空调冷热源新产品技术简介及应用案例

空调冷热源新产品技术简介及应用案例

温彩霞

上海国瑞环保科技股份有限公司

介绍了目前市场上除常规空调冷热源及有实际应用、具有一定代表性的节能型的空调冷热源设备技术，并通过案例分析其实际应用的节能性、经济性和可行性。

节能技术；节能产品；空调冷热源；案例分析

目前建筑领域主要的暖通空调的冷热源可分为两种。一种是以电力驱动为主的各种形式冷水机组、水/地源热泵、风冷热泵（含VRV）等，另一种是以燃气燃烧驱动为主的各种形式的锅炉和溴化锂吸收式机组。

在以上海为代表的夏热冬冷地区，一般大型建筑物（酒店、办公楼、商业综合体等）的空调系统以冷水机组+燃气锅炉为主要冷热源形式，面积较小的建筑物多采用风冷热泵机组或VRV空调系统。生活热水热源以锅炉和热泵热水器为主要形式。

本文介绍几种非典型性空调冷热源系统，可作为目前空调冷热源市场的补充，同时该空调系统相比传统空调，标准煤消耗或运行费用可大幅降低，对节能减排要求较高的场合具有很好的适用性，对新建和改造项目也具有一定的示范性和实用性。

1 热源塔热泵系统

1.1 技术原理

热源塔热泵技术是通过热源塔和热泵机组联合工作，实现制冷、供暖及提供生活热水的新型节能技术。冬天它利用冰点低于零度的载体介质，高效提取低温环境下的相对湿度较高的空气中的低品位热能，通过热源塔热泵机组输入少量高品位能源，实现低温环境下低温热能向高温热能的传递，达到制热目的；夏天由于热源塔的特殊设计，起到高效冷却塔的作用，将热量排到大气中实现制冷（见图1）。

图1 热源塔热泵系统形式

1.2 系统优势

热源塔热泵系统以电能为驱动能源，夏季制冷、冬季制热，同时可回收冷凝器余热制取生活热水，一机三用，系统简单。

热源塔热泵空调系统适用于冬季室外计算干球温度在2～-8℃的地区[1]，尤其适用于夏季炎热、冬季气象条件阴雨连绵、空气湿度大的潮湿阴冷地区。因热源塔在潮湿阴冷条件下无结霜困扰，可稳定高效提取冰点以下的空气中的低品位热能，相对比风冷热泵换热性能稳定，整个冬季机组的平均能效比在3.5以上。夏季运行时，结构形式及原理完全等同于水冷式冷水机组，满足建筑物供冷需求。

热源塔热泵系统可取代原冷水机组加锅炉的传统空调系统形式，节省占地面积，初期投资低，性价比高，可满足夏热冬冷地区的空调冷热源的要求。尤其对酒店、医院常年有热水需求的场合，大大提高空调系统的经济性，降低运行和维保费用。

1.3 案例简介

案例1

上海市政府机关办公楼——上海市政大厦，面积约74 000m2。原空调冷热源形式为直燃型溴化锂吸收式冷热水机组。2013年由国瑞环保公司进行节能改造，采用3台热源塔热泵系统替代原溴化锂机组。该系统于2014年改造完成并投入运行至今，节能率超过30%，基本达到了原方案设计的要求。

案例2

上海金门饭店是位于南京路上具有意大利建筑风格的四星级酒店，建筑面积14 000m2，客房180间，生活热水需求量每天约80 t。原空调冷热源是比较典型的燃气锅炉加冷水机组形式。2013年进行空调热水系统改造，拆除原冷水机组和锅炉，采用2台带全热回收功能的热源塔热泵机组进行替代，年节能率超过25%。热源塔机组放置在原冷水机组机房内，腾空锅炉房，并通过锅炉房和员工宿舍的置换，新增15间标准客房，直接可为酒店增加150万元/年的经济收益。

2 磁悬浮离心式制冷机组

2.1 技术原理

磁悬浮技术是利用磁场力使物体沿着一个轴或几个轴保持一定位置的技术措施。集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。

