2.2　能源综合利用

2.2.1　蓄冷空调

2.2.1.1　蓄冷技术产生的背景

空调蓄冷技术的产生到目前为止有70多年的历史，而冰蓄冷技术在20世纪80年代得到了长足的发展。目前空调蓄冷技术在写字楼、商业等大型公共建筑系统及区域供冷方面得到了大量的应用，并且成为一个很重要的建筑节能手段，为电力负荷调节的重要手段。

所谓蓄冷空调就是在夜间用电低谷期（同时也是空调负荷低峰时间）用制冷主机制冷，并利用蓄冷材料的显热或潜热将冷量存起来，待白天电网高峰（同时也是空调负荷高峰时间）时，再将冷量释放出来，以满足空调或生产工艺的需要。

蓄冷空调有水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷和气体水合物蓄冷四种方式，而在实际运用中采用最多的为水蓄冷、冰蓄冷。水蓄冷技术适用于现有常规制冷系统的扩容或改造，可以在不增加制冷机组容量的情况下提高供冷能力；而选用冰蓄冷和低温送风系统相结合的蓄冷供冷方式，在初期投资上可以和常规空调系统相竞争，且在分时计费的电价结构下，其运行费用要低得多，因此，已成为建筑空调技术的发展方向。与常规空调相比，蓄冷空调不仅具有重要的社会效益：削峰填谷平衡电力负荷、提高能源利用水平、提高发电机组效率、减少环境污染等，而且还具有一定的经济效益：减少机组的容量、提高制冷机组运行效率、节省电费及电力设备费等。因此在空调的设计、施工和中央空调的改造工程中，蓄冷技术已经得到了广泛的应用。特别是实行峰谷双费制的地区，具有更好的经济效益。

2.2.1.2　蓄冷技术的基本概念原理与分类

所谓蓄冷技术，就是利用某些工程材料（工作介质）的蓄冷特性，储藏冷能并加以合理利用的一种蓄能技术。广义地说，蓄冷即蓄热，蓄冷技术也是蓄热技术的一个重要组成部分。工程材料的蓄热（蓄冷）特性往往伴随温度变化、物态变化或一些化学反应，据此可以将全部蓄冷介质划分为显热蓄热、潜热蓄热、化学蓄热三大类型，在这些蓄冷材料中最常见的是水、冰、共晶盐等，还可将蓄冷技术分为两种：显热蓄冷和相变蓄冷。

水蓄冷空调系统的优点是：在蓄冷工况和主机单独供冷工况对制冷机的要求相差不大，因此不需要设置双工况主机，主机能保持较高的制冷效率。水蓄冷系统的效率主要取决于蓄冷槽供回水温度，以及供回水的流体的有效分层间隔。水蓄冷系统的主要缺点是：单位体积蓄冷量小，蓄冷槽占用空间大。水蓄冷系统应用的技术难点在于冷温水的有效隔离，即如何避免能量掺混。常用的蓄冷槽结构和配管设计有几种方案：自然分层化、迷宫曲径与挡板、隔膜或隔板。

相变蓄冷包括冰蓄冷和其他相变材料（共晶盐）蓄冷。相变蓄冷的优点是：单位体积蓄冷量大，蓄冷槽占用空间小，相变过程等温性好。相变蓄冷的缺点是：在蓄冷工况和主机单独供冷工况对制冷机的要求相差较大，需要设置双工况主机，主机的制冷效率较低。

综上所述，蓄冷空调分类总结如下：

蓄冷空调工程中运用最多的是冰蓄冷系统，相比于水蓄冷系统，冰蓄冷系统有其独特的优势：冰的相变潜热量大，蓄冷密度大，蓄冷温度几乎恒定，蓄冷体积只有水的几十分之一，便于存储，对蓄冷槽的要求低，占用空间小，容易做成标准化、系列化的标准设备。同时，蓄冷槽可以就地制造，因此冰蓄冷系统得以广泛地应用。冰蓄冷空调系统分类方法有很多种，按系统循环流程不同可分为并联和串联式冰蓄冷空调系统，按蓄冰形式不同可分为冰盘管外蓄冰、封装冰蓄冰、完全冻结式蓄冰等静态蓄冰方式以及冰片滑落式、冰晶式等动态蓄冰方式。

几种冰蓄冷系统的特性比较如表2-9所列。

2.2.1.3　冰蓄冷

（1）一般规定

①凡执行峰谷电价，且峰谷电价差较大的地区，同时空调用电负荷不均匀，且空调用电峰谷时段与电网重叠的建筑工程，经技术经济比较，均可采用冰蓄冷空调。

②电价结构在冰蓄冷空调系统的技术经济分析中是十分重要的因素，因为冰蓄冷应用效益主要来自降低和节约运行费用，以回收与常规空调系统相比所增加的投资差额。经过工程实践，一般认为，当峰谷时段的电价差较大（最小峰谷电价不低于3∶1）时，回收投资差额的期限不超过5年较为合理、可行。

③蓄冰装置一般分静态制冰和动态制冰两类。静态制冰的形式有内、外融冰冰盘管式，封闭式（冰球、冰板式）等；动态制冷的形式有冰片滑落式、冰晶（冰浆）式等。蓄冰装置的选择，应根据工程具体情况和结合空调系统的技术要求而决定。目前我国工程中应用最多的是静态制冰的蓄冰装置。

④优化蓄冷空调系统的技术方案，综合应用先进的空调技术（如大温差供水、低温送风等），在减少制冷设备的基础上，进一步减小泵、风机、系统管路、保温材料的规格与尺寸，同时也减少了相应的变、配电设备和电力增容费，充分利用建筑筏式、箱型基础的空间或室外绿地、停车场等地下空间安置蓄冷罐、槽，尽量少占用建筑有效面积和空间，这些投资的节省可以抵消或降低因增加蓄冰装置而引起的投资费用。

⑤除方案设计或初步设计，可使用系数法或平均法对空调冷负荷进行必要的估算外，施工图必须在蓄冷-放冷周期内进行逐项、逐时的冷负荷计算，并求得设计周期的空调总冷负荷。

（2）冰蓄冷空调的设计与运行

冰蓄冷空调系统与常规空调系统的不同之处在于增加了乙二醇溶液循环，由于增加了不冻液循环，因此需要增加不冻液循环泵、蓄冰桶、板式换热器以及有关阀门。冰蓄冷空调系统的设计重点也在于乙二醇溶液系统的设计：乙二醇溶液的浓度取决于设计蒸发温度以及蓄冰装置所需要的蒸发温度。乙二醇是一种防冻的传热流体，凝固点取决于浓度；乙二醇溶液的进出口温差设计应尽可能小，以便在同样进出口温度下获得较低的平均温度，但温差过小流量会加大，一般推荐3～4℃；在制冷与释冷串联空调的运行方式中，通常通过调节阀自动调节蓄冰设备旁通的乙二醇溶液流量，来保持进入板式换热器的乙二醇溶液温度恒定。而板式换热器出口温度及冷水机出口温度则随空调负荷而变化。冷水机的制冷剂蒸发温度由制冷机的能量调节机构保持恒定，其高低与制冷机开关容量有关。

