熱源塔熱泵在夏熱冬暖地區(qū)的應用優(yōu)勢

許國強，黃德祥，張旭東（.廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣州50500；.江蘇辛普森新能源有限公司，揚州57）

熱源塔熱泵在夏熱冬暖地區(qū)的應用優(yōu)勢

許國強1，黃德祥2，張旭東2
（1.廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣州510500；2.江蘇辛普森新能源有限公司，揚州225127）

本文對熱源塔熱泵技術作了簡要介紹，將熱源塔熱泵技術與夏熱冬暖地區(qū)傳統(tǒng)空調供暖方式進行比較分析，認為熱源塔熱泵技術在夏熱冬暖地區(qū)有其應用優(yōu)勢，全壽命周期內費用最低，運行穩(wěn)定，是一種新的節(jié)能、環(huán)保類熱泵空調形式。

建筑節(jié)能；熱源塔熱泵；夏熱冬暖地區(qū)

1　概述

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，建筑能耗在我國全社會終端能耗的比例快速增加，截至2013年約為27.5%，在整個城鎮(zhèn)建筑能耗中，空調能耗占最主要方面，尤其對于亞熱帶季風氣候區(qū)，空調系統(tǒng)能耗占到建筑總能耗的50%～70%［1］，按照節(jié)能減排規(guī)劃，中國一次能源消費將于2030年左右使用約20%的非化石能源，推動低碳循環(huán)發(fā)展。

熱源塔熱泵系統(tǒng)作為一種新的熱泵形式，冬季依靠其獨特的運行方式，將空氣中的低品位熱源用于取暖或制取生活熱水［2］，具有良好的節(jié)能和環(huán)保效益，近年來在夏熱冬冷的長江流域及以南地區(qū)得到了日益廣泛的應用［3］。熱源塔熱泵系統(tǒng)與目前夏熱冬暖地區(qū)通常采用的風冷熱泵比較，制冷能效高、制熱無結霜；與鍋爐系統(tǒng)比較，無污染，運行成本低。符合國家大力提倡的創(chuàng)新、環(huán)保和節(jié)能要求。

2　熱源塔熱泵系統(tǒng)

熱源塔熱泵技術源于冷卻塔逆用吸熱理論，關于冷卻塔逆用吸熱技術的理論研究最早源于日本［4］，我國于上世紀九十年代中期開始研究熱源塔及其熱泵技術，在文先太等人［5］［6］的研究下，熱源塔熱泵技術研究獲得迅速發(fā)展，目前已在我國夏熱冬冷地區(qū)被廣泛接受，典型項目有浙江普陀山大酒店、上海延安飯店等。

圖1　熱源塔熱泵運行原理

熱源塔熱泵機組運行原理如圖1所示，夏季閥門A開啟，閥門B關閉，熱泵機組依靠熱源塔散熱，在有熱水需求的建筑中利用熱回收可免費為用戶提供生活熱水；冬季閥門A關閉，閥門B開啟，利用冰點低于濕空氣露點溫度的介質提取空氣中的顯熱及潛熱為用戶提供暖氣及生活熱水；春秋季制熱水時閥門A關閉，閥門B開啟，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的空氣溫度高，可利用冷卻水在熱源塔中循環(huán)吸熱為用戶提供生活熱水，此時熱源塔熱泵機組的COP最高，可達3.5以上。

在熱源塔熱泵系統(tǒng)中，熱源塔是系統(tǒng)的重點之一，文先太等人的研究指出，叉流式熱源塔潛熱百分比與冷卻塔相比小很多，基本低于35%［5］，同時隨著溶液溫度的升高，溶液溫度與空氣溫度差值變小，潛熱百分比變小甚至出現(xiàn)負值，所以冷卻塔依靠潛熱帶走熱量與熱源塔主要吸收顯熱有很大不同，在夏熱冬暖地區(qū)由于載冷劑溫度升高，熱源塔吸收顯熱要大于夏熱冬冷地區(qū)，因此應根據(jù)項目條件合理選用熱源塔。

3　夏熱冬暖地區(qū)熱源塔熱泵應用優(yōu)勢分析

夏熱冬暖地區(qū)處于我國最南部，包括海南全境、廣西大部、廣東大部、云南小部分、福建南部以及港澳臺地區(qū)［7］，該地區(qū)夏季時間長，冬季時間短，長年氣溫高、濕度大，早期多數(shù)項目設計只考慮夏季空調制冷未考慮冬季空調供暖。隨著該地區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展，空調舒適性要求逐漸提高，新建的甲級寫字樓、高檔辦公樓、高星級酒店、大中型醫(yī)院等均設置冬夏空調；一些既有醫(yī)院、酒店等建筑也相繼增設冬季空調；酒店、醫(yī)院和一些學校等公共類建筑，更是常年有生活熱水需求，冬季建筑能耗也很高。因此，在夏熱冬暖地區(qū)積極推廣節(jié)能、環(huán)保型冬季空調系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)顯得尤為重要。

