风冷热泵一机三用的应用及案例
简介： 根据风冷热泵一机三用机组运行节能特点，提出几种比较实用的中央空调设计方案。并从性、能耗、环保等的影响进行比较分析。
关键字：一机三用 热回收 方案比较 初投资 运行管理费用 节能 环保
1 引言
近年来，随着我国能源的紧缺，特别是供电的严重不足，导致很多地区尤其是南方大部分地区不得不拉闸限制用电，节能技术的应用已经到了迫不急待的地步了。2005年2月23日国家建设部发布关于进一步做好建筑业10项新技术推广应用的通知，对建筑能耗提出了更高的要求。
而在建筑能耗中，空调的能耗约占了整个建筑物60%以上，如能将空调的能耗降低，对节约能源将会是一件大事。
2 风冷热泵一机三用机组简介
风冷热泵一机三用即是一台风冷热泵在夏季能同时进行制冷和提供生活热水，在冬季能同时进行供暖和提供生活热水的设备。其工作原理就是采用热回收技术，在夏季通过回收高温排气的热量制成生活热水，达到冷热联供，充分利用余热，大大提高机组效率；冬季切换为热泵模式运行，吸收大气热能通过热泵循环制成采暖和生活热水，从而实现制冷、采暖、生活热水一机三用。
风冷热泵一机三具有如下特点：
2.1空调系统冷热源合一，且置于建筑物屋面，不需要设专门的机房、锅炉房，也省去了烟囱和冷却水管道所占有的建筑空间。对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑，或无条件设锅炉房的建筑，空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择。
2.2无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗。空调系统如采用水冷式冷水机组，自来水的损失不仅有蒸发损失、漂水损失、还有排污损失、冬季防冻排水损失，夏季启用时的系统冲洗损失，化学清洗稀释损失等等，所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的2—5%，根据不同性质的冷水机组，折合单位制冷量的损耗量为2-4T/h100RT，这是一个可观的数量。
2.3由于无锅炉、无冷却塔，因而无相应的燃料供应系统，无烟气，无冷却水，消除了锅炉房最有可能存在安全隐患，另外，冷却水污染形成的军团菌感染的病例已有不少报导，因此，从安全卫生的角度，空气源热泵具有明显优势。
2.4系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。
2.5工程适应性强， 利于系统细化划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。
3 节能分析
运行能耗比较：
风冷热泵一机三用与其它热源的经济性比较
（1）各种热源热值
名称 热值 热效率 实际热值
电热水器 860千卡/度 × 热效率90% = 774千卡/度
液化气 10800千卡/Kg × 燃烧效率65% = 7020千卡/Kg
天然气 8400千卡/M2 × 燃烧效率65% = 5460千卡/M2
柴油锅炉 10300千卡/Kg × 燃烧效率65% = 6695千卡/Kg
热泵 860千卡/度 × 热效率380% = 3268千卡/度
（2）每吨热水成本比较(以15℃的冷水，加热至55℃的热水，约需40000千卡的热量为例)。
电热水器 40000千卡÷774千卡/度=51.68度 × 0.60元/度 = 31.01元
液化气 40000千卡÷7020千卡/ M3 =5.70 Kg × 3.50元/ M3 = 19.95元
柴油锅炉 40000千卡÷6695千卡/ Kg =5.97 Kg × 3.00元/ Kg = 17.91元
热泵 40000千卡÷3268千卡/度=12.23度 × 0.60元/度 = 7.34元
运 行 费 用 比 较 图
| 种 类 名 称 | 热泵 | 太阳能热水泵 | 电热水器 | 燃气热水器 |
| 环保性 | 无污染 | 无污染 | 无污染 | 严重 |
| 安全性 | 安全 | 安全 | 较危险 | 较危险 |
| 设备寿命 | 15年以上 | 3年 | 5年 | 5年 |