制冰期（蓄冰期）设计进口和出口温度以及浓度必须适合所选用的蓄冰装置。空调期间（放冷）蓄冰装置乙二醇的出口温度取决于系统设计、系统配置以及放冷效率。放冷期间蓄冰装置乙二醇的出口温度是变化的。放冷期间头几个小时内，该温度值可能太低，而最后几个小时内，该温度值可能太高。所以，必须提供控制措施以防止过多的冷量从蓄冰装置中被提取。另外，也需核查放冷效率，以保证在放冷周期结尾期仍能提供足够的冷量。所有蓄冰设备均存在蓄冷效率和放冷效率。蓄冷效率代表蓄冰装置中存放的冷量，放冷效率代表在设计温度下一定的冷量由蓄冰装置取出，设计放冷温度越低，放冷效率越低。所以，必须通过核算确定蓄冰装置的性能，选择合适的蓄冰装置。蓄冰装置必须有蓄冷能力，即在设计载冷剂温度状况下以及制冷机容量和载冷剂流量均为规定值的情况下，能在规定的蓄存时间内蓄存设计的全部总冷量。同时还需要具有供冷能力，即在规定的设计进出口温度、设计流量下以及供冷期每小时特别是最后几个小时均匀供出所需冷量。

蓄冷系统工作模式是指系统在充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组是各自单独工作还是共同工作。蓄冷系统的常见工作方式有：制冷机与融冰同时供冷，在此工作模式下制冷机和蓄冰装置同时运行满足供冷要求。按部分蓄冷运行策略，在较热季节都需要采用这种工作模式，才能满足供冷需求。该工作模式又分成了两种情况，即机组优先和融冰优先。机组优先指回流的热乙二醇溶液，先经制冷机预冷，而后流经蓄冰装置而使蓄冰冷却至设定温度。蓄冰空调系统在运行过程中制冷机可有两种运行工况，即蓄冰工况和放冷工况。在蓄冰工况时，经制冷机冷却的低温乙二醇溶液进入蓄冰槽的蓄冰换热器内，将蓄冰槽内制冷的水冷却并冻结成冰，当蓄冰过程完成时，整个蓄冰系统的水将完全冻结。融冰时，经板式换热器换热后的系统回流温热乙二醇溶液进入蓄冰换热器，将乙二醇溶液温度降低，再送回负荷端满足空调冷负荷的需要。

乙二醇溶液系统的流程有两种：并联流程和串联流程。并联流程中制冷机与蓄冰罐在系统中处于并联位置，当最大负荷时，可以联合供冷。同时该流程可以蓄冷、蓄冷并供冷、单融冰供冷、冷机直接供冷等。串联流程即制冷机与蓄冰罐在流程中处于串联位置，以一套循环泵维持系统内的流量与压力，供应空调所需的基本负荷。串联流程配置适当自控，也可实现各种工况的切换。并联流程在发挥制冷机与蓄冰罐的放冷能力方面均衡性较好，夜间蓄冷时只需开启功率较小的初级泵运行，蓄冷时更节能，运行灵活。串联流程系统较简单，放冷恒定，适合于较小的工程和大温差供冷系统。

（3）冰蓄冷系统的特点及节能分析

①相对于全负荷蓄冷，部分负荷蓄冷是冰蓄冷系统经常采用的一种类型，这种类型由于空调冷负荷是由制冷主机和蓄冰装置共同承担的，相对投资较低，经济有效，应优先采用。

②并联系统的冰蓄冷形式管路简单，易充分发挥冷机和蓄冰装置的效率，但两者间冷负荷的分配和调节控制复杂，造成供液温度较难恒定，适用于供、回水温差不过大的常规空调水系统。

③在串联系统中，当蓄冰装置处在上游时，回液先经过蓄冰装置，较高的回液、出液温度与冰的低温形成较大的换热对数温差，故装置可获得较高的融冰速率，与处在系统下游时相比，可减少装置的换热面积，形成投资价格的优势。但应该指出，冰是在较低蒸发温度下制成的，用于系统高温端，未能充分利用冰低温的物理特性，这是蓄冰装置取得较大融冰速率的代价。因而，处在下游的主机，由于较低的进液、供液温度，蒸发温度随之降低，会引起制冷效率的下降。但主机处在下游的优点是，因主机供液温度的恒定容易控制，故对上游蓄冰装置供冷性能的稳定性要求较低，使用的蓄冰装置种类更宽泛，而对整个系统而言，供冷的稳定性仍可得到保证。此外，当双工况主机采用多级离心机型时，由于调节性能好，仍可保持较高的COP值，使上述矛盾得到缓解。根据系统的特点，建议空调供水温度不宜过低（≥4℃），温差可适度增大（6～8℃）。

④在串联系统中，当双工况主机处在上游时，回液先经过主机，因较高的回液、出液温度，主机可获得较高的COP值。蓄冰装置位于系统下游的低温端，可充分利用冰低温的物理特性，因此适用于大温差（8～10℃）的空调水系统。为保证整个系统供冷的量和质的稳定，因而对蓄冰装置融冰性能有较高的技术要求。同时，位于下游的蓄冰装置因较低的进液、供液温度，会造成融冰率的下降，相对于蓄冰装置在上游的系统，会增加蓄冰装置融冰换热的面积或容量，进而影响投资造价。

⑤外融冰蓄冷系统可提供1～2℃的供水温度，其冰层厚度一般为40～65mm，但应采取技术措施杜绝冰桥产生，否则会导致释冷周期内部分冰不能融化，造成效率损失。为了均匀水温，平稳地制冰、融冰，一般由空气泵向槽内注入气泡，空气泵的发热量应计入蓄冰槽的能量损失。外融冰的蓄冰系统还常用于工业项目和区域供冷。

⑥制冷机优先运行策略的特点是：空调负荷主要由制冷机供冷，不足部分用蓄冰装置补足。在满足空调负荷的前提下，采用这种方法计算所得的双工况主机和蓄冷装置的容量相对较小，初期投资较低，主机利用的效率较高。但“移峰填谷”的效果有限，未能充分发挥冰蓄冷节能的技术优势。

⑦蓄冰装置优先运行策略的特点是：先以恒定的速度释放蓄冷装置冷量，不足部分由制冷主机补足，以满足空调负荷的需要。采用这种方法计算所得的双工况主机和蓄冰装置的容量较制冷机优先的方法大，但“移峰填谷”的效果好，运行费用也更省。

⑧采用蓄冷装置在下游的串联系统宜选用蓄冷装置优先的运行策略。当载冷剂为定流量时，系统可获得稳定的主机和蓄冷装置之间的中间温度，使控制简便、运行可靠、容易实现。

采用主机在下游的串联系统和制冷机优先的运行策略时，也可获得类似上述系统的控制效果。

⑨优化控制的运行策略是在空调负荷预测的前提下，综合采用主机优先和蓄冰装置优先等技术特点，在保证空调质量的同时，应尽可能把融冰释放的冷量用于电价最高的峰时段，以达到移峰填谷的效果最佳、运行费用最省的目的。

各种类型和不同运行策略的双工况主机和蓄冰装置的容量计算方法见表2-10。

在工程实施中，经常设计和计算在先，设备招标在后。设计应会同产品生产厂或供应商完成对中标设备的技术确认，并应以产品电脑选型计算书为依据，对设计计算进行调整。

（4）制冷剂泵与节能

水泵在空调系统中占有相当的能耗比例，《公共节能设计标准》规定了空调水系统的最大输送能效比ER的值，影响ER值的三个因素为泵的扬程、供回液温差和泵的工作点效率（%）。在选用制冷剂溶液泵时也应参照这些原则，降低系统的输送能效比。

溶液泵的扬程不可估算，可先对系统设备管路的压降做水力计算，再按溶液浓度的百分比，乘以相应的系数。25%～30%（质量分数）的乙烯乙二醇溶液在同样制冷量和温度条件下，所需流量是水的1.08～1.1倍，管道阻力修正系数是1.22～1.386倍。