熱源塔熱泵系統(tǒng)適用于冬季室外計算空氣干球溫度在2～-8℃的地區(qū)［3］。夏熱冬暖地區(qū)一月平均氣溫大于10℃，空氣濕度大，以北區(qū)的梅州為例，其冬季供暖室外計算溫度為6.7℃，相對濕度77%，采暖計算溫度高于熱源塔熱泵系統(tǒng)推薦溫度，而且濕度大，有利于熱源塔吸收潛熱。因此熱源塔熱泵系統(tǒng)在夏熱冬暖地區(qū)比在夏熱冬冷地區(qū)高效。

3.1夏熱冬暖地區(qū)空調冷熱源常規(guī)模式

夏熱冬暖地區(qū)設置冬夏空調系統(tǒng)的公共建筑的空調冷熱源系統(tǒng)配置常規(guī)模式有“冷水機組+風冷熱泵”、“冷水機組+鍋爐”、“風冷熱泵”等；夏熱冬暖地區(qū)采用熱源塔熱泵系統(tǒng)作空調冷熱源的配置模式為“冷水機組+熱源塔熱泵機組”，制冷時兩種機組共同運行，制熱時運行熱源塔熱泵機組，熱源塔熱泵機組容量一般按項目冬季熱負荷選型。

3.2熱源塔熱泵系統(tǒng)與空調冷熱源系統(tǒng)常規(guī)模式比較

3.2.1能效分析

按相同工況、以三級能效為例比較，冷水機組/熱源塔熱泵/風冷熱泵制冷時COP值分別為5.20/ 5.10/3.00，熱源塔熱泵/風冷熱泵制熱COP值分別為3.70/3.10，夏熱冬暖地區(qū)距離天然氣產(chǎn)區(qū)較遠，氣價高，鍋爐冬季制熱費用遠高于熱源塔熱泵和風冷熱泵。

夏熱冬暖地區(qū)冬季熱負荷一般為夏季冷負荷的1/4～1/3，采用熱源塔熱泵系統(tǒng)作空調冷熱源時，可按“2/3～3/4總容量的冷水機組+1/4～1/3總容量的熱源塔熱泵機組”配置，因此熱源塔熱泵系統(tǒng)與“冷水機組+風冷熱泵”模式比較，制冷能效相差不大，冬季制熱能效高；與“冷水機組+鍋爐”模式比較，制冷能效相差不大，冬季制熱費用小；與“風冷熱泵”模式比較，制冷制熱能效均高。

3.2.2可靠性穩(wěn)定性分析

“冷水機組+風冷熱泵”系統(tǒng)制冷時，兩種機組共同運行，制熱只運行風冷熱泵。通常，此種系統(tǒng)的冷水機組設在地下室制冷機房，風冷熱泵機組設在裙樓屋面或高層、超高層建筑屋面，兩種機組之間高差大，通過很長管路并聯(lián)連接，夏季共同制冷時，容易造成系統(tǒng)水力不平衡，機組水流量與制冷量不匹配，降低系統(tǒng)運行可靠性。對于一些無裙樓和坡屋面的建筑，更是無條件擺放風冷熱泵機組。

“冷水機組+風冷熱泵”系統(tǒng)和“風冷熱泵”系統(tǒng)冬季采用風冷熱泵制熱，冬季空氣潮濕，當寒潮來臨時，空氣溫度下降，相對濕度增高，會導致風冷熱泵結霜，影響制熱效果，融霜時制熱量難保證，一些高星級酒店及醫(yī)院建筑通常還要求另配輔助熱源，造成系統(tǒng)投資高、系統(tǒng)配置復雜。一些建設在山區(qū)的旅游賓館、溫泉度假村等項目，冬季寒冷時段的室外計算空氣干球溫度處在2℃以下，濕度非常大，風冷熱泵機組更易結霜，運行效率低，除霜過程供熱無保障，空調供熱效果差，這些項目必須另配輔助熱源。風冷熱泵機組設在室外，日曬雨淋，易受外界不良環(huán)境侵蝕，維護保養(yǎng)工作量大，機組能效衰減快，使用壽命較短。

“冷水機組+鍋爐”系統(tǒng)冬季采用燃氣鍋爐制熱，除運行成本高外，需設煙道排煙，對環(huán)境有污染；有些項目建設地點沒有管道供應天然氣，需設瓶組定期補充燃氣，瓶組占用建設用地，且需設置消防設施，增加燃氣系統(tǒng)投資。

