熱源塔熱泵技術(shù)在貴州地區(qū)應(yīng)用的可行性分析

杜松　李金桃

【摘要】分析比較貴州地區(qū)常用的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源與熱源塔熱泵技術(shù)的特點(diǎn)，并通過工程案例分析應(yīng)用水源熱泵系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)以及熱源塔熱泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，指出熱源塔熱泵技術(shù)適用于貴州地區(qū)，具有推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】熱源塔；熱泵技術(shù)；經(jīng)濟(jì)性

【Abstract】Analysis of the more commonly used air-conditioning systems in Guizhou characteristics and the cold heat source heat pump technology， tower， water source heat pump system and application， air-cooled heat pump system and economy tower heat pump technology， pointed tower heat pump technology is applicable to the project in Guizhou by case analysis area， is worth promoting.

【Key words】Heat tower；Pump technology；Economics

1. 引言

（1）鑒于傳統(tǒng)空調(diào)熱源中冷卻塔不能滿足冬季冷水機(jī)組對(duì)熱源的需求，國內(nèi)學(xué)者就建議按冬季吸收低品位熱源的能力來設(shè)計(jì)冷卻塔的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)冬季冷水機(jī)組制熱功能，該類冷熱源形式稱之為熱源塔。目前，國內(nèi)熱源塔應(yīng)用技術(shù)逐步趨向成熟，經(jīng)過不斷改進(jìn)完善，已研制發(fā)展到第五代，廣泛應(yīng)用于云南等南方省份，作為建筑物制冷、供暖和生活熱水的熱源形式。

（2）貴州位于我國亞熱帶西部，云貴高原斜坡上，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，大部分地區(qū)氣候溫和濕潤。冬半年由于北有秦巴山系阻擋，南下冷空氣多半繞道兩湖盆地由偏東北方向入侵，常在中部和西部形成靜止鋒，中部、東部正好處于鋒后，故冬季多連陰雨天氣，全省通常最冷月（1月）平均氣溫多在3℃～6℃，比同緯度其他地區(qū)高，常年相對(duì)濕度在70%以上，從貴州地區(qū)氣候特征可以看出貴州地區(qū)非常適合于熱源塔熱泵技術(shù)的推廣，但目前熱源塔熱泵技術(shù)在該地區(qū)應(yīng)用較少，且規(guī)模小，因此本文針對(duì)某空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目探索熱源塔熱泵技術(shù)在貴州地區(qū)的可行性。

2. 熱源塔熱泵技術(shù)

（1）熱源塔熱泵技術(shù)是通過熱源塔的熱交換和熱泵機(jī)組作用，實(shí)現(xiàn)供暖、制冷以及提供熱水的技術(shù)，熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理見圖1。冬天它利用低于冰點(diǎn)載體介質(zhì)，高效提取冰點(diǎn)以下的濕球水熱能，對(duì)熱源塔熱泵機(jī)組輸入少量高品位能源，實(shí)現(xiàn)冰點(diǎn)以下低溫?zé)崮芟蚋邷匚晦D(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)制熱；夏天由于熱源塔的特殊設(shè)計(jì)，起到高效冷卻塔的作用，將熱量排到大氣實(shí)現(xiàn)制冷。

（2）眾所周知，傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵在陰雨連綿，空氣濕度大，潮濕陰冷地區(qū)冬季供熱時(shí)結(jié)霜嚴(yán)重，融霜需消耗一定能源，因而熱泵效率低，而熱源塔采用冰點(diǎn)在-10℃以下的CaCl2等載冷劑溶液，在潮濕陰冷空氣濕度大條件下無霜困擾，可穩(wěn)定高效提取冰點(diǎn)以下的濕球水體顯熱能，且按照供熱負(fù)荷能力設(shè)計(jì)的換熱面積，相對(duì)比風(fēng)冷熱泵換熱性能穩(wěn)定，整個(gè)冬季機(jī)組的性能系數(shù)COP可在3.0～3.5范圍內(nèi)變化。由于熱源塔設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮冬季利用低焓值溶液從較高焓值的濕冷空氣中提取熱量，因此熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要適用于冬季氣侯、氣象條件陰雨連綿，空氣濕度大，潮濕陰冷地區(qū)。

3. 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算。

（1）某醫(yī)院位于貴州省貴陽市，建筑面積28933 m2，占地面積7294m2，貴陽地區(qū)氣象參數(shù)：

夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度：30.1℃

冬季室外干球溫度：-2.5℃

室外計(jì)算相對(duì)濕度：83 %

夏季室內(nèi)溫度：24～26℃

冬季室內(nèi)溫度：20～22℃

夏季室內(nèi)相對(duì)濕度：40 %～60%

（2）采用鴻業(yè)軟件進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，具體方法為諧波法，夏季冷負(fù)荷約為1320KW，冬季熱負(fù)荷為1590KW，全年累計(jì)熱負(fù)荷3081017.30KWh，全年累計(jì)冷負(fù)荷2146099.49 KWh。

3.2 比較空調(diào)方案。

（1）分別以地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)（方案1）、空氣源熱泵集中空調(diào)系統(tǒng)（方案2）、熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)（方案3） 對(duì)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性的分析和比較。末端均采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)機(jī)組的空調(diào)形式，空調(diào)側(cè)采用3臺(tái)15KW、2臺(tái)11KW臥式單級(jí)單吸離心泵，地源側(cè)采用5臺(tái)18.5KW臥式單級(jí)單吸離心泵，結(jié)合設(shè)計(jì)方案和市場(chǎng)調(diào)研情況，各種空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算后主要性能及初投資見表1：