一般选择蛇形盘管式蓄冷装置时，压降值宜控制在70～100kPa，最大不应超过120kPa。板式换热器的压降一般不大于0.1MPa。

溶液泵的流量应首先满足双工况主机选型所需（在空调工况时，供回液温差也不小于5℃），并经过其他设备选型确认。在确保系统正常运行的前提下，载冷剂流量不宜过大。

冰蓄冷系统在蓄冰、融冰、空调等不同模式运行时，载冷剂的流量和压降均会发生变化，选泵时应综合考虑系统不同运行模式时的流量和扬程，使泵的特性曲线能满足系统流量和扬程的最大需求，并使泵在各工作点均处在效率较高的区域。

当系统规模较大或流量、压降值变化较大时，可采用变频调速装置，亦可按功能分别设泵，或采用二次泵系统。

（5）冰蓄冷空调的经济性分析

蓄冰空调的经济性分析方法主要有静态经济分析法、动态经济分析法，虽然后者的计算更细致完善，但是通常建筑物空调系统的使用寿命约为15年，且目前绝大多数投资人可接受的投资增量回收期不过3～5年，期限非常短，所以在工程实践中，对蓄冷空调项目进行经济性分析多采用静态经济分析法，简单明了、易于接受和掌握。从最大限度节能和环境减排角度来设计的全量蓄冷系统，虽然较多削减了高峰电，但是初期投资巨大，无论是采用静态经济分析法还是全生命周期分析法，计算出的回收期大多会超出空调系统的使用寿命周期，如果没有相应的政策配套措施与支持，这样的系统对投资人来讲是难以接受的。因此，为促进我国减排目标的实现，调动投资人的积极性来提高蓄冷空调项目的工程化实施比例，在行政策略方面需要国家地方电力、能源等相关部门能够出台一系列税费减免、无息贷款、削峰奖金等有倾向性和指导性的鼓励措施，或者搭建操作性强的节能减排交易体系，使得项目投资人能够获得有效减排带来的补贴与收益；在经济策略方面，需要通过价格杠杆，进一步拉大峰谷电价的比率与差价，来有效缩短蓄冷项目的投资增量回收期，通过这样的经济信号引导全社会共同参与削峰填谷，促进国家能源的节约和平衡利用。

影响和制约蓄冷空调项目经济性的因素有很多，其中空调系统符合状况、蓄冷设备价格和蓄冷率是具有代表性的三个。就工程项目而言，除夜间空调和冷负荷比较平稳、白天夜间变化不大的昼夜空调以外，其他符合类型的项目都有上蓄冷空调的可能；从空调负荷的持续性——年空调运行时间的长短上来讲，持续运行时间越长的项目越适合做蓄冷空调；从地域上来讲，从以京津为代表的寒冷地区到夏热冬冷的华东江浙皖一带，再到广东、福建、海南这样的夏热冬暖地区，实施蓄冷空调的可行性和可实施项目的比例依次提高；就同一个项目而言，蓄冷设备的单价变化与其投资增量回收期呈正比关系，单价越高的项目的初投资额越大，投资增量回收期越长。蓄冷设备的国产化开发，一方面可提高蓄冷项目的经济性；另一方面可提高蓄冷项目在区域和数量上的占比，从而促进全社会的节能减排量。蓄冷系统存在着一个经济性和节能收益最佳的蓄冷率，该点处蓄冷系统的制冷机组装机容量最小，初期投资、回收期以及节能减排量等综合效益最优，对应的蓄冷设备的价格弹性也最强。以类型来分，一般以间歇性空调最佳蓄冷率数值最高，大多能到50%以上；其次是日间空调，最佳蓄冷率数值多在30%左右；昼夜空调的最佳蓄冷率数值整体偏低，在15%～30%。

2.2.1.4　水蓄冷

（1）水蓄冷空调系统的设计步骤

①设计者需掌握的基本资料：当地电价政策、建筑物的类型及使用功能、可利用空间（放置水蓄冷设备）等。

②确定建筑物空调的日逐时冷负荷及日总冷负荷。

③根据工程项目的实际情况，确定蓄能类型和运行参数。

④确定制冷机组和蓄冷设备的容量。

⑤确定蓄冷系统的运行模式与控制策略。

⑥进行技术经济分析，计算出水蓄冷系统的投资回收。

（2）蓄冷水池的设计

①蓄冷水池宜采用分层法，也可采用多水槽法、隔膜法或迷宫与折流法。采用分层法时，如条件允许，蓄冷水池应尽可能加深，水池中的水流分配器应设计合理，使供、回水在充冷和放冷循环中在池内产生重力流，形成并保持一个斜温层，其厚度不大于1m。蓄冷水池的容积计算方法如下：

　　（2-7）

式中　V——蓄冷水池容积，m3；

　Qs——总蓄冷量，kW·h；

　Kd——冷损失附加率，一般取1.01～1.02；

　η——水池容积率，一般取0.96～0.99；

　ρ——蓄冷水密度，取1000kg/m3；

　Δt——蓄冷水池进、出水温差，一般取6～100℃；

　cp——水的定压热容量，kW/（kg·℃）；

　 φ——蓄冷水槽完善度，考虑放冷斜温层影响，一般取0.9～0.95。

②根据自然分层蓄冷水槽内的热力特性和蓄、放冷时蓄冷水槽内的流态要求，蓄冷水槽内的温度以4℃较合适，因此时水的密度最大。为减少蓄冷水槽建设费用和提高蓄冷密度，在条件允许时，蓄冷水槽进、出水温度应尽量选取较大值。

③充分利用工程项目的消防水池，将其改造成蓄冷水池，少占用建筑面积和空间。蓄冷水池也可用于冬天蓄热，但应另辟消防水池。

（3）冷水机组容量计算

完全蓄冷方式：

　　（2-8）

式中　qc——冷水机组的制冷量，kW；

　Qc——空调总冷负荷，kW·h；

　K——冷损失附加率，取1.01～1.02；

　n2——晚间蓄冷运行时间，h。

部分蓄冷方式：

　　（2-9）

式中　n1——白天空调冷水机组运行时间，h。

2.2.2　热泵系统

地下浅表层的低温热能能够被热泵抽取，供建筑采暖和制备热水，夏季建筑反过来向土地（或水）排放热量。由于电能在这个过程中只用来抽取热量，所以能够大幅度地降低能耗。其具体运用为地源热泵空调系统。

地源热泵空调系统是指通过将传统的空调器与冷凝器或蒸发器延伸至地下，使其与浅层岩土或地下水进行热交换，或是通过中间介质（如不冻液，主要成分一般是氯化钙、氯化钠、乙醇、乙二醇、甲醇、乙酸钾、碳酸）作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过浅层岩土循环流动，从而实现利用低温位浅层地能对建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源利用技术，如图2-10所示。

图2-11所示为地源热泵的工作原理图，该技术可以充分发挥浅层地表的储能储热作用，达到环保、节能双重功效。

根据地源热泵采暖降温系统与环境的作用关系及技术路线的不同，可将它分为封闭式地源热泵系统和开放式地源热泵系统。表2-11将其做了比较。

由于开放式系统对环境的影响比较大，在使用时受到很多局限，而且该技术本身对环境的要求也比较高，所以应用不多。封闭式系统以其良好的环境友好性而受到广泛的应用。

2.2.2.1　空气源热泵

（1）空气的冷热源特性

常态（100kPa的气压，20℃的温度）下，干空气的密度为1.164kg/m3，比热容为1.013kJ/（kg·K）。地球上的空气是含有水蒸气的湿空气。正因为空气中有水蒸气，所以地球上才有这么复杂不同的气候和变化不定的天气过程。在湿空气焓湿图上可以观察到湿空气的丰富状态及其各种变化过程。其主要的状态变化过程有：干升温与干降温过程、加湿升温过程、降温除湿过程等。通过这些过程不仅可以理解结露成霜的机理，获得舒适的空气环境技术，还可以从空气中获取冷热量。