3.2.3初投資分析

熱源塔熱泵機組比相同容量的冷水機組價格高，但夏熱冬暖地區(qū)冬季熱負荷一般為夏季總冷負荷的1/4～1/3，系統(tǒng)只需按總冷負荷的1/4～1/3配備熱源塔熱泵機組，其余按常規(guī)冷水機組配置；同理，熱源塔（冷卻塔）只需按夏季總冷負荷配置，冬季吸熱運行可充分利用系統(tǒng)冷卻塔吸熱，而無需像夏熱冬冷地區(qū)要增大熱源塔配置；在冬季干球溫度高于9℃的夏熱冬暖地區(qū)，源側冷卻水可不添加抗凍劑，不需設置冷卻水溶液回收系統(tǒng)。這些都是控制初投資、降低運行成本的有效措施。

熱源塔熱泵系統(tǒng)的冷水機組和熱源塔熱泵機組設在同一個機房，夏季制冷，兩種機組共同運行時容易實現(xiàn)水力平衡；冬季制熱，可根據(jù)項目所在地氣象條件調整源側溶液濃度，能保證熱源塔熱泵系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。熱源塔熱泵系統(tǒng)夏季制冷，冬季吸收空氣中的顯熱與潛熱制熱，并可提供生活熱水，一機三用，與常規(guī)空調冷熱源系統(tǒng)模式比，只需設置一個機房，同時解決了用戶的空調及熱水需求，系統(tǒng)運行能效高，可靠穩(wěn)定，無污染，控制簡單，適合在夏熱冬暖地區(qū)推廣應用；對不適合設置風冷熱泵和鍋爐的項目，更具有明顯的應用優(yōu)勢。

4　全壽命周期費用分析

4.1構成

全壽命周期費用（life cycle cost，簡稱LCC）是指設備或系統(tǒng)從誕生到報廢的整個周期需要的費用總和［8］，對于空調系統(tǒng)而言，包括系統(tǒng)初投資、運行費用、維護保養(yǎng)費用和設備更新等全壽命期消耗。根據(jù)全壽命周期的定義，結合機房運行，得出空調機房系統(tǒng)的全壽命周期費用計算如下:

式中:LCC為折算成現(xiàn)值的全壽命周期費用（萬元）；I為折算成現(xiàn)值的一次性投資（萬元）；Rep為折算成現(xiàn)值的設備更新投資（萬元）；OM&R為折算成現(xiàn)值的運行維護費用（萬元）；

4.2壽命周期的確定

主機的壽命周期由生產(chǎn)、安裝、運行、維護、報廢等階段組成，根據(jù)當前各廠家公開的資料，表1列取了各機組的壽命周期。

表1　機組壽命周期匯總

4.3折算因子的確定

由于全壽命周期費用是在整個壽命周期內按時間序列發(fā)生的，為便于在相同的基礎上作比較，需要將各時間發(fā)生的費用統(tǒng)一折算成初始年的現(xiàn)值，根據(jù)機房費用結構將折現(xiàn)因子分為單一現(xiàn)值因子（簡稱SPV）、不變的現(xiàn)值因子（簡稱UPV）以及修正的現(xiàn)值因子（簡稱UPV*）［9］，各折現(xiàn)因子的計算公式如下:

式中:d為折現(xiàn)率，取10%；n為年數(shù)；e為相關能源價格的上漲指數(shù)，取5%。

為比較熱源塔熱泵在夏熱冬暖地區(qū)的優(yōu)越性，現(xiàn)以梅州地區(qū)某酒店為基礎，將熱源塔熱泵系統(tǒng)與夏熱冬暖地區(qū)常用的“冷水機組+風冷熱泵”、“冷水機組+鍋爐”、“風冷熱泵”系統(tǒng)做全壽命周期費用的評估分析，該酒店地下一層，地上18層，客房286間，總建筑面積32000m2?？照{夏季冷負荷3280kW，冬季熱負荷為1100kW，熱水負荷448kW，該建筑既有制冷、制熱又有熱水需求。

4.4一次性投資（綜合造價）的計算與分析

機房的一次性投資即設備從購買到開始使用時所支出的所有費用，表2為梅州某酒店各系統(tǒng)機房一次投資成本。

4.5運行及維護費用分析

空調系統(tǒng)的運行費用為能耗費用，能源價格與機組的效能決定了系統(tǒng)的運行費用，為分析各系統(tǒng)的運行費用，考慮到機組能效的衰減，現(xiàn)以容量大于1163kW機組的三級能效作為全壽命周期內計算的依據(jù)，分別計算熱源塔熱泵系統(tǒng)及夏熱冬暖地區(qū)常用空調系統(tǒng)的單位成本。2015年梅州商業(yè)用氣為6元/m3商業(yè)用電為0.9元/kWh，表3為各系統(tǒng)空調單位負荷成本表。

