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一种空气源热泵结合水环热泵系统的经济性分析
2016-07-19 11:56:34       来源: 暖通空调

地源热泵系统是比较节能的空调系统,但是受到水源或场地和埋管施工、投资等方面的限制。在地源热泵不能合理使用的情况下,如何满足建筑物的制冷和供暖需求,同时又可以尽量节能是设计人员需要考虑的问题。
  
  空气源热泵机组具有夏季制冷、冬季供暖的特点,可以广泛应用于工业、民用建筑工程中,应用范围从原来的华南及长江流域扩展到了黄河流域及广阔的西北地区。但是空气源热泵机组与水冷机组及地源热泵机组相比存在着医系偷奈侍狻4送猓对于长江以北地区,在冬季室外温度较低的条件下存在制热供暖水温较低的情况。
  
  笔者以一栋商业办公楼空调系统为研究对象,根据实际项目的现场条件提出采用空气源热泵+空气源热泵热回收机组+冷却塔+水环热泵的设计方案并与常规空调系统进行了经济性比较分析。
  
  1  项目概况
  
  项目毗邻黄浦江,位于外滩景观区的延伸带,与陆家嘴金融城隔江而望。总建筑面积78110O,其中地下约30562O,地上约47548O,建筑高度为110m,分裙房和主楼两个部分。裙房为餐饮区。主楼1,2层为办公区挑空大堂,3~23层为办公层。
  
  虽然该项目毗邻黄浦江,但受政策限制,不能使用水源热泵;另外受场地限限制,也不能使用地埋管地源热泵。
  
  2  室内外计算参数
  
  2.1 室外计算参数
  
  夏季空调:室外干球温度tw=34.6℃,室外湿球温度tws=28.2℃,风速Vw=3.4m/s。
  
  夏季通风:室外干球温度tw=30.8℃,相对湿度φw=69%。
  
  冬季空调:室外干球温度tw=-1.2 ℃,相对湿度φw=74%,风速Vw=3.3m/s。
  
  冬季通风:室外干球温度tw=3.5℃。
  
  2.2室内计算参数(见表1)

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3  负荷计算及系统设计
  
  3.1 负荷计算结果
  
  裙房空调系统冷负荷为687kW,冷负荷指标为139W/O;热负荷为348kW,热负荷指标为70W/O。大堂空调系统冷负荷为549kW,冷负荷指标为84W/O;热负荷为239kW,热负荷指标为36W/O。
  
  3层以上办公室空调系统冷负荷为4832kW,冷负荷指标为123W/O;热负荷为2917kW,热负荷指标为75W/O。
  
  3.2 系统设计
  
  该工程裙房餐饮区和主楼办公区空调分设集中冷、热源,需要时可互为备用。根据裙房空调冷热负荷特性,设计采用空气源热泵冷、热水机组,夏季供冷、冬季供热,热源供回水温度为45 ℃/40℃;冷源供回水温度为7℃/12℃。
  
  1)办公楼主楼大堂、各层电梯厅、地下商务中心和消防控制中心等区域采用热回收型空气源热泵冷、热水机组作为冷热源。
  
  2)主楼办公区空调设计采用水环直接蒸发式可变流量分体多联机系统,各层分单元设多联机主机,水环系统夏季设闭式蒸发式冷却塔散热,冬季由空气源热泵机组补热,控制水环水系统水温。夏季冷却水进水温度为37 ℃,出水温度为32 ℃;冬季热泵补热供水温度为35 ℃,回水温度为30 ℃。根据空气源热泵机组的性能,降低热水供水温度,最低热水供水温度为20℃。另按楼层设置了直接蒸发式热回收型热泵新风机组。办公区空调系统预留冷却能力。
  