空气具有良好的流动性、自我膨胀性与可压缩性。在被提取热量的过程中，必然引起其显热、潜热或全热的变化，直接表现为空气温湿度的变化。但由于空气良好的流动性，在良好的通风环境下被提取了冷热量的空气，可以顺畅地离开空气冷热源利用设备（气源热泵），而尚未被提取冷热量的空气及时补充到气源热泵，保持进入气源热泵的空气状态稳定。冬季空气作为热源的环境负效应表现为周围一定范围内气温的下降，当这一范围属于公共区域时，必须考虑社会允许性问题。

空气作为热源的存在可靠性是很好的，空气作为热源的容量和品位不会因热量的提取而下降，但必须依靠气源热泵提升品位才能利用，且品位会随冬季的持续和寒潮的来去而变化。通常建筑需要热量最多时，也正是空气热源的品位最低的时候。气源热泵在最高负荷时，对空气热源进行品位的最大提升，此时气源热泵的运行能效比最低，供热能力下降，不得不配备辅助热源。

夏季空气作为冷源的环境负效应不但表现为周围一定范围内温度的上升、环境热舒适性降低，而且还加剧了城市的热岛效应，因为采用冷却塔排热的常规水冷冷水机组，实质上也是空气作为冷源。冷却塔在微生物生存繁殖方面有温床的作用和传播方面的推动作用，使夏季空气作为冷源的环境友好性进一步降低，而风机的噪声则使社会允许性下降。

由于夏季空气温度与室内温度的大小关系不像冬天那样单纯，空气冷源的品位是变化的。当tw<tn时，为正品位。由于空气有良好的流动性，可直接利用通风技术向室内供冷，尤其是利用自然通风供冷时，其一次能源利用率为无穷大。当tw>tn时，为负品位，必须提升品位才能获得可用的冷量（tw为室外温度，tn为室内温度）。

空气品位的稳定性还受空气流通条件的影响，若从滞留区取冷量，品位会迅速降低。空气作为冷源的易获得性很好。空气是春秋季（通风季）最好的冷源，尤其适用于室内发热大的建筑。

（2）利用空气作为冷热源的关键问题与技术措施

利用空气作为冷热源需解决以下关键问题。

①品位低，甚至是负品位。随天气过程的变化，空气源热泵要有适应冷热源品位变化造成的品位提升幅度显著变化的能力。

②空气源热泵供冷、供热能力和能效比都与建筑需用冷、热量的变化规律相反。因此，如何合理地配置空气源热泵容量是其关键。

③城市建筑密度的增加，空气源热泵数量的增加都使热泵处的空气容易形成局部涡流，空气源品位下降，不但影响能效和出力，甚至可使热泵不能运行。

④冬季室外气温5℃左右，湿度大时，热泵室外换热器容易结露，影响供热连续性。除霜技术的关键是把握好时机和除霜时段的长短。

⑤要重视解决噪声扰民问题，以保证社会允许性。

利用空气作为冷热源的主要技术如下。

①当空气处于正品位时，尽量用通风措施向室内提供冷热量。

②尽量在负品位梯级较小时利用空气源热泵提供冷热量，如冬初、末，夏初、末和夏季阴雨天气；避开盛夏和严冬低温。

③蓄能调节，以余补欠。

④合理设置辅助冷热源。

⑤运行调控，防霜除霜。

⑥区域适用。空气作为夏季冷热源在我国各地都是普遍适用的，空气作为冬季冷热源在长江流域及其南方是适宜的，在严寒地区使用能效是不高的。

（3）空气源热泵技术原理

空气源热泵原理就是利用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，是一种节能高效的热泵技术。空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过永久黏结在储水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了空气源热泵储水箱中的水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。

（4）一般规定

①空气源热泵机组的选择应根据不同气候区，按下列原则确定。

a.适用于夏热冬冷地区的中、小型公共建筑。

b.夏热冬暖地区采用时，应根据热负荷选型，不足冷量可由性能系数（COP）较高的水冷冷却冷水机组提供。

c.在寒冷地区，当冬季运行性能系数低于1.8或具有集中热源、气源时不宜采用。

②热回收式热泵机组的使用场合，按下列原则确定。

a.适用于需要保持恒温恒湿的场所，如美术馆、博物馆、计算机房、手术室等。

b.适用于水系统为四管制的建筑，如高级办公楼、高档宾馆等。

c.适用于夏热冬暖地区，冬、夏均需要生活热水的场所。

d.在夏热冬冷、寒冷地区，为生活热水提供热源时，应进行技术经济比较。

（5）设计原则及要点

空气源热泵机组，应优先选用性能系数（COP）高的机组。在额定制冷工况和规定条件下，性能系数（COP）不应低于表2-12的规定。

热泵机组的单台容量及台数的选择，应能适应空气调节负荷全年变化的规律，满足季节及部分负荷要求。当空气调节负荷大于528kW时不宜少于2台。

空气源热泵机组的选型，应符合下列要求。

①机组名义工况制冷、制热性能系数应高于国家现行标准。

②具有先进可靠的融霜控制，融霜所需时间总和不应超过运行周期的20%。

③在冬季寒冷、夏热冬暖、温和地区，可采用复合式冷却的热泵机组。

④对于同时有供冷、供热要求的场合，可选用热回收式热泵机组。

⑤空气源热泵机组冬季的制热量，应根据室外空气调节计算温度修正系数和融霜修正系数，按式（2-10）进行修正：

Q=qK1K2　　（2-10）

式中　Q——机组制冷量，kW；

　q——产品样本中的瞬时制热量（标准工况：室外空气干球温度7℃、湿球温度6℃），kW；

　K1——使用地区室外空气调节计算干球温度的修正系数，按产品样本选取；

　K2——机组融霜修正系数，每小时融霜一次取0.9、两次取0.8。

（6）采用热回收式热泵机组时的注意事项

①热回收热水供水温度一般为45～60℃。

②当热水使用与热回收非同时运行，或热回收能量小于小时最大耗热水量时，应设置热水储水箱。

③当热回收直接提供生活热水时，热回收器的所有连接水管应采用不锈钢管或铜管。

（7）寒冷地区采用空气源热泵机组的注意事项

①室外计算温度低于-10℃的地区，应采用低温空气源热泵机组。

②室外温度低于空气源热泵平衡点温度（即空气源热泵供热量等于建筑耗热量时的室外计算温度）时，应设置辅助热源。使用辅助热源后，应注意防止凝结温度和蒸发温度超出机组的使用范围。