表2　機房投資成本匯總（按市場報價）

表3　空調單位成本計算表

對于有熱水需求的建筑，當前普遍采用熱回收技術，在制冷時回收熱量用于制取生活熱水，可降低業(yè)主的運行成本，具有較高的經(jīng)濟性，故在分析熱水的運行成本時只需計算春秋季不制冷時和冬季制熱時的熱水運行成本，表4為各系統(tǒng)當前，對長期有熱水需求的建筑，考慮到運行成本的壓力，業(yè)主普遍采用夏季熱回收的方式獲取生活熱水，故熱水成本的分析只需分析春秋季與冬季各系統(tǒng)的運行成本即可，表4為各系統(tǒng)熱水單位負荷成本表。

表4　熱水單位成本計算表

機組的維護成本含換熱器的清洗、壓縮機的保養(yǎng)、過濾器清洗等，結合工程實際經(jīng)驗，各系統(tǒng)的維護保養(yǎng)成本以其造價的百分數(shù)表示:熱源塔熱泵系統(tǒng)為2%，冷水機組配風冷熱泵為1.3%，冷水機組配天然氣鍋爐為1.8%，風冷熱泵為1%。

表5　各系統(tǒng)維護成本表

利用全壽命周期公式，并結合各成本的計算結果，分別計算梅州某酒店不同空調系統(tǒng)的全壽命周期費用成本。表6列出了各系統(tǒng)的全壽命周期成本數(shù)據(jù)。

5　熱源塔熱泵系統(tǒng)應用注意問題

筆者認為，在夏熱冬暖地區(qū)推廣熱源塔熱泵技術，在設計及應用中應注意以下問題:

（1）熱源塔熱泵系統(tǒng)夏季運行與冷水機組相同，冬季運行不同于冷水機組，故在設計中要考慮季節(jié)切換的方式，通常冬夏切換可采用主管道切換或單臺主機支管切換，兩種方式各有利弊，應在設計中考慮系統(tǒng)運行的方便，綜合考慮采用哪種方式切換。

（2）熱源塔熱泵冬季源側冷卻水運行溫度一般在零下，需在冷卻水中加入添加劑，而在夏季運行時不需要，故在系統(tǒng)設計中要考慮含抗凍劑的冷卻水溶液回收問題，以免造成浪費與污染。

（3）熱源塔冬季運行主要吸收顯熱，必須具有較大的傳熱面積與排風量，相同容量的熱源塔通常比普通冷卻塔外形尺寸更大，才能滿足其冬季吸熱的要求。但夏熱冬暖地區(qū)熱負荷小，冬季可充分利用系統(tǒng)冷卻塔作熱源塔，因此要做好熱源塔選型計算，不要盲目增大熱源塔配置，增加初投資。

（4）熱源塔熱泵系統(tǒng)要有可靠的濃度檢測裝置，實時檢測冷卻水中抗凍劑的比重，以免造成主機蒸發(fā)器結冰凍壞銅管，造成冷卻水進入氟路循環(huán)，損壞壓縮機。

（5）夏熱冬暖地區(qū)冬季氣溫高，在干球溫度高于9℃時冷卻水可不添加抗凍劑，降低運行成本，但是要做好冷卻水溫度的控制，防止蒸發(fā)器結冰凍壞銅管。

表6　各系統(tǒng)全壽命周期費用分析匯總表

6　結論

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)不難看出，熱源塔熱泵系統(tǒng)一次性投資比“冷水機組+風冷熱泵”系統(tǒng)和“冷水機組+鍋爐”系統(tǒng)高，但比“風冷熱泵”系統(tǒng)低；在運行費用方面熱源塔熱泵系統(tǒng)較夏熱冬暖地區(qū)常用的幾種空調冷熱源系統(tǒng)低；在全壽命周期內總的費用方面也較其它幾種系統(tǒng)具有較高的優(yōu)勢。

當前熱源塔熱泵技術已在夏熱冬冷地區(qū)得到推廣，實踐表明其運行效果滿足采暖規(guī)范要求，夏熱冬暖地區(qū)由于其冬季熱需求較夏熱冬冷地區(qū)少，熱源塔熱泵應用推廣緩慢，本文將夏熱冬暖地區(qū)常用的幾種空調供暖方式與熱源塔熱泵技術進行分析、比較后得出:熱源塔熱泵作為一種新型熱泵形式，其運行能效高，機組設計靈活，限制條件少，全壽命周期內總成本最低，隨著綠色建筑的深入實施，其在夏熱冬暖地區(qū)的應用也必將越來越廣。

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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 文獻標示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.010

ISSN1005-9180（2016）02-052-06

2016-3-28

許國強（1958-），男，高級工程師，主要從事暖通空調設計研究。Email:xgq113@163.com