潘陽陽

廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司

空調(diào)冷熱源方案非常多，空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源應(yīng)根據(jù)建筑物的用途、規(guī)模、建設(shè)地點的能源條件、結(jié)構(gòu)、價格以及國家相關(guān)政策規(guī)定來確定[1]。根據(jù)《深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量提升計劃》[2]要求：自2014 年起，賓館酒店行業(yè)全面推廣使用空氣能熱水器等高效能源利用設(shè)施，積極利用中央空調(diào)余熱和集中供熱工程代替鍋爐，新建項目不得使用鍋爐供應(yīng)熱水。這個政策出于對環(huán)境保護，對大氣有產(chǎn)生較大污染的鍋爐限制使用。對于五星級酒店這種對環(huán)境舒適度要求較高的場所，冬季需要供暖，在鍋爐限制使用的情況下，常規(guī)采用風(fēng)冷熱泵來代替鍋爐制熱。風(fēng)冷熱泵能效較低，特別是室外溫度較低時，制熱性能下降較大，冬季的采暖需要尋求一種較為高效經(jīng)濟的制熱系統(tǒng)。

1 工程概況

本項目位于深圳南山區(qū)地處深圳灣濱海地區(qū)，周邊匯聚了深圳灣公園、紅樹林保護區(qū)、華僑城內(nèi)湖濕地等環(huán)境保護區(qū)，酒店空調(diào)面積約為2.96 萬m2，建筑高度81.4 m。

2 負荷計算

室外氣象參數(shù)如表1 所示[3]：

表1 室外氣象參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)如表2 所示：

表2 室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)

采用專業(yè)軟件對酒店房間進行逐時負荷計算，結(jié)果如表3：

表3 室內(nèi)總負荷

3 冷熱源方案

3.1 水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)冬季供暖可行性分析

在常規(guī)的集中空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔為夏季制冷主機冷凝器提供冷卻水系統(tǒng)散熱設(shè)備，原理是冷卻水與空氣直接接觸，利用空氣濕球溫度比較低的特點，跟高溫冷卻水進行充分的熱交換，從而對水進行冷卻。冬季，冷卻塔的進水溫度低于空氣溫度，則空氣中的熱量就會被水吸收，從而使水溫升高。冬季，水是吸收空氣的顯熱來獲得熱量。夏季，水的散熱量跟冷卻塔的進出口風(fēng)量的焓差有關(guān)，故相同的換熱量，冬季需要的換熱面積比夏季大。

根據(jù)表1 可知深圳地區(qū)冬季室外空調(diào)計算溫度為6 ℃，相對濕度72%。查近十年氣象參數(shù)，冬季小于10 ℃的天數(shù)平均為10 天，小于5 ℃的天數(shù)平均為1.5 天，需要采暖的月份為1 月、2 月、12 月，平均溫度為14.4 ℃。熱泵主機制熱工況下蒸發(fā)器的出口溫度為3～8 ℃的冷水，冬季室外空調(diào)計算溫度為6 ℃，冷卻塔出水溫度溫度為4.5 ℃，熱泵機組的防凍溫度為3 ℃，蒸發(fā)器的溫差為1.5 ℃，系統(tǒng)可正常運行。

根據(jù)廠家提供的主機樣本，水源熱泵蒸發(fā)器出水溫度降低時，其制熱效率會下降，其供熱性能指標(biāo)修正參數(shù)詳圖1。在環(huán)境溫度下降較大時，風(fēng)冷熱泵的能效也會有下降。在設(shè)計溫度為6 ℃時，相同制熱量情況下，水源熱泵的制熱COP 為4.9，水源熱泵取熱側(cè)需聯(lián)合冷卻塔及水泵共同運行，綜合制熱性能SCOP 為4.2。風(fēng)冷熱泵的制熱COP 為3.25，兩者相比，水源熱泵制熱能效更高，更節(jié)能。與風(fēng)冷熱泵制熱系統(tǒng)相比，水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)供暖在初投資及節(jié)能方面更具優(yōu)勢，在冬季室外計算溫度大于5.5 ℃的地區(qū)，且無法采用鍋爐供暖的情況下，可推廣運用。

圖1 某品牌水源熱泵機組制熱性能指標(biāo)修正系數(shù)

3.2 水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)設(shè)備選型

本項目空調(diào)設(shè)計冷負荷4149 kW，熱負荷為1482 kW，根據(jù)熱負荷選用水源熱泵機組一臺，水冷螺桿機2 臺，一一對應(yīng)配備相應(yīng)的冷卻塔和冷卻水泵，具體設(shè)備參數(shù)詳表4，系統(tǒng)流程圖詳圖2，制冷制熱工況的運行通過閥門的切換來實現(xiàn).

