主机蒸发器结冰冻坏铜管，造成冷却水进入氟路循环，损坏压缩机。

（5）夏热冬暖地区冬季气温高，在干球温度高于9℃时冷却水可不添加抗冻剂，降低运行成本，但是要做好冷却水温度的控制，防止蒸发器结冰冻坏铜管。

表6　各系统全寿命周期费用分析汇总表

6　结论

根据表6中的数据不难看出，热源塔热泵系统一次性投资比“冷水机组+风冷热泵”系统和“冷水机组+锅炉”系统高，但比“风冷热泵”系统低；在运行费用方面热源塔热泵系统较夏热冬暖地区常用的几种空调冷热源系统低；在全寿命周期内总的费用方面也较其它几种系统具有较高的优势。

当前热源塔热泵技术已在夏热冬冷地区得到推广，实践表明其运行效果满足采暖规范要求，夏热冬暖地区由于其冬季热需求较夏热冬冷地区少，热源塔热泵应用推广缓慢，本文将夏热冬暖地区常用的几种空调供暖方式与热源塔热泵技术进行分析、比较后得出:热源塔热泵作为一种新型热泵形式，其运行能效高，机组设计灵活，限制条件少，全寿命周期内总成本最低，随着绿色建筑的深入实施，其在夏热冬暖地区的应用也必将越来越广。

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The App lication Advantage of Heat-source-tower Heat Pump in Hot Summer and Cold Winter Area

XU Guoqiang1，HUANG Dexiang2，ZHANG Xudong2
（1.JianKe Architectual Design Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510500；2.Jiangsu Simpson new energy Co.，Ltd.，Yangzhou 225127）

The heat-source-tower heatpump technology is briefly introduced in this paper，comparative analyzed the heat-source-tower heat pump technology and the traditional heating in hot summer and warm winter area，it believe that the heat-source-tower heat pump technology has advantage application in the hot summer and warm winter area，it has the lowest cost in thewhole life cycle，is a kind ofnew heat pump air conditioning system which is a energy saving and environmental protection type.

Building energy conservation；Heat-source-tower heat pump；Hot summer and warm winter area

TQ051.5；TU831 文献标示码:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.010

ISSN1005-9180（2016）02-052-06

2016-3-28

许国强（1958-），男，高级工程师，主要从事暖通空调设计研究。Email:xgq113@163.com