磁悬浮制冷机即是一种采用磁悬浮技术使旋转轴悬浮于轴承之中的离心式制冷机组。数控磁轴承系统，使压缩机的运动部件（动子转轴和叶轮）悬浮在磁衬上无摩擦的运动，磁轴承上的定位传感器则为电机转子提供高达600万次/min的实时重新定位，以确保精确定位和可靠，确保轴与轴承不接触。磁悬浮轴承和传感器的位置见图2。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注。

图2 磁悬浮轴承和传感器示意图

目前，从全球市场占有率看，磁悬浮压缩机占比约10%，其中欧洲59%，美国36%，澳大利亚76%，拉丁美洲、中国、东南亚市场占有率相对较低，中国只有1～2%。随着磁悬浮制冷机技术的成熟以及国产化，据相关估计，未来国内市场磁悬浮机组占比将超过20%[2]。

2.2 技术优势

利用磁悬浮技术的制冷机组具有如下几大优势

（1）零摩擦、无油运行、日常维护简单

由于润滑油与制冷剂有限互溶，制冷剂中不可避免地会携带少量润滑油，由于它的不凝性以及较大的粘度，会造成换热效率的下降。根据ASHRAE Research Study 601，绝大多数冷水机组均含过多的润滑油，且制冷系统内含油量越高，系统效率下降幅度越大，若制冷系统内含4%油，系统效率会下降9%。而磁悬浮冷水机组制冷系统中没有一滴润滑油，因此不存在由润滑油引起的制冷效率衰减。

磁悬浮压缩机在运转过程中，轴因磁力而悬浮、与轴承无接触，没有机械摩擦，大大降低了压缩机的机械损失。

磁悬浮机组毋需润滑油，避免油膜覆盖在换热管上导致换热效率下降，保证产品在整个使用寿命周期具有可持续的优越性能。实现无油润滑可提高机组能效15%以上[2]。

机组完全无油，毋需油路系统、油泵等零部件，可靠性更高，并可大大减少维护保养工作量。

（2）运转低噪音、精确控制水温

制冷机完全无摩擦运行，运行噪音低于70 dB(A)，结构震动接近于零，无需昂贵的减震部件。机组可进行10（min 2%）～100%负荷连续调节，温度控制精度±0.1℃。

（3）启动电流小、对电网无冲击

由于采用磁悬浮技术，开机时只需要2 A的电流就能使转轴悬浮，启动扭矩小，实现对电网的冲击最小。不需要软启动器，节省配电费用。

（4）智能放喘振、运行范围宽

压缩机控制模块中提供了压缩机安全运行的控制曲线，通过实时监测压缩机的运行状态，见图3，经计算判断，能及时调整转速，确保压缩机始终在安全区域运行。

图3 压缩机运行状态示意图

控制逻辑根据机组水温情况和冷凝器液面位置进行实时计算对比，经控制模块判断，调节压缩机和电子膨胀阀，机组的负荷控制可达到最大程度的“随时调节”，实现机组最经济运行；出水温度可调节在在3～20℃，单冷型冷却水进水可达40℃以上，产品适用任何水冷工况，可替换同冷量的螺杆机和离心机组。磁悬浮和螺杆机的运行范围对比如图4所示。

图4 单冷型磁悬浮机组运行范围

（5）IPLV值高、运行费用低

系统通过电子膨胀阀进行智能化调节，可精确调节系统冷媒循环量，在运行稳定情况下，降低冷凝器液面位置，提高制冷量。依据国家能效标准GB19577-2004，产品制冷能效值均达到1级标准。IPLV值可达到10以上，有效降低空调的实际运行费用。

2.3 案例简介

案例1

上海君欣时代广场商业部分原设计空调主机为6台制冷量为1 044 kW的风冷热泵机组。因考虑商场的冷负荷远大于热负荷需求，按冷负荷选配风冷热泵冬季有近50%机组闲置，而风冷机组的夏季制冷COP只有三点几，且温度越高，输出冷量越小。优化设计时取消了2台风冷热泵，增加了同冷量的2台磁悬浮冷水机组。在不增加整体费用基础上，年可节约运行费用50万元，节约标准煤103 t。

案例2

南京某酒店酒店建筑面积为28 000m2，建于1997年，2014年5月对空调系统节能改造，选用2台300USRT磁悬浮离心式冷水机组替代原冷水机组，取得较好效果（见表1）。