③在有集中供热的地区不宜采用。

④在有集中供热的地区，过渡季节需要供热时可采用。

⑤非连续运行时，空调水系统应考虑防冻措施。

⑥不同配置的空气源热泵的最低室外适用温度分别为-7℃、-10℃、-15℃，适用于不同地区的要求。

⑦空气源热泵机组设有融霜自动控制，宜采用模糊控制除霜方法。

（8）热泵机组设置的注意事项

空调水泵台数应按热泵机组台数一对一设置，台数为3台以上时可不设备用泵。

热泵机组设置位置应通风良好，避免气流短路及建筑物高温高湿排气。

热泵机组布置应注意以下事项：

①为防止空气回流及机组运行不佳，热泵机组各个侧面与墙面的净距如下：机组进风面距墙大于1.5m，机组控制柜面距墙大于1.2m，机组顶部净空大于15m。

②两台机组进风面间距一般不小于3.0m。

③机组周围墙面只允许一面墙面高度高于机组高度。

④热泵机组基础高度一般应大于300mm，布置在可能有积雪的地方时，基础高度需加高。

2.2.2.2　水源热泵系统

（1）水体分类与水温特征

水具有流动性，是一种不可压缩的具有黏滞性的流体。常态下，水的密度为1000kg/m3，比热容为4.18kJ/（kg·K），都远大于空气。单位体积所储存的热量远是空气的3545倍；单位质量所储存的冷量是空气的4倍。

水体有多种存在形态，从运动状态上可分为3类：一是静止的水体，如湖泊水、水库水、水塘水；二是流动的水体，如江河水、雨水；三是不停止涨落的水，如海边的海水。水体从空间位置上可分为3类：空气中的水、地表水、地下水。

①滞止水体　这类属于滞流水体，提取水体的冷热量会导致水温上升或下降。在利用湖泊、池塘、水库作为冷、热源时，不仅要考虑气候对水温的影响，更需考虑水体承担的冷热负荷对水温分布的影响。湖泊、池塘、水库等虽然宏观上是静止的，但在日照、夜空冷辐射、气温及风雨等因素作用下，仍然存在明显的内部流动，可分为风雨作用下的强迫流动和热不均匀下的自然对流。这两种内部流动都很明显地影响水体温度及其分布，再就是热传导对水温及其分布的影响。

②江河水　江河水为流动水体，释放到水体的冷热量会及时被水流带走，不会在当地的水体中聚集，主要影响下游水温。江河水温度主要受上游流域气候和天气过程的影响。取决于上游流域地面温度。由于水往低处流的特性，上游流域海拔高，地表温度低，江河水从源头到下游，温度逐渐上升。在主流断面上，由于湍流作用，温度分布均匀。

太阳辐射除被水面吸收一部分外，其余部分能够透射入水体内部。这部分辐射在水体中随着水深的增加不断被吸收。其他因素如湖泊和水塘的表面积与水深等也影响到水体水温及分布特征。

③近岸海水　这类水体体量大，冬夏变化不大，年温差10℃左右，日温差小。由于潮汐的搅拌作用，上下温差很小。

（2）水源热泵技术现状

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。河水源热泵空调系统就是从江河中提取热量的热泵系统。江河水水源热泵的优点是：河水具有流动性，因此具有一定的携能能力；水的比热容比空气大，温度变化常滞后于空气温度的变化，温度较为稳定，因而使得热泵的运行工况较为稳定；水的传热性能好，换热设备较紧凑。其缺点是：热泵装置必须靠近水源，或设有一定的蓄水装置；对水质也有一定的要求，应进行水质分析后采用合适的换热器材质和结构形式，以防出现腐蚀等问题。

目前的水源热泵空调系统一般由三个必需的环路组成，必要时可增加第四个生活热水环路。

①水源换热环路　在地表或地下循环的封闭环路，由高强度塑料组成，循环介质为水或防冻液。冬季从水源中吸收热量，夏季向水源释放热量，由低功率的循环泵实现介质的循环。

②制冷剂环路　即在热泵机组内部的制冷循环，与空气源热泵相比，只是将空气-制冷剂换热器换成水-制冷机换热器，其他结构基本相同。

③室内环路　室内环路在建筑物内和热泵机组之间传递热量，传递热量的介质有空气、水和制冷剂等，因此相应的热泵机组分别对应为水-空气热泵机组、水-水热泵机组或水-制冷剂热泵机组。

④生活热水环路　将水从生活热水箱送到冷凝器去进行循环的封闭加热环路，是一个可供选择的环路。夏季，该循环利用冷凝器排放的热量，不消耗额外的能量而得到热水供应；在冬季或过渡季，其耗能也大大低于电热水器。

供热循环和制冷循环可以通过热泵机组的四通换向阀改变制冷剂的流向以实现冷热工况的转换，也就是内部转换。也可以通过互换冷却水和冷冻水的热泵进出口而实现，也就是外部转换。

（3）水源热泵系统工作原理

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。在夏季利用制冷剂蒸发将空调空间中的热量取出，放热给水源中的水，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量；在冬季，利用制冷剂蒸发吸收水源中的热量，通过空气或水作为载冷剂提升温度后在冷凝器中放热给空调空间。

水源热泵机组主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀组成。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用；蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，将从蒸发器中吸收的热量连同压缩机做功消耗所转化的热量传递给冷却介质，达到制热的目的；膨胀阀对循环工质起到节流降压的作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据对水源利用方式的不同，水源热泵系统可以分为开式系统和闭式系统。开式系统从水源中取水，间接或直接送入热泵机组换热，换热后在离取水点一定距离处排回到原水体。开式系统换热效率高，初投资较低，但水泵扬程较高，且对水质有一定的要求，适用于区域供冷、供热等容量较大的系统。闭式系统通过放置在地表水源底部盘管内的循环介质与水体换热。闭式系统容量一般比较小，水泵能耗相对较小，但换热效率有可能低于开式系统，初投资较高。在地源热泵系统中，开式系统的费用是最低的，目前国内应用较多的系统通常是开式系统形式。

（4）地下水地源热泵系统设计原则

①在水温适宜、水量充足稳定、水质较好、开采方便且不会造成地质灾害及当地政策法规允许的条件下，空调系统的冷热源可优先选用地下水地源热泵系统。

②热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质，热源井的设计应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）的规定。

③当地下水换热系统的勘察结果符合地下水地源热泵系统要求时，应将勘探孔完善成热源井。

④为确保地下水地源热泵系统长期稳定运行，地下水的持续出水量应满足地下水地源热泵系统最大放热量或吸热量的要求。抽水管和回灌管上应设置计量装置，并且对地下水的抽水量、回灌量及其水质应定期进行检测。

⑤地下水地源热泵机组的选择应根据建筑物使用要求、装机容量、运行工况、负荷变化规律及部分负荷运行的调节要求等因素综合确定。

⑥地下水地源热泵机组性能应符合现行国家标准《水（地）源热泵机组》（GB/T 19409—2013）的相关规定，且应满足地下水地源热泵系统运行参数的要求。

（5）地下水地源热泵系统设计要点

①热源井数目应结合工程场地情况和水文地质试验结果进行合理布置，并应满足持续出水量和完全回灌的要求。

②热源井井管应严格封闭，井内装置应使用对地下水无污染的材料，井口处应设检查井。

③抽水井和回灌井宜能相互转换，其间应设排气装置。抽水管与回灌管上均应设置水样采集口及检测口。地下水供水管道宜保温。

④为预防和处理回灌井堵塞，设计中应考虑回扬措施，并应根据含水层的渗水性、回灌井的结构和回灌方法确定回扬次数和回扬持续时间。

⑤地下水源水质应满足《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019—2015）的要求，当水源水质不能满足要求时，应相应采取有效的过滤、沉淀、灭藻、阻垢、除垢和防腐等措施。