  3)裙房空气源热泵冷热水机组和办公楼大堂空气源热泵机组、闭式蒸发式冷却塔均设于裙房2层屋顶。
  
  3.2.1 空调水系统
  
  1)裙房部分采用两管制系统,夏季供冷、冬季供热。冷热水系统采用一次泵循环方式,水泵采用变频运行方式,根据空调负荷的变化进行运行调节,实现节能。水系统为异程形式,各空调末端设电动调节与动态平衡一体阀。
  
  2)办公楼采用两管制系统,为确保各多联机主机稳定运行,水泵采用定流量运行方式,水系统采用垂直异程和水平同程方式,各层水平回水支管设静态平衡阀。根据水温,由闭式冷却塔散热或由空气源热泵机组补热。
  
  3)办公楼大堂周边地埋管水系统采用水平同程方式,各层电梯厅风机盘管水系统采用垂直异程方式,各层水平回水支管设压差平衡阀,供水支管设静态平衡阀。
  
  4)裙房空气源热泵机组和办公楼补热空气源热泵机组水系统之间设切换管和切换阀,并设计量设施,实现互为备用,以增加系统可靠性。
  
  5)办公楼水环水系统和大堂空调冷热水系统采用膨胀水箱定压,裙房冷热水系统采用膨胀定压罐定压。
  
  6)空调水环系统水管、冷热水管均以自然补偿为主,必要时设补偿器补偿。[NextPage]
  
  3.2.2 空调风系统
  
  根据各功能场所的特点,设计采用全空气系统、空气水系统或直接蒸发式多联机系统。
  
  1)餐饮区等大空间功能场所采用集中式低速风道空调系统,由空气处理机组独立处理新、回风。气流组织采用顶部均匀送风、下部集中回风的形式。部分全空气空调系统风机设变频器,在部分负荷时变风量节能运行。
  
  2)裙房小空间功能用房设吊装空调器,自带新风,顶送顶回。
  
  3)办公楼1层大堂设集中式低速风道空调系统,由空调机组独立处理新、回风,均匀送风,下部集中回风。另沿周边外窗地板设嵌地式盘管下送风。
  
  4)办公层均采用吊顶式可接风管室内机。
  
  5)办公楼各层设热泵热回收型直接蒸发式新风机,新风自竖井取风,经新风机组处理后送至各办公单元内区,各层水平总管设定风量阀,冬季采用高压喷雾加湿器加湿。
  
  6)办公楼各层办公室排风经热泵热回收型直接蒸发式新风机组内的排风机排入竖井后至屋顶排放,各层水平总管设定风量阀。
  
  7)各集中式空调系统空调箱内设空气净化装置。
  
  8)办公楼各层电梯厅等采用风机盘管。
  
  4  设备选用
  
  裙房(负荷687kW):
  
  2 台CSRAN1102-X-B空气源热泵。
  
  办公楼:
  
  1)公共区域(负荷549kW),含大堂、电梯厅等:CSRAN2002-X-R-HL型空气源热泵热回收机组1台。
  
  2)各楼层办公楼(4832kW):水环VRF系统(方便将来出租后分户计量,冷源:闭式冷却塔;热源:CSRAN2202-X-HL 型空气源热泵机组3台)。[NextPage]
  