| 舒适方便实用 | 管线供水热水量大，多处同时使用连续供水，即开即有即用恒温热水 | 受天气影响较大，时冷时热，当阴天时，需电加热。 | 热水量受电功率限制，间断性供水，需预先加热，才有热水。 | 只能区域性用水。 |
4 应用及案例
4.1风冷热泵由于在冬季随着室外温度的下降，其能效比也随着下降，所以风冷热泵一般不适合于在零下10℃的环境使用。故可应用风冷热泵一机三用的地区主要是长江以南的地区。另外由于风冷热泵一机三用一年四季都能提供热水的特点决定了它比较适合于酒店、招待所、旅馆、美容院、学校、（有住院楼的）、工厂及其他有集体宿舍的地方。小型机组可用于家庭。
现举案例对风冷热泵一机三用的节能效果进行具体分析。
4.2案例
某商检办公大楼及职工住宅楼冷热源选择及节能分析
工程概况：商检办公大楼，1栋，建筑面积1.8万平方米；职工住宅楼，共3栋，建筑面积5.44万平方米，共有住户320户，平均每户住宅建设面积170平方米。工程地点：湖南省。
4.3建设单位要求
1、冬季办公楼和住宅楼全部需要供暖；
2、夏季办公楼需要空调，住宅楼不需要空调，但需要热水供应
3、在过渡季节，办公楼和住宅楼均不需要空调和暖气，但住宅楼需要热水供应。
4、节能，环保，管理方便。
具体的冷、热源需求情况下表：
季度 | 过渡季节 | 供冷季节 | 过渡季节 | 供暖季节 | ||||||||
月份 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 1 | 2 |
需要热水月份 (办公楼和住宅楼) |
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需要供暖月份 (住宅楼) |
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需要供冷月份 (办公楼) |
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4.4冷热源方案选择
由于业主已落实当地的地下水量比较少，难以满足地源热泵的需要。故地源热泵不可行。经过我方与业主的沟通，从节能，环保，管理方便等方面考虑，我方认为比较适合并可行的冷热源方案的如下：供冷季节的冷源宜选用风冷热泵机组；供暖季节的热源宜选用风冷热泵机组+燃油锅炉；过渡季节的热源宜选用风冷热泵独立产热水机组。具体分析如下：
4.4.1供冷季节：
采用风冷热泵，在夏天，能提供水给办公楼供冷使用外，同时能提供热水给住宅楼生活热水用。
在冬天，也能提供热水给办公楼（或住宅楼）供暖使用，同时也能提供热水给住宅楼的居民生活用。
但由于夏天住宅楼不需要空调，办公楼所选用的风冷热泵机组，在夏天虽然能满足办公楼供冷要求，但在冬天却满足不了整个办公楼和住宅楼的供暖要求。此时，必须加配燃油锅炉。
4.4.2供暖季节：
由于该工程位于湖南省，冬天室外温度较低，最低日平均温度为-6.9℃。若全选用一机三用的风冷热泵热回收机组，在冬天随着室外气温下降，其能效比将有一定的下降，对节约能量不利。但与锅炉相比，还是有明显的节能效果。
若全选用风冷热泵，既要同时提供热水给办公楼和住宅楼供暖使用外，还要提供热水给住宅楼生活热水用，采用的设备将过于庞大，且在夏季有部分主机设备将处于闲置状态(住宅楼不用空调)，加上其设备购置费用较高，不宜选用。
若全选用燃油锅炉，不但其运行费用较低，而且能供热水给办公楼和住宅楼暖气使用，同时也能提供热水给住宅楼的居民生活用。但购置锅炉也将过于庞大，建造锅炉房和锅炉的购置费用较高。
综上所述，从节省运行费用方面考虑，供暖季节最好的方案是选用风冷热泵+燃油锅炉。
4.4.3过渡季节：
由于此时办公楼和住宅楼已不开空调机或燃气锅炉，住宅楼所需要的生活热水，只能另外配产热水的设备。
热源有两种选择：①燃气锅炉，②风冷热泵产热水机组。
由于风冷热泵产热水机组生产1吨热水的费用约7.34元，而燃油锅炉生产1吨热水的费用是17.91元。故推荐在过渡季节选用风冷热泵独立产热水机组。
4.5冷热负荷、生活热水量及热负荷
1、冷负荷计算：
供冷季节，只有办公楼需要空调，其建筑面积1.8万m2，空调面积估算约1.8万m2×0.75=1.35万m2，冷负荷指标取150w/m2，则总冷负荷为1.35万m2×150 w/m2=2025kw。
2、热负荷计算：