⑥地下水系统宜采用变流量设计，根据空调负荷的变化，动态调节地下水用水量，既尽量减少地下水用量，又充分降低地下换热系统的运行费用。

⑦地下水地缘热泵系统采用集中设置的机组时，应根据水源水质条件确定采用直接或间接式系统；采用分散小型单元式机组时，应设板式换热器间接换热。

⑧应根据建筑物的特点和使用功能经过技术经济比较来确定地下水地源热泵机组的形式，并应根据不同地区地下水的温度参数来确定机组合理的运行工况，提高地下水地源热泵系统的整体运行性能。

⑨在水源热泵机组外进行冷、热转换的地下水地源热泵系统应在水系统管路上设置冬、夏季节的功能转换阀门，转换阀门应性能可靠、严密不漏，并做出明显标识。

⑩地下水直接进入地下水地源热泵机组时，应在水系统管路上预留机组清洗用旁通阀。地下水通过板式热交换器间接与地下水地源热泵机组换热时，在板式热交换器循环回路上应设置开式膨胀水箱或闭式稳压补水装置。

地下水地源热泵系统在供冷、供热的同时，宜利用地下水地源热泵系统的热回收功能提供（或预热）生活热水，不足部分由其他方式补充。生活热水的制备可以采用制冷剂环路加热或水路加热的方式。生活热水的供应，应按照现行国家标准《建筑给水排水设计规范（2009年版）》（GB 50015—2003）的规定执行。

建筑物内系统循环水泵的流量，应按地下水地源热泵机组蒸发器和冷凝器额定流量的较大值确定，水泵扬程为管路、管件、末端设备、蒸发器或冷凝器（选取较大值）的阻力之和。

（6）地表水地源热泵系统设计原则

①地表水地源热泵空调系统选用的水源热泵机组名义工况能效比（EER）与性能系数（COP）应满足相关标准的规定。

②建筑同时存在空调冷负荷与空调热负荷或生活热水供热负荷时，宜选用有热回收功能的水源热泵机组。

③设备选配、管路设计与运行控制模式应能适应水源热泵机组功能的转换与建筑空调冷（热）负荷及生活热水供热负荷的变化，取得系统的最高运行效率。

④地表水换热系统的换热量应根据设计工况地表水地源热泵空调系统的取热量和释热量计算确定，应能同时满足设计工况系统取热量和释热量要求。

⑤地表水换热系统对地表水体的温度影响应限制在：周平均最大温差不超过1℃，周平均最大温降不超过2℃。地表水换热系统的最大换热能力因此要做校核计算。

⑥冬季运行（包括运行状态与非运行状态）时，水源输送系统或地表水换热器系统应有防冻措施。如冬季极端工况不能满足系统供热要求时，应设另外的备用热源或补热系统。

⑦夏季空调设计工况地表水换热器系统设计供回水温差不应低于5℃，地表水换热系统水泵的输送能效比（ER）应不大于0.0241。水泵宜采用变频控制，系统变水量运行。

（7）地表水地源热泵系统设计要点

①地表水地源热泵空调系统根据利用地表水方式的不同，分为开式地表水地源热泵空调系统与闭式地表水地源热泵空调系统。开式系统直接从水体抽水和向水体排水，闭式系统通过沉于水体的换热器（地表水换热器）向水体排热或从水体取热。

②地表水水质较好或水体深度、温度等不适宜采用闭式地表水换热系统，并经环境评估符合要求时，宜采用开式地表水地源热泵空调系统。

③开式地表水换热系统取水口应选择水质较好的位置，且于回水口的上游、远离回水口，应避免取水与回水短路。取水口（或取水口附近一定范围）应设置污物初步过滤装置。取水口水流速度不宜大于1m/s。

④开式地表水换热系统地表水侧应有过滤、灭藻、防腐等可靠的水处理措施，同时做水质分析，选用适应水质条件的材质制造的制冷剂-水热交换器或中间水-水交换器，并在热交换器选择时取合适的污垢系数。水处理不应污染水体。

⑤开式地表水换热系统宜设可拆式板式热交换器作中间水-水热交换器，热交换器地表水侧宜设反冲洗装置。

⑥开式地表水换热系统宜设可拆式板式换热器。选用板式换热器时，设计接近温度（进换热器的地表水温度与出换热器的热泵侧循环水温之差）不应大于2℃。中间热交换器阻力宜为70～80kPa，不应大于100kPa。

⑦地表水水体环境保护要求较高或水质复杂，水体面积、水深与水温合适时，宜采用闭式地表水地源热泵空调系统。

⑧闭式地表水换热器的换热特性与规格应通过计算或试验确定。

⑨闭式地表水换热器选择计算时，夏季工况换热器的接近温度（换热器出水温度与水体温差值）为5%～10%，一般南方地区换热器夏季设计进水温度可取31～36℃，北方地区可取18～20℃。冬季工况换热器接近温度为2～6℃，一般南方地区换热器冬季设计进水温度可取4～8℃，北方地区可取0～3℃。

⑩当地表水换热系统有低于0℃的可能性时，应采用防冻措施，包括采用20%酒精溶液、20%乙烯乙二醇溶液，20%丙烯乙二醇溶液等作为换热器循环工质。

闭式地表水换热系统地表水换热器单元的阻力不应大于100kPa，各组换热器单元（组）的环路集管应采用同程布置形式。环路集管比摩阻不宜大于100～150Pa/m，流速不宜大于1.5m/s。系统供回水管比摩阻不宜大于200Pa/m，流速不大于3.0m/s。

地表水换热系统水下部分管道应采用化学稳定性好、耐腐蚀、比摩阻小、强度满足具体工程要求的非金属管材与管件，所选用管材应符合相关国家标准或行业标准。管材的公称压力与使用温度应满足工程要求。

地表水换热系统于室外裸露部分的管道及其他可能出现冻结部分的管道及其管件应有保温措施。室外部分管道宜采用直埋敷设方式，管道的直埋深度应符合有关技术规定，直埋部分的管道可以不保温。

（8）节能性及技术实用性分析

在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的冷热源是制冷空调考虑的一种形式。当然，这种地表水源热泵系统也受到自然条件的限制。由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时，热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。

①通常江水冬季水温比室外气温高，夏季水温比室外气温低，作为热泵冷热源，能获得比以空气作为冷热源的空调采暖机组更高的制冷制热系数，这样有利于减少一次能源的消耗，同时可以减小直接或间接由于燃料燃烧而产生的废气排放量。

②江水源热泵利用了江水水体中所储存的太阳能资源，是一种清洁的可再生能源。在夏季，热泵将室内余热释放给江水水体，随着江水的流动可将废热带出人类聚集的区域，可有效减小城市的热岛效应。

③由于水的比热比空气大得多，在冬季，水体中具有一定的太阳能蓄存能力，利用热泵将这部分热能提取出来，供给需要供热的房间，并且不存在空气源热泵冬季除霜的问题。

④江水水体温度波动范围小于空气，水温相对较为稳定，这使得热泵机组运行更稳定、可靠。尤其在容易出现高温的城市，如重庆、武汉、上海等地，机组运行稳定。相对空气源热泵，由于其水温波动很小，不会出现由于气温波动而使得机组性能系数下降很大的情况，节能潜力大。

⑤江水径流量变化在夏季通常与建筑负荷变化趋势具有一致性，建筑冷负荷高峰值出现时间正好在洪水季节，水量充足。而在冬季则相反，建筑热负荷高峰出现在枯水季节，因此，在水源水量分析上应考虑冬季的取水和水源的可靠性。

