深圳某五星级酒店空调冷热源设计

潘阳阳

广东省冶金建筑设计研究院有限公司

空调冷热源方案非常多，空调系统的冷热源应根据建筑物的用途、规模、建设地点的能源条件、结构、价格以及国家相关政策规定来确定[1]。根据《深圳市大气环境质量提升计划》[2]要求：自2014 年起，宾馆酒店行业全面推广使用空气能热水器等高效能源利用设施，积极利用中央空调余热和集中供热工程代替锅炉，新建项目不得使用锅炉供应热水。这个政策出于对环境保护，对大气有产生较大污染的锅炉限制使用。对于五星级酒店这种对环境舒适度要求较高的场所，冬季需要供暖，在锅炉限制使用的情况下，常规采用风冷热泵来代替锅炉制热。风冷热泵能效较低，特别是室外温度较低时，制热性能下降较大，冬季的采暖需要寻求一种较为高效经济的制热系统。

1 工程概况

本项目位于深圳南山区地处深圳湾滨海地区，周边汇聚了深圳湾公园、红树林保护区、华侨城内湖湿地等环境保护区，酒店空调面积约为2.96 万m2，建筑高度81.4 m。

2 负荷计算

室外气象参数如表1 所示[3]：

表1 室外气象参数

室内设计计算参数如表2 所示：

表2 室内设计计算参数

采用专业软件对酒店房间进行逐时负荷计算，结果如表3：

表3 室内总负荷

3 冷热源方案

3.1 水源热泵耦合冷却塔系统冬季供暖可行性分析

在常规的集中空调系统中，冷却塔为夏季制冷主机冷凝器提供冷却水系统散热设备，原理是冷却水与空气直接接触，利用空气湿球温度比较低的特点，跟高温冷却水进行充分的热交换，从而对水进行冷却。冬季，冷却塔的进水温度低于空气温度，则空气中的热量就会被水吸收，从而使水温升高。冬季，水是吸收空气的显热来获得热量。夏季，水的散热量跟冷却塔的进出口风量的焓差有关，故相同的换热量，冬季需要的换热面积比夏季大。

根据表1 可知深圳地区冬季室外空调计算温度为6 ℃，相对湿度72%。查近十年气象参数，冬季小于10 ℃的天数平均为10 天，小于5 ℃的天数平均为1.5 天，需要采暖的月份为1 月、2 月、12 月，平均温度为14.4 ℃。热泵主机制热工况下蒸发器的出口温度为3～8 ℃的冷水，冬季室外空调计算温度为6 ℃，冷却塔出水温度温度为4.5 ℃，热泵机组的防冻温度为3 ℃，蒸发器的温差为1.5 ℃，系统可正常运行。

根据厂家提供的主机样本，水源热泵蒸发器出水温度降低时，其制热效率会下降，其供热性能指标修正参数详图1。在环境温度下降较大时，风冷热泵的能效也会有下降。在设计温度为6 ℃时，相同制热量情况下，水源热泵的制热COP 为4.9，水源热泵取热侧需联合冷却塔及水泵共同运行，综合制热性能SCOP 为4.2。风冷热泵的制热COP 为3.25，两者相比，水源热泵制热能效更高，更节能。与风冷热泵制热系统相比，水源热泵耦合冷却塔系统供暖在初投资及节能方面更具优势，在冬季室外计算温度大于5.5 ℃的地区，且无法采用锅炉供暖的情况下，可推广运用。

图1 某品牌水源热泵机组制热性能指标修正系数

3.2 水源热泵耦合冷却塔系统设备选型

本项目空调设计冷负荷4149 kW，热负荷为1482 kW，根据热负荷选用水源热泵机组一台，水冷螺杆机2 台，一一对应配备相应的冷却塔和冷却水泵，具体设备参数详表4，系统流程图详图2，制冷制热工况的运行通过阀门的切换来实现.

表4 主要设备参数表

图2 制冷制热系统流程图

3.3 水源热泵耦合冷却塔系统运行控制

夏季供冷工况：打开阀门组1，关闭阀门组2，水源热泵机组关闭阀门组3，打开阀门组4，三台制冷主机根据供回水温差来确定主机的开启台数，部分负荷下优先开启螺杆式冷水机组制冷。冷却塔对应主机开启，冷却水供回水温度为30 ℃/35 ℃。

冬季供冷供热工况：当环境温度大于10 ℃时，阀门组1 关闭，阀门组2 打开，水源热泵机组打开阀门组3，关闭阀门组4，热泵机组供暖，其中一台螺杆式冷水机组供冷。冷却水系统供回水管上设置旁通管及电动旁通调节阀，冷却塔出水温度小于24 ℃时，开启电动旁通阀，且连锁关闭冷却塔风机。冷却塔出水温度大于30 ℃，关闭电动旁通阀，并连锁打开冷却塔风机。

冬季供热工况：当环境温度小于10 ℃时，阀门组1 关闭，阀门组2 打开，水源热泵机组打开阀门组3，关闭阀门组4，螺杆式冷水机组关闭，开启两台冷却塔，两台冷却水泵运行。

4 冷却水系统防冻

热泵机组在制热工况下会有一个防冻保护温度，通常设置在2～4 ℃。当热泵机组蒸发器出水温度达到防冻保护温度时，机组就是自动停机保护。设定防冻保护温度为3 ℃，则蒸发器入口最低温度设置在4 ℃，考虑冷却塔吸热通过显热传热，冷却塔出水温度跟环境温度温差为1.5 ℃，则当环境温度低于5.5 ℃时，需要启动冷却水防冻措施。常用的防冻措施有：

1）集水盘内增设防冻电加热器，冷却水管保温层内加设电伴热设施[4]。当冷却塔出水温度低于4 ℃时，启动集水盘的电加热器及保温层内的电伴热设施。

2）在冷缺水系统中加入防冻液，降低冰点温度。常用的防冻液有乙二醇溶液、盐水。

本项目所处的深圳地区冬季环境温度小于5 ℃的天数平均为1.5 天，需要采取防冻措施时间不长。加入防冻液，防冻液对主机、冷却塔、管材有特殊要求，且冷却水系统跟冷水机组合用，对冷水机组有腐蚀危险，系统同时满足供冷供热联合运行需要较大的经济成本，故采用第一种防冻措施即可满足系统安全运行要求。

5 结论

在深圳地区，冬季室外温度较高，温度低于5 ℃的时间较短，运用水源热泵耦合冷却塔系统供暖在节能和初投资这两方面均优于风冷热泵+水冷冷水机组系统。特别是处于环境保护区的建筑，锅炉被限制使用，水源热泵耦合冷却塔系统提供另外一种可行的冷热源设计方案，可为同行工作者提供参考借鉴。