供热季节，办公楼和住宅楼均需要供暖，办公楼供暖面积为1.35万m2，热负荷指标取180w/m2，则总热负荷为1.35万m2×180 w/m2=2430 kw。住宅楼供暖面积是5.44万m2×0.75=4.08万m2，热负荷指标取120w/m2，则总热负荷为4.08 万m2×120 w/m2=4896 kw。
供热季节总热负荷为2430+4896=7326kw。考虑同时使用系数为0.8，则总热负荷为
7326×0.8 =5861kw(约504万大卡/小时)。
3、生活热水量及热负荷计算：
需要热水的住宅共320户，每户平均入住4人，每人每天需要55℃的生活热水量约100升(0.1吨)，则总需热水量为320×4×0.1=128吨。
平均每小时用水量为：128÷24 =5.33吨/小时。
每天高峰用水持续时间为4小时（18:00~22:00），高峰用水量总和为5.33×4=21.32吨。
每天总耗热量为:[128×1000×(55-15)]÷4.18=512万大卡
平均每小时耗热量为：512÷24=21.33万大卡/小时
高峰用水时需热量为：21.33×4=85.32万大卡/小时
4.6冷热源型号的确定
1、夏季空调机的选择：
可选风冷热泵机组两台，型号：SXF-360，每台制冷量1108kw，输入功率347kw；制热量1318kw，输入功率347kw。总制冷量为1108×2=2216kw>2025kw。冷量满足要求。
2、冬季燃油锅炉选择：
由于供热季节供暖气的热负荷为5861kw(约504万大卡/小时)；供热水的热负荷为21.33万大卡/h。由于生活热水的热负荷已由风冷热泵免费提供，故总热负荷仅为504万大卡/h。
风冷热泵总制热量为1318*2=2636kw，约227万大卡/小时，还差热负荷为504-227=277万大卡/小时。
故可选燃油锅炉2台，型号：WNS-II-1.6，每台产热量145万大卡/小时，耗柴油量为130kg/h，彭风机功率5kw。2台总制热量为290万大卡/小时。
总制热量为227+290=517万大卡/h >504万大卡/h。热量满足要求。
3、过渡季节的风冷热泵机组选择：
由于过渡季节不需要空调和供暖，此时只能由风冷热泵产热水机组提供热水给住宅楼生活热水使用。热水负荷为：21.33万大卡/h。可选风冷热泵产热水机组3台，型号：LSQ81HDM，每台制热量为87kw,约7.5万大卡/h，输入功率27.2kw。
总制热量为7.5×3=22.5万大卡/h >21.33万大卡/h。热量满足要求。
每天高峰用水时，风冷热泵产热水机组只需开机4小时，即可满足要求：22.5×4=90万大卡/h>85.32万大卡/h。热量满足要求。
4.7设备投资
| 冷热源设备及工程投资费用估算表 | ||||||
| 序号 | 设备名称 | 型号 | 数量 | 单位 | 单价(万) | 合价(万) |
| 1 | 风冷热泵机组 | 每台制冷量1108kw | 2 | 台 | 143.00 | 246.00 |
| 2 | 燃油锅炉 | 每台145万大卡/h | 2 | 台 | 32.00 | 64.00 |
| 3 | 风冷热泵产热水机组 | 制热量7.5万大卡/h | 3 | 台 | 7.02 | 21.06 |
| 4 | 室内末端设备安装费用 | 1 | 项 | 65.00 | 65.00 | |
| 5 | 室内风管安装费用 | 1 | 项 | 40.00 | 40.00 | |
| 6 | 室内水管道安装费用 | 0 | 项 | 35.00 | 0.00 | |
| 7 | 室外管道安装费用 | 1 | 项 | 15.00 | 15.00 | |
| 8 | 生活热水管道安装费用 | 1 | 项 | 18.00 | 18.00 | |
| 9 | 生活热水罐及热水泵等设备安装 | 1 | 项 | 25.00 | 25.00 | |
| 8 | 机房内管道、水泵安装费用 | 1 | 项 | 20.00 | 20.00 | |
| 9 | 系统的调试费用 | 1 | 项 | 3.00 | 3.00 | |
| 合计 | 517.06 | |||||
| 说明：1、本估算表中不含电气部分的费用。 | ||||||
| 2、本估算表中不含住宅楼采暖用的末端设备和采暖管道费用。 | ||||||
| 3、本估算表中不含税金。 | ||||||