表4 主要設(shè)備參數(shù)表

圖2 制冷制熱系統(tǒng)流程圖

3.3 水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)運行控制

夏季供冷工況：打開閥門組1，關(guān)閉閥門組2，水源熱泵機組關(guān)閉閥門組3，打開閥門組4，三臺制冷主機根據(jù)供回水溫差來確定主機的開啟臺數(shù)，部分負荷下優(yōu)先開啟螺桿式冷水機組制冷。冷卻塔對應(yīng)主機開啟，冷卻水供回水溫度為30 ℃/35 ℃。

冬季供冷供熱工況：當(dāng)環(huán)境溫度大于10 ℃時，閥門組1 關(guān)閉，閥門組2 打開，水源熱泵機組打開閥門組3，關(guān)閉閥門組4，熱泵機組供暖，其中一臺螺桿式冷水機組供冷。冷卻水系統(tǒng)供回水管上設(shè)置旁通管及電動旁通調(diào)節(jié)閥，冷卻塔出水溫度小于24 ℃時，開啟電動旁通閥，且連鎖關(guān)閉冷卻塔風(fēng)機。冷卻塔出水溫度大于30 ℃，關(guān)閉電動旁通閥，并連鎖打開冷卻塔風(fēng)機。

冬季供熱工況：當(dāng)環(huán)境溫度小于10 ℃時，閥門組1 關(guān)閉，閥門組2 打開，水源熱泵機組打開閥門組3，關(guān)閉閥門組4，螺桿式冷水機組關(guān)閉，開啟兩臺冷卻塔，兩臺冷卻水泵運行。

4 冷卻水系統(tǒng)防凍

熱泵機組在制熱工況下會有一個防凍保護溫度，通常設(shè)置在2～4 ℃。當(dāng)熱泵機組蒸發(fā)器出水溫度達到防凍保護溫度時，機組就是自動停機保護。設(shè)定防凍保護溫度為3 ℃，則蒸發(fā)器入口最低溫度設(shè)置在4 ℃，考慮冷卻塔吸熱通過顯熱傳熱，冷卻塔出水溫度跟環(huán)境溫度溫差為1.5 ℃，則當(dāng)環(huán)境溫度低于5.5 ℃時，需要啟動冷卻水防凍措施。常用的防凍措施有：

1）集水盤內(nèi)增設(shè)防凍電加熱器，冷卻水管保溫層內(nèi)加設(shè)電伴熱設(shè)施[4]。當(dāng)冷卻塔出水溫度低于4 ℃時，啟動集水盤的電加熱器及保溫層內(nèi)的電伴熱設(shè)施。

2）在冷缺水系統(tǒng)中加入防凍液，降低冰點溫度。常用的防凍液有乙二醇溶液、鹽水。

本項目所處的深圳地區(qū)冬季環(huán)境溫度小于5 ℃的天數(shù)平均為1.5 天，需要采取防凍措施時間不長。加入防凍液，防凍液對主機、冷卻塔、管材有特殊要求，且冷卻水系統(tǒng)跟冷水機組合用，對冷水機組有腐蝕危險，系統(tǒng)同時滿足供冷供熱聯(lián)合運行需要較大的經(jīng)濟成本，故采用第一種防凍措施即可滿足系統(tǒng)安全運行要求。

5 結(jié)論

在深圳地區(qū)，冬季室外溫度較高，溫度低于5 ℃的時間較短，運用水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)供暖在節(jié)能和初投資這兩方面均優(yōu)于風(fēng)冷熱泵+水冷冷水機組系統(tǒng)。特別是處于環(huán)境保護區(qū)的建筑，鍋爐被限制使用，水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)提供另外一種可行的冷熱源設(shè)計方案，可為同行工作者提供參考借鑒。