热源塔热泵技术在贵州地区应用的可行性分析

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【摘要】分析比较贵州地区常用的空调系统冷热源与热源塔热泵技术的特点，并通过工程案例分析应用水源热泵系统、风冷热泵系统以及热源塔热泵技术的经济性，指出热源塔热泵技术适用于贵州地区，具有推广价值。

【关键词】热源塔；热泵技术；经济性

【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）鉴于传统空调热源中冷却塔不能满足冬季冷水机组对热源的需求，国内学者就建议按冬季吸收低品位热源的能力来设计冷却塔的参数，实现冬季冷水机组制热功能，该类冷热源形式称之为热源塔。目前，国内热源塔应用技术逐步趋向成熟，经过不断改进完善，已研制发展到第五代，广泛应用于云南等南方省份，作为建筑物制冷、供暖和生活热水的热源形式。

（2）贵州位于我国亚热带西部，云贵高原斜坡上，属于亚热带季风气候，大部分地区气候温和湿润。冬半年由于北有秦巴山系阻挡，南下冷空气多半绕道两湖盆地由偏东北方向入侵，常在中部和西部形成静止锋，中部、东部正好处于锋后，故冬季多连阴雨天气，全省通常最冷月（1月）平均气温多在3℃～6℃，比同纬度其他地区高，常年相对湿度在70%以上，从贵州地区气候特征可以看出贵州地区非常适合于热源塔热泵技术的推广，但目前热源塔热泵技术在该地区应用较少，且规模小，因此本文针对某空调系统项目探索热源塔热泵技术在贵州地区的可行性。

2. 热源塔热泵技术

（1）热源塔热泵技术是通过热源塔的热交换和热泵机组作用，实现供暖、制冷以及提供热水的技术，热源塔热泵空调系统原理见图1。冬天它利用低于冰点载体介质，高效提取冰点以下的湿球水热能，对热源塔热泵机组输入少量高品位能源，实现冰点以下低温热能向高温位转移，实现制热；夏天由于热源塔的特殊设计，起到高效冷却塔的作用，将热量排到大气实现制冷。

（2）众所周知，传统风冷热泵在阴雨连绵，空气湿度大，潮湿阴冷地区冬季供热时结霜严重，融霜需消耗一定能源，因而热泵效率低，而热源塔采用冰点在-10℃以下的CaCl2等载冷剂溶液，在潮湿阴冷空气湿度大条件下无霜困扰，可稳定高效提取冰点以下的湿球水体显热能，且按照供热负荷能力设计的换热面积，相对比风冷热泵换热性能稳定，整个冬季机组的性能系数COP可在3.0～3.5范围内变化。由于热源塔设计时主要考虑冬季利用低焓值溶液从较高焓值的湿冷空气中提取热量，因此热源塔热泵空调系统主要适用于冬季气侯、气象条件阴雨连绵，空气湿度大，潮湿阴冷地区。

3. 经济性分析

3.1 空调系统负荷计算。

（1）某医院位于贵州省贵阳市，建筑面积28933 m2，占地面积7294m2，贵阳地区气象参数：

夏季空调室外计算温度：30.1℃

冬季室外干球温度：-2.5℃

室外计算相对湿度：83 %

夏季室内温度：24～26℃

冬季室内温度：20～22℃

夏季室内相对湿度：40 %～60%

（2）采用鸿业软件进行负荷计算，具体方法为谐波法，夏季冷负荷约为1320KW，冬季热负荷为1590KW，全年累计热负荷3081017.30KWh，全年累计冷负荷2146099.49 KWh。

3.2 比较空调方案。

（1）分别以地埋管地源热泵空调系统（方案1）、空气源热泵集中空调系统（方案2）、热源塔热泵空调系统（方案3） 对医院空调系统进行能耗和经济性的分析和比较。末端均采用风机盘管加新风机组的空调形式，空调侧采用3台15KW、2台11KW卧式单级单吸离心泵，地源侧采用5台18.5KW卧式单级单吸离心泵，结合设计方案和市场调研情况，各种空调系统计算后主要性能及初投资见表1：