⑥江水通常具有河道的固定性，与空气源相比，存在建筑位置要适应江水河道位置的问题。一般仅适合距离江边较近的建筑或者将热泵系统建在江边，以较少水源输送能耗。

我国地热资源丰富，许多地区蕴藏着大量温度稳定的地表水、浅层地下水和未加利用就排放的水，水源热泵机组具有重要的推广应用价值。

2.2.2.3　地埋管地源热泵系统

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，热泵是利用逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方的一种技术，通常都是用来作为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内部，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内部，只是冬夏两季工作的温度范围不同而已。

（1）地埋管地源热泵技术现状

地埋管地源热泵系统是利用浅层地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统，又称之为“闭路地源热泵”、“土壤源耦合式热泵系统”。其通过循环液（水或防冻液）在封闭地下管路中的流动，实现系统与岩土之间的热交换。冬季地埋管换热器从岩土中取出热量，经热泵将土壤中的低品位热量提高品位后对建筑物供暖；夏季经热泵将建筑中的热量转移到中间介质中，然后再由地埋换热器传递给岩土，实现对建筑供冷，同时在岩土中蓄存热量以供冬季使用。

地源热泵系统具有如下特点。

①地源热泵系统区别于空气源热泵系统及冷却塔式水冷式机组的主要特点是热泵机组的低温热源是浅层土壤。一般来说，地下10～20m以下的土壤温度基本是常年稳定，恒温地层土壤温度与当地年平均气温相当。且土壤具有很好的蓄热特性，可以实现夏热冬用，冬冷夏用，即可实现冷热量的延季使用。因此，可为热泵机组提供一个较好的冷热源，系统运行稳定。

②地源热泵系统将室内不需要的冷热量通过机房内的水泵输送并释放到地下土壤中，不需要冷却塔及室外空气换热设备，因此，可有效减少空调系统对室外环境的热、声污染，并有效缓解大中城市的“热岛效应”，系统节能减排优势明显。此外，地埋管地源热泵空调系统在我国寒冷地区及夏热冬冷地区较为适宜，应用广泛。

③由于土壤能提供较好的冷热源温度，因此，系统运行高效，经济性优势明显。空气源热泵机组在供热工况下会出现频繁的除霜工况，使机组效能降低28%左右。而土壤源热泵则不存在这类问题，而且相比于空气源热泵，全年可节能38%左右。

④由于地埋管换热器比空气源热泵室外机及冷却塔的施工安装费用高很多，仅地埋管换热器的投资费用就占到空调系统总投资的20%～30%，从而导致地源热泵空调系统的初投资比传统空调高。

⑤地埋管换热器长期连续运行时，由于土壤的热导率较小，埋管周围的土壤温度会发生变化，从而使得热泵机组的冷凝温度或蒸发温度随土壤温度的变化而发生波动，使热泵性能降低。

地埋管地源热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地埋管换热器。根据地埋管换热器结构形式的不同，可分为水平埋管、竖直埋管和螺旋埋管（图2-12）。目前应用较为广泛的是竖直管地源热泵空调系统。

水平埋管一般用在土壤面积充裕的场合。将管埋于地沟内，埋深1.2～3.0m。每沟内埋设1～6根管子。管沟的长度主要取决于岩土条件和管沟内敷设管道数，一般按8.7～34.6m/kW确定。最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。

竖直埋管适用于土地面积受限制的场合。竖直埋管深度宜大于20m，通常为40～200m，钻孔孔径不宜小于0.11m，间距宜为3～6m。管长可按17.4～52.2m/kW来确定，具体值取决于现场岩土换热能力。竖直地埋管有3种基本类型：U形管式、分置式和同心管式。

螺旋地埋管是指螺旋管埋入水平管沟内或狭窄的竖直沟壕内。环路所需的管长为43.3～86.6m/kW。

此外，由于地源热泵系统需要土壤全年的吸、释热平衡，因此，在系统负荷失衡的条件下单纯的地埋管换热器不能满足此条件时，可采用其他辅助措施与地埋管换热器组合成复合系统，以保证系统的长期稳定运行。

由于竖埋管的地埋管换热器占用的土地面积小，因此更适合地少人多的情况，得到了较广泛的应用。

（2）系统工作原理及设计计算方法

①系统工作原理　土壤源热泵系统是利用土壤作为热源或热汇，它是由一组埋于地下的高强度塑料管（地热换热器）与热泵机组构成，我们称之为闭式环路，也称闭环地源热泵（以下简称地源热泵）。在夏季，水或防冻剂溶液通过管路进行循环，将室内热量释放给地下岩土层；冬季循环介质将岩土层的热量提取出来释放给室内空气。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，效率大大提高，且又不受地下水资源的限制，它在欧、美等地得到了广泛的应用。

地源热泵的工作原理见图2-13。系统主要由三个环路组成，第一个环路为制冷剂环路，这个环路与普通的制冷循环的原理相同。第二个环路为室内空气或水环路。第三个环路为地下换热器环路。另外还有一个可供选择的生活热水环路。这些环路根据制冷剂运行方向的不同，形成了制冷和制热两大循环。在夏季，制冷剂环路将建筑物热负荷以及压缩机、水泵等耗功量转化的热量通过地热换热器释放到地下土壤中，与地热换热器相连的制冷剂换热器为冷凝器，地热换热器起冷却塔的作用。

冬季地下环路中低温的水或防冻剂溶液吸收了土壤中的热量，然后通过制冷剂系统将从地下吸收的热量以及压缩机和水泵等耗功量转化的热量释放给室内空气或热水系统，达到加热室内空气的目的。冬季与地热换热器相连的制冷剂换热器为蒸发器，与室内侧环路相连的制冷剂换热器为冷凝器。

夏季，地热换热器将建筑物内太阳辐射、人员、照明等产生的热量传递到土壤当中，冬季地热换热器从土壤中吸热传递给空调房间，大地起蓄热器的作用，因此空调系统所用的能量为可再生能量，地源热泵技术是利用可持续发展能源的新技术，具有明显的节能和环保意义。

②设计计算方法　地源热泵系统必须保证在运行期内，循环水温度在规定的范围内，土壤温度波动在适当范围内，从而确保热泵运行效果。所以，在空调峰值负荷计算的基础上，必须考虑系统全年运行工况下逐时负荷的变化情况，利用能耗分析软件计算全年逐时负荷，通过后续设计尽量保证土壤全年吸、释热量平衡。

土壤源地源热泵空调系统设计主要包括以下部分。

a.岩土热物性试验。岩土热物理性质参数是指导土壤源热泵系统设计和应用的关键参数，直接影响地热利用的效率和投资成本，是土壤源热泵系统设计和应用的前提，关系到系统的整体性能。因此，对应用地埋管地源热泵系统的项目，要进行前期岩土热响应测试。土壤的热物理性质主要反映在3个参数上：土壤的初始温度、土壤的热导率、土壤的比热容。

b.热埋管换热器的设计。地埋管换热器的设计是土壤源热泵空调系统的关键。根据前期算得的地埋管换热器最大换热量及土壤换热能力确定埋管长度。

供热工况下最大吸热量计算如下：

最大吸热量=∑+∑输送过程失热量-∑水泵释放热量

供冷工况下最大释热量计算如下：

最大释热量=∑+∑输送过程失热量-∑水泵释放热量

式中，COP为热泵机组的供热性能系数；EER为热泵机组的制冷性能系数。

最大吸热量和最大释热量相差不大的工程，应分别计算供热与供冷工况下地埋换热器的长度，取其大者，确定地埋管换热器；当两者相差较大时，宜通过技术经济比较，采用辅助散热或辅助供热的方式来解决，一方面经济性较好，另一方面也可避免因吸热与释热不平衡引起的岩土体温度的降低或升高。对于竖直埋管间距的选取，应满足换热需求，一般为3～6m。

c.在地埋管换热器的具体参数初步确定后，应对地源热泵系统的可行性及经济性进行评估。一般利用软件（如TRNSYS）对系统建筑负荷、岩土体温度变化进行全年动态模拟，最小计算周期宜为一年。根据结果对系统及地埋管换热器作进一步的优化。