4.8运行费用分析
冷、热源设备在实际运行中，95%的时间是处于部分负荷下运行的，所以在运行费用时，必须考虑冷、热源在部分负荷时的特性。
每年的供冷季节有4个月，供热季节有3个月，过渡季节有5个月。
每个季节的室外环境温度不一样，室内冷负荷也不一样。据专家统计，每季节环境温度的变化情况及冷、热源的负荷运行状态大致如下：
5%的运行时间处于100%满负荷运行状态；
25%的运行时间处于80%负荷运行状态；
40%的运行时间处于60%负荷运行状态；
20%的运行时间处于40%负荷运行状态；
10%的运行时间处于30%负荷运行状态。
表二：各季节的各运行状态所消耗的时间数
| 季节 | 负荷运行状态 | 100%负荷运行 | 80%负荷运行 | 60%负荷运行 | 40%负荷运行 | 30%负荷运行 |
| 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% | |
| 供冷季节 | 运行月数 | 4 | ||||
| 每月运行天数 | 30 | |||||
| 每天运行小时数 | 7 | |||||
| 总运行小时数 | 840 | |||||
| 所耗电时间 | 42 | 210 | 336 | 168 | 84 | |
| 供暖季节 | 运行月数 | 3 | ||||
| 每月运行天数 | 30 | |||||
| 每天运行小时数 | 6 | |||||
| 总运行小时数 | 540 | |||||
| 所耗电时间 | 27 | 135 | 216 | 108 | 54 | |
| 过渡季节 | 运行月数 | 5 | ||||
| 每月运行天数 | 30 | |||||
| 每天运行小时数 | 10 | |||||
| 总运行小时数 | 1500 | |||||
| 所耗电时间 | 75 | 375 | 600 | 300 | 150 | |
表三：供冷季节时的运行费用
| 供冷季节时的耗电量 | ||||||||
| 类别 | 序号 | 运行负荷占满负荷百分比 | 100% | 80% | 60% | 40% | 30% | 费用合计 |
| A | 1 | 风冷热泵2台总功率694kw | 694 | 555.2 | 416.4 | 277.6 | 208.2 | |
| 采用地源热泵 | 2 | 末端及其它设备总功率50kw | 50 | 40 | 30 | 20 | 15 | |
| 3 | 各状态每小时耗电量kw | 744 | 595.2 | 446.4 | 297.6 | 223.2 | ||
| 4 | 供冷季节总运行小时数h | 840 | ||||||
| + | 5 | 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% | |
| 锅炉 | 6 | 实际运行小时数 | 42 | 210 | 336 | 168 | 84 | |
| + | 7 | 在整个供冷季节所耗电量(度) | 31248 | 124992 | 149990.4 | 49996.8 | 18748.8 | |
| 风冷热泵 | 8 | 在整个供冷季节的耗电费用(取每度电费为0.80元) (元) | 24998.4 | 99993.6 | 119992.3 | 39997.44 | 14999.04 | 299980.8 |
| B | 1 | 普通螺杆机2台总功率600kw | 600 | 480 | 360 | 240 | 180 | |
| 采用普通螺杆机组 | 2 | 末端及其它设备总功率50kw | 50 | 40 | 30 | 20 | 15 | |
| 3 | 各状态每小时耗电量kw | 650 | 520 | 390 | 260 | 195 | ||
| 4 | 供冷季节总运行小时数h | 840 | ||||||
| 5 | 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% | ||
| 6 | 实际运行小时数 | 42 | 210 | 336 | 168 | 84 | ||
| 7 | 在整个供冷季节所耗电量(度) | 27300 | 109200 | 131040 | 43680 | 16380 | ||