（2）由于贵州地区以高原喀斯特为主，同时在垂直地埋管钻井施工过程中，极易出现地下溶洞及地下暗流等情况，需要采用套管等形式进行护壁堵漏，增加了工程施工难度，土壤源热泵系统增量成本比其他地区高，因此，各空调方案中，地埋管地源热泵系统的初投资最高，空气源热泵系统的初投资最低，热源塔热泵系统由于需要增加防霜、加药等辅助系统，初投资比空气源热泵系统略高。

3.3 各空调方案经济性分析。

（1）项目全年累计热负荷3081017.30KWh，全年累计冷负荷2146099.49 KWh，则各种空调方案年运行费用如表2：

（2）各空调方案中地埋管地源热泵系统的维护对象主要有制冷主机、循环水泵和地埋管换热器，空气源热泵系统与热源塔热泵系统主要是热泵机组、循环水泵，结合系统能效，在年运行费用中，地埋管地源热泵空调系统比空气源热泵系统年节约运行费用29.2万元，而热源塔年运行费用最低，比空气源热泵系统年节约运行费用74.2万元。在静态全寿命使用周期内，热源塔热泵空调系统投入效率最高，为2.86 KWh/元，而地埋管地源热泵空调系统由于初投资高，投入效率最低。

4. 经济性外的热源塔热泵系统特征

（1）相对与传统冷却塔冷水机组空调系统，由于按供热负荷能力设计的换热面积，换热面积大，热源塔转化为冷却塔使用时，换热效率大大提升，冷却效率比冷却塔高50%以上，夏季能效达到4.4。传统冷却塔冷水机组空调系统不能在冬季使用，需增设锅炉供热系统，增加了投资成本，本文中引用医院建筑锅炉供热系统就需要增加50万元，而空气源热泵空调系统冬季需要消耗能源除霜，能效为2.7，但热源塔可以在室外湿球温度高于-9℃的地区用于冬季供热，冬季平均能效比可以达到3.5且无结霜现象，提高了设备使用率，降低初投资，节能环保。

（2）贵州大部分地区由于地理气候原因，冬季采暖负荷远大于夏季空调负荷，本文中的建筑年累计冷热负荷差就大于30%，如采用地埋管地源热泵系统就存在严重的冷热不平衡问题，周期运行后，将会岩土温度降低，冷却水温度偏低，使得热泵系统效益降低甚至无法运行，对生态造成破坏，一般需增设太阳能热水辅热系统，以地下空间作为蓄热体，使土壤问题保持平衡，大大增加了投资成本，因此采用地埋管形式地源热泵系统在贵州地区需根据全年负荷变化保证冷热负荷平衡。但热源塔热泵系统是在空气环境中吸收或释放热量，不存在冷热不平衡问题。

（3）热源塔热泵空调系统采用开式热源塔时，防冻液膜直接与空气进行显热与潜热交换，凝结了空气中的水分，使防冻溶液浓度降低，冰点上升，需要设置防霜系统、加药系统，保持溶液浓度，同时也与开式冷却塔相同，存在飘水现象，造成一定溶液浪费，管理非常麻烦。采用闭式热源塔可以解决上述问题，但造价较高。

5. 结论

综上所述，与传统的冷机+锅炉、风冷热泵以及水/地源热泵等空调冷热源形式相比，热源塔热泵技术具有使用地点灵活，造价低廉以及使用效率高等特点，适用于贵州地区的新建工程以及既有建筑空调冷热源改造工程，具有推广使用的价值。

参考文献

[1] 龙激波，裴清清.地埋管地源热泵空调系统在广州地区应用经济性分析.暖通空调，2006，（4）：43～47.

[2] 宋应乾，马宏权，龙惟定.热源塔热泵技术在空调工程中的应用与分析.暖通空调，2011，（4）：20-23.

[基金项目]贵州省科技厅项目-既有建筑热源系统优化技术研究及应用（黔科合社SY字[2013]3093）；国家科技部“十二五”国家科技支撑计划项目课题（课题编号：2011BAJ03B10）；贵州省重大科技攻关项目（黔科合重大专项字[2012]6024号）。

[文章编号]1619-2737（2016）03-07-128

[作者简介] 杜松（1983.02-），男，籍贯：贵阳，职称：工程师，工作单位：贵州中建建筑科研设计院有限公司，专业：建筑环境与设备工程，职务：副所长，研究方向：建筑节能，绿色建筑，毕业学校：西安建筑科技大学。