据实际运行数据分析，整个空调季节，主机运行费改造后较改造前节省48.9%。

3 燃气空气源吸收式热泵机组

3.1 技术原理

燃气热泵机组，简称GHP机组，采用清洁能源天然气为驱动能源，以MR717为制冷剂，水作为吸收剂，通过翅片式换热器从空气中提取低品位热能，达到1.8倍的高效制热功能，是一种高效的能源综合利用系统。

3.2 燃气热泵特点

（1）节能、减排、环保

吸收式热泵机组从空气中吸取一部分热量，把输入的热能转化为1.8倍的热能，实现高效供热；燃气热泵机组采用一次清洁能源天然气，无PM2.5排放，有效防治雾霾天气；热泵机组采用氨水工质，不破坏臭氧层，保护人类生存环境。

（2）全天候稳定运行

机组适应环境能力强，可在环境温度-20℃到43℃内稳定运转，水温可从5℃到55℃范围内高效运转，最高出水温度可达55℃。

表1 改造前后主机运行费用对比表

（3）按需要安装，能量无级调节

机组模块化设计，因地制宜，选择集中式安装或分布式安装; 机组扩容方便，既保证了先期入住业主的采暖需求又节省了初投资费用，降低了运行成本；单台热量输出自20kW～50kW无级调节，满足不同负荷的要求。

3.3 燃气热泵替代锅炉节能系统

（1）和一般燃气锅炉相比，使用燃气热泵可节约天然气能源50%以上，见表2。

表2 燃气热泵和燃气锅炉等对比分析表

（2）燃气热泵和替代其它常规热源比较分析见表3。

表3 燃气热泵和常规热源对比分析表

表4 各项参数汇总

3.4 案例简介

石家庄某小区采暖系统，总建筑面积：117 962.3 m2，其中地上采暖建筑面积：107 416.1 m2；实际供暖面积约：80 000 m2；总热负荷：3 867 kW；采暖热媒温度：45/35℃热水。各项参数汇总见表4，实际运行费用汇总见表5。

表5 燃气热泵运行费用汇总

4 相变储能技术

4.1 技术简介

相变材料是一类在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度要求的材料[3]。

相变储能技术通过相变材料在相变过程中吸收或放出大量热量以达到能量存储和释放，是一种缓解能量需求双方在时间、地点及强度上不匹配的有效方式。该技术在太阳能的利用、电力的移峰填谷、废热和余热的回收利用等方面具有广泛的应用背景。

在建筑节能领域，相变储能技术可充分利用夜间谷电，将电能转化成热能存储在相变材料中，在白天或其它需要供热的时间段内，将热量释放出来，不仅利用峰谷电价差，有很好的经济效益，同时对电网移峰填谷及实行“煤改电”、“电能替代工程”地区具有很好的社会效益和经济效益。

4.2 案例简介

天津某休闲购物中心，建筑面积8万m2，因层高较高，原市政供暖按13万m2进行固定收费，每年采暖总费用为520万元。2014年采用启能相变蓄热材料（热库）进行采暖系统改造，夜间采用谷电利用电锅炉对蓄热材料充热，在其它时间段释放储存的热能进行供暖。改造完成后，当年采暖季的采暖费用（2014～2015）实际只有190万元电费（谷电电价0.46元/kWh），实际采暖费用为14.6元/m2,较原来的市政供暖节约费用64%。费用对比见图5。

5 结语

本文介绍了几种新型的空调冷热源产品技术和相应案例。表6为新型冷热源和传统冷热源的各项对比分析表。这些产品技术经多年的研发和应用，具有一定的实用性和节能性。随着科技进步和市场的实践检验，其产品的各方面性能将逐步完善和提高，必将给空调冷热源市场带来更多的活力，丰富暖通空调设计单位和各使用单位的选择空间。

图5 热库采暖费用与市政采暖费用对比

[1]CECS362:2014热源塔热泵系统应用技术规程，中国计划出版社

[2]磁悬浮离心机产业发展白皮书，2015年11月

[3]《相变材料与相变储能技术》作 者:张仁远 等 著丛 书 名:现代材料科学丛书出版

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 新型冷热源与传统冷热源各项对比

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