  5  运行策略
  
  1)大堂空气源热泵冷热水机组采用热回收型,在夏季利用热回收冷凝器和冷却水实现水冷运行,提高机组制冷运行效率。
  
  2)办公楼采用水环直接蒸发式变制冷剂流量分体多联机系统,机组运行效率有很大幅度提高,节能减排效果好。
  
  3)办公楼采用水环直接蒸发式变制冷剂流量分体多联机系统,冬季补热采用空气源热泵,形成由水环连接的双级压缩系统,供热效率高于空气源热泵系统或风冷多联机系统。
  
  4)办公楼新风采用直接蒸发式热回收型热泵机组,对排风余冷、余热进行回收,运行效率高,可节能减排。
  
  5)裙房和办公大堂空调冷、热水泵采用变频控制,在部分负荷时变水量运行,以减少能耗。
  
  6)部分集中式全空气空调系统风机设变频器调节风量,减少运行能耗。
  
  7)办公大堂部分采用置换空调方式,冷、热直接作用于人员活动区,减少运行能耗。
  
  8)办公新风送至内区,在过渡季利用新风供冷,减少运行能耗。
  
  9)所有的空调、通风系统均设置自动控制系统,有效控制启停和温度,避免能源浪费。
  
  6  经济性分析
  
  1)办公楼公共区域
  
  选用1台CSRAN2002-X-R-HL型全热回收型高效低噪声风冷螺杆机组。工况:冷水12℃/7℃,冷却水32 ℃/37 ℃。制冷量744.5kW,输入功率173.9kW,COP=4.28。
  
  3种冷热源方案的运行比较(见表2)。

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【注:(1)本文系统夏季运行费用含主机、冷却塔和冷却水泵耗电费用,空气源热泵系统夏季仅含主机运行费用,水冷机+燃气锅炉系统夏季运行费用含主机、冷却塔和冷却水泵耗电费用,3种冷热源方案冷水泵和末端的投资和耗电费用相同,未列入比较。
  
  (2)计算依据:供冷季节150d,供热季节150d,每天运行14h,季节使用系数为0.51,电价1元/(kW.h),燃气低热值为35590KJ/m3,燃气价格为4.3元/m3。】
  
  标准煤消耗量(见表3)。

2)各层办公楼区域
  
  夏季采用水环VRF热泵+闭式冷却塔系统。
  
  在室内工况参数干球温度/湿球温度27℃/19℃,室外冷却塔工况参数32 ℃/37 ℃条件下,COP=5.0,与普通水冷冷水螺杆机组相当。
  
  冬季办公楼采用空气源热泵作为水环热泵热源。冬季工况:环境温度7℃,热水进出水温度21℃/26℃。单台热泵机组制热量788.8kW,功率137.4kW,COP=5.74。办公楼热负荷为2917kW。水环系统:热源温度26℃/21℃,COP=5.3。
  
  计算依据:天然气低热值35590KJ/m3,锅炉效率0.9,燃气单价4.3元/m3,电价1 元/(kW.h)。
  
  3种热源运行费用比较(见表4)。

3种冷热源方案初投资及运行费用比较(见表5)。[NextPage]

【注:3种冷热源方案冷却塔、冷却水泵、冷水泵耗电量相当,未列入比较。水环系统自带末端,与室内空气进行换热。计算依据同表3。】
  
  3种冷热源运行费用折合成标准煤消耗量的比较(见表6)。

可以看出采用水环+空气源热泵系统冬季供暖费用明显低于水环+燃气锅炉和单独燃气锅炉系统。
  
  7  结论
  
  7.1 本文系统采用空气源热泵主机,无需机房、锅炉房,节省了建筑成本和后期维护保养的费用。
  
  7.2 空气源热泵热回收机组夏季制冷可采用冷却塔冷却,提高机组运行效率。机组效率达到4.0以上,明显优于普通空气源热泵,接近水冷冷水机组。
  
  7.3 地源热泵系统在受到条件限制不能采用水源或地埋管时,可以考虑夏季采用地源热泵机组+冷却塔系统;冬季采用空气源热泵+水环热泵系统。系统的稳定性和节能性得到提高,值得推广应用。
  
  7.4 空气源热泵系统在室外温度较低条件下,如果降低制热的出水温度,机组的效率和稳定性大大提高。
  
  参考文献:
  
  [1] 马一太/代宝民.空气源热泵用于房间供暖的分析[J].制冷与空调,2013,14(8):611
  
  [2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2008
  
  [3] 陈睿.一种水与空气双源热泵机组:中国,ZL201120534985.8[P].2011- 12- 20
  
  本内容摘自于《暖通空调》2015年第45卷第2期

 

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