| 8 | 在整个供冷季节的耗电费用(取每度电费为0.80元) (元) | 21840 | 87360 | 104832 | 34944 | 13104 | 262080 | |
| C | 1 | 节省电费(B8-A8) | -3158.4 | -12633.6 | -15160.3 | -5053.44 | -1895.04 | -37900.8 |
| 节省电费 | 2 | 省电百分率(C1/B8)100% | -14% | -14% | -14% | -14% | -14% | -14% |
表四：供暖季节时的运行费用
| 供暖季节时的耗电量 | ||||||||
类别 | 序号 | 运行负荷占满负荷百分比 | 100% | 80% | 60% | 40% | 30% | 费用合计 |
A | 1 | 风冷热泵2台总功率694kw | 694 | 555.2 | 416.4 | 277.6 | 208.2 |
|
采用风冷热泵 | 2 | 燃油锅炉2台总功率10kw，(总油耗260kg/h) | 10 | 8 | 6 | 4 | 3 |
|
3 | 末端及其它设备总功率50kw | 100 | 80 | 60 | 40 | 30 |
| |
4 | 各状态每小时总耗电量kw | 804 | 643.2 | 482.4 | 321.6 | 241.2 |
| |
5 | 供冷季节总运行小时数h | 540 |
| |||||
+ | 6 | 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% |
|
锅炉 | 7 | 实际运行小时数 | 27 | 135 | 216 | 108 | 54 |
|
| 8 | 在整个供冷季节所耗电量(度) | 21708 | 86832 | 104198.4 | 34732.8 | 13024.8 |
|
| 9 | 各状态 耗电费用(取每度电费为0.80元) (元) | 17366.4 | 69465.6 | 83358.72 | 27786.24 | 10419.84 | 208396.8 |
10 | 各状态耗油量kg | 7020 | 35100 | 56160 | 28080 | 14040 |
| |
11 | 各状态耗油费用(油价4元/kg) | 28080 | 140400 | 224640 | 112320 | 56160 | 561600 | |
12 | 耗油、耗电费用合计 | 45446.4 | 209865.6 | 307998.7 | 140106.2 | 66579.84 | 769996.8 | |
B | 1 | 燃油锅炉3台总功率19.5kw，(总油耗579kg/h) | 19.5 | 15.6 | 11.7 | 7.8 | 5.85 |
|
采用燃油锅炉 | 2 | 末端及其它设备总功率50kw | 100 | 80 | 60 | 40 | 30 |
|
3 | 各状态每小时耗电量kw | 119.5 | 95.6 | 71.7 | 47.8 | 35.85 |
| |
4 | 供冷季节总运行小时数h | 540 |
| |||||
5 | 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% |
| |
6 | 实际运行小时数 | 27 | 135 | 216 | 108 | 54 |
| |
7 | 在整个供冷季节所耗电量(度) | 3226.5 | 12906 | 15487.2 | 5162.4 | 1935.9 |
| |
8 | 在整个供冷季节的耗电费用(取每度电费为0.80元) (元) | 2581.2 | 10324.8 | 12389.76 | 4129.92 | 1548.72 | 30974.4 | |
9 | 各状态耗油量kg | 15633 | 78165 | 125064 | 62532 | 31266 |
| |
10 | 各状态耗油费用(油价4元/kg) | 62532 | 312660 | 500256 | 250128 | 125064 | 1250640 | |