（2）由于貴州地區(qū)以高原喀斯特為主，同時(shí)在垂直地埋管鉆井施工過程中，極易出現(xiàn)地下溶洞及地下暗流等情況，需要采用套管等形式進(jìn)行護(hù)壁堵漏，增加了工程施工難度，土壤源熱泵系統(tǒng)增量成本比其他地區(qū)高，因此，各空調(diào)方案中，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的初投資最高，空氣源熱泵系統(tǒng)的初投資最低，熱源塔熱泵系統(tǒng)由于需要增加防霜、加藥等輔助系統(tǒng)，初投資比空氣源熱泵系統(tǒng)略高。

3.3 各空調(diào)方案經(jīng)濟(jì)性分析。

（1）項(xiàng)目全年累計(jì)熱負(fù)荷3081017.30KWh，全年累計(jì)冷負(fù)荷2146099.49 KWh，則各種空調(diào)方案年運(yùn)行費(fèi)用如表2：

（2）各空調(diào)方案中地埋管地源熱泵系統(tǒng)的維護(hù)對(duì)象主要有制冷主機(jī)、循環(huán)水泵和地埋管換熱器，空氣源熱泵系統(tǒng)與熱源塔熱泵系統(tǒng)主要是熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵，結(jié)合系統(tǒng)能效，在年運(yùn)行費(fèi)用中，地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用29.2萬元，而熱源塔年運(yùn)行費(fèi)用最低，比空氣源熱泵系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用74.2萬元。在靜態(tài)全壽命使用周期內(nèi)，熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)投入效率最高，為2.86 KWh/元，而地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于初投資高，投入效率最低。

4. 經(jīng)濟(jì)性外的熱源塔熱泵系統(tǒng)特征

（1）相對(duì)與傳統(tǒng)冷卻塔冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)，由于按供熱負(fù)荷能力設(shè)計(jì)的換熱面積，換熱面積大，熱源塔轉(zhuǎn)化為冷卻塔使用時(shí)，換熱效率大大提升，冷卻效率比冷卻塔高50%以上，夏季能效達(dá)到4.4。傳統(tǒng)冷卻塔冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)不能在冬季使用，需增設(shè)鍋爐供熱系統(tǒng)，增加了投資成本，本文中引用醫(yī)院建筑鍋爐供熱系統(tǒng)就需要增加50萬元，而空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季需要消耗能源除霜，能效為2.7，但熱源塔可以在室外濕球溫度高于-9℃的地區(qū)用于冬季供熱，冬季平均能效比可以達(dá)到3.5且無結(jié)霜現(xiàn)象，提高了設(shè)備使用率，降低初投資，節(jié)能環(huán)保。

（2）貴州大部分地區(qū)由于地理氣候原因，冬季采暖負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)負(fù)荷，本文中的建筑年累計(jì)冷熱負(fù)荷差就大于30%，如采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)就存在嚴(yán)重的冷熱不平衡問題，周期運(yùn)行后，將會(huì)巖土溫度降低，冷卻水溫度偏低，使得熱泵系統(tǒng)效益降低甚至無法運(yùn)行，對(duì)生態(tài)造成破壞，一般需增設(shè)太陽能熱水輔熱系統(tǒng)，以地下空間作為蓄熱體，使土壤問題保持平衡，大大增加了投資成本，因此采用地埋管形式地源熱泵系統(tǒng)在貴州地區(qū)需根據(jù)全年負(fù)荷變化保證冷熱負(fù)荷平衡。但熱源塔熱泵系統(tǒng)是在空氣環(huán)境中吸收或釋放熱量，不存在冷熱不平衡問題。

（3）熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用開式熱源塔時(shí)，防凍液膜直接與空氣進(jìn)行顯熱與潛熱交換，凝結(jié)了空氣中的水分，使防凍溶液濃度降低，冰點(diǎn)上升，需要設(shè)置防霜系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)，保持溶液濃度，同時(shí)也與開式冷卻塔相同，存在飄水現(xiàn)象，造成一定溶液浪費(fèi)，管理非常麻煩。采用閉式熱源塔可以解決上述問題，但造價(jià)較高。

5. 結(jié)論

綜上所述，與傳統(tǒng)的冷機(jī)+鍋爐、風(fēng)冷熱泵以及水/地源熱泵等空調(diào)冷熱源形式相比，熱源塔熱泵技術(shù)具有使用地點(diǎn)靈活，造價(jià)低廉以及使用效率高等特點(diǎn)，適用于貴州地區(qū)的新建工程以及既有建筑空調(diào)冷熱源改造工程，具有推廣使用的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 龍激波，裴清清.地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在廣州地區(qū)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析.暖通空調(diào)，2006，（4）：43～47.

[2] 宋應(yīng)乾，馬宏權(quán)，龍惟定.熱源塔熱泵技術(shù)在空調(diào)工程中的應(yīng)用與分析.暖通空調(diào)，2011，（4）：20-23.

[基金項(xiàng)目]貴州省科技廳項(xiàng)目-既有建筑熱源系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用（黔科合社SY字[2013]3093）；國家科技部“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題（課題編號(hào)：2011BAJ03B10）；貴州省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（黔科合重大專項(xiàng)字[2012]6024號(hào)）。

[文章編號(hào)]1619-2737（2016）03-07-128

[作者簡介] 杜松（1983.02-），男，籍貫：貴陽，職稱：工程師，工作單位：貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司，專業(yè)：建筑環(huán)境與設(shè)備工程，職務(wù)：副所長，研究方向：建筑節(jié)能，綠色建筑，畢業(yè)學(xué)校：西安建筑科技大學(xué)。