11 | 耗油、耗电费用合计 | 65113.2 | 322984.8 | 512645.8 | 254257.9 | 126612.7 | 1281614.4 | |
C | 1 | 节省电费(B8-A8) | 19666.8 | 113119.2 | 204647 | 114151.7 | 60032.88 | 511617.6 |
节省电费 | 2 | 省电百分率(C1/B8)100% | 30% | 35% | 40% | 45% | 47% | 40% |
表五：过渡季节时的运行费用
| 过渡季节时的耗电量 | ||||||||
| 类别 | 序号 | 运行负荷占满负荷百分比 | 100% | 80% | 60% | 40% | 30% | 费用合计 |
| A | 1 | 风冷热泵3台总功率81.6kw | 81.6 | 65.28 | 48.96 | 32.64 | 24.48 | |
| 2 | 各状态每小时耗电量kw | 81.6 | 65.28 | 48.96 | 32.64 | 24.48 | ||
| 3 | 供冷季节总运行小时数h | 1500 | ||||||
| 4 | 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% | ||
| 5 | 实际运行小时数 | 75 | 375 | 600 | 300 | 150 | ||
| 6 | 在整个过渡季节所耗电量(度) | 6120 | 24480 | 29376 | 9792 | 3672 | ||
| 7 | 各状态 耗电费用(取每度电费为0.80元) (元) | 4896 | 19584 | 23500.8 | 7833.6 | 2937.6 | 58752 | |
| B | 1 | 燃油锅炉1台总功率19.5kw，(总油耗32kg/h) | 19.5 | 15.6 | 11.7 | 7.8 | 5.85 | |
| 采用燃油锅炉 | 2 | 末端及其它设备总功率100kw | 100 | 80 | 60 | 40 | 30 | |
| 3 | 各状态每小时耗电量kw | 119.5 | 95.6 | 71.7 | 47.8 | 35.85 | ||
| 4 | 供冷季节总运行小时数h | 1500 | ||||||
| 5 | 该运行状态的时间占整个季节运行时间百分比 | 5% | 25% | 40% | 20% | 10% | ||
| 6 | 实际运行小时数 | 75 | 375 | 600 | 300 | 150 | ||
| 7 | 在整个供冷季节所耗电量(度) | 8962.5 | 35850 | 43020 | 14340 | 5377.5 | ||
| 8 | 在整个供冷季节的耗电费用(取每度电费为0.80元) (元) | 7170 | 28680 | 34416 | 11472 | 4302 | 86040 | |
| 9 | 各状态耗油量kg | 2400 | 12000 | 19200 | 9600 | 4800 | ||
| 10 | 各状态耗油费用(油价4元/kg) | 9600 | 48000 | 76800 | 38400 | 19200 | 192000 | |
| 11 | 耗油、耗电费用合计 | 16770 | 76680 | 111216 | 49872 | 23502 | 278040 | |
| C | 1 | 节省电费(B8-A8) | 11874 | 57096 | 87715.2 | 42038.4 | 20564.4 | 219288 |
| 节省电费 | 2 | 省电百分率(C1/B8)100% | 71% | 74% | 79% | 84% | 88% | 79% |
从以上计算可知，采用风冷热泵+燃油锅炉的冷热源方案，年运行费用为：
299980.8 +769996.8+58752=1128729.6元，
而采用传统方案，年运行费用为:
262080+1281614.4+278040=1821734.4元，
每年可节省运行费用为：
1821734.4-1128729.6=693004.8元，约69万
5 结论
风冷热泵一机三用虽然其节能效果比较显著，但它并不是适合于任何工程，在应用时需根据工程的具体情况进行分析，方能达到设备投资和运行能耗的最大节约。