（3）地埋管地源热泵系统设计原则

①当有合适的浅层地热能资源且经过技术比较可以利用时，应优先采用地埋管地源热泵系统。

②在现场工程勘察结果的基础上，综合现场可用地表面积、岩土类型和热物性参数以及钻孔费用等因素，确定地埋管换热器采用水平埋管还是竖直埋管方式。

③地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期不得小于1年，在此计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。

④最大释热量和最大吸热量相差不大的工程，应分别按供冷与供热工况进行地埋管换热器长度计算，并取其较大者确定地埋管换热器的长度；当两者相差较大时，宜进行技术经济比较，通过增加辅助热源或增加冷却塔辅助散热的措施来解决。

⑤最大释热量和最大吸热量相差不大的工程，还可通过水源热泵机组间歇运行来调节；也可以采用热回收机组，降低供冷季节的释热量，增大供暖季节的吸热量。

⑥地埋管换热器宜以机房为中心或靠近机房设置，其埋管敷设位置应远离水井、水渠及室外排水设置。

⑦地埋管水源热泵机组性能应符合现行国家标准《水（地）源热泵机组》（GB/T 19409—2013）的相关规定，且应满足地埋管地源热泵系统运行参数的要求。

（4）地埋管地源热泵系统设计要点

①地埋管换热系统工程勘察应包括以下内容：岩土层的结构及分布、岩土体的热物性参数、岩土体的温度分布；地下水温度、静水位、径流方向、流速、水质及分布；冻土层厚度。

②地埋管地源热泵系统通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换，在地下10m以下的土壤温度基本上不随外界环境和季节变化而变化。且约高于当年年平均气温2℃。表2-13列出了我国主要城市的年平均气温。

③地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料的热物性参数、测试井的吸放热特性参数，采用专用软件进行。垂直地埋管换热器的设计可按《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2009）进行。

④地埋管换热器计算时，环路集管不应包括在地埋管换热器长度内。

⑤水平地埋管换热器可不设坡度敷设。最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。单层管最佳埋设深度为1.2～2.0m，双层管为1.6～2.4m。

（5）地源热泵空调系统的适用性分析

我国幅员辽阔，各地气候条件、地质条件及能源条件有所差异，从而导致土壤源热泵系统的效能出现不同。因此需要研究土壤源热泵在哪些气候区更适宜以及在不同气候区如何使用才能达到更优效果。

《地源热泵技术手册》分别在严寒A区、严寒B区、寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区选取典型城市齐齐哈尔、沈阳、北京、上海和广州，分析办公建筑和居住建筑在不同气候区采用土壤源热泵或土壤源与其他冷热源相结合的复合式系统的适宜性情况。首先从岩土体资源条件、节能效益、经济效益和环境效益四个方面综合建立了热源热泵适宜性评价指标。并对单一式和复合式系统分别建立了可做统一评价标准的体系。表2-14是办公建筑经济性和环境性评价对比时所选取的常规空调。

对于严寒A区，采用单一式土壤源热泵系统对建筑进行供冷制冷是不适宜的。对于夏热冬暖地区，该区建筑的供冷需求远大于供热需求，且土壤初始温度较高，采用土壤源热泵系统对建筑进行单一供冷是不适宜的，可考虑添加供应生活热水的功能。对于严寒B区、寒冷地区和夏热冬冷地区的评价计算结果如表2-15所列。

对于办公建筑，严寒B区采用地埋管+燃气锅炉的复合式系统，寒冷地区不需要其他能源形式，夏热冬冷地区采用地埋管+冷却塔的复合式系统。优化后的复合式系统的适宜性评价指标结果如表2-16所示。

采用层次分析法对办公建筑及居住建筑在不同气候区采用土壤源热泵系统的适宜性进行评价。根据我国土壤热泵应用现状及发展趋势，确定了土壤源热泵分区级别和综合数值的划分标准，如表2-17所示。

对于办公建筑采用单一式土壤源热泵系统，寒冷地区为适宜区，严寒B区为较适宜区，夏热冬冷地区为一般适宜区，严寒A区和夏热冬暖地区为不适宜区。对于办公建筑采用土壤源与其他冷热源结合的复合式系统，寒冷地区为适宜区，严寒B区与夏热冬冷地区为较适宜区，严寒A区为一般适宜区，夏热冬暖地区为不适宜区。

对于居住建筑采用复合式土壤源热泵系统，寒冷地区为适宜区，夏热冬冷地区为较适宜区，严寒A区、严寒B区和夏热冬暖地区为不适地区。

2.2.3　分布式能源系统

自从能源危机发生以来，全世界的科学家们一直都在关注未来的能源问题。实现能源、环境和经济的协调发展已成为人们所共同追求的目标。在我国，加快能源建设和保障能源供给一直是经济建设与发展的重要目标之一，在我们实现中华民族伟大复兴的进程中，保障充足的能源供应对经济的持续发展将起到十分重要的作用。纵观世界能源建设发展的动向，我们不得不认真思考我国未来能源发展的走向和策略。

最近，分布式供能技术（distributed power generation technology）的发展引起了国内外能源动力界的广泛关注。发达国家（如美国）在进行能源结构调整进程中，在已建中央电站和电网的基础上，将发展分布式供能技术放到了一个十分重要的位置。随着经济的发展和人们生活水平的提高，夏季和冬季的电力需求有着突飞猛进的增长，在大型电站建设周期长、投资高、环境污染严重的情况下，鼓励建设洁净、容量小、现场型热、电、冷联供装置，无疑是快速改变这种局面的最有力措施。

2.2.3.1　技术原理及系统设计

（1）分布式功能技术

分布式技术目前存在三种不同的概念，即分布式供能（distributed generation，DG）、分布式电力（distributed power，DP） 和分布式能源资源（distributed energy resources，DER）。

①分布式供能（DG）　目前对于分布式供能技术还没有统一的定义，但一般是指现场型、靠近负荷源、 在电力公司电网外独立进行电力生产和热电联产的小型供能技术。 其技术类型包括有内燃机、燃料电池、燃气轮机和微型燃气轮机、水电和小水电、光伏发电、风能、太阳能以及以垃圾/生物质为燃料资源的能量利用装置。

②分布式电力（DP）　它是位于用户附近、模块化的发电和能量储存技术。包括生物质能为基础的发电装置、燃气轮机、聚焦式太阳能发电站，以及光伏发电系统、燃料电池、风力发电机，微型燃气轮机、发动机发电机组、储存和控制技术。它可以是联网运行或独立运行。与大型、集中式发电站相比，分布式发电系统的容量范围可以从低于1kW到数十兆瓦。可以用作为备用电站、电力调峰、边远地区/独立电站以及热电联产电站。

③分布式能源资源（DER）　它和常规的中央式能源资源是有区别的，它是从提高能源利用效率和降低排放的角度，通过发展用户侧分布式供能和分布式电力， 来实现地区性电力的良好控制和余热资源的更好利用。技术内容包括 DG、DP 涉及的技术和需求侧管理技术。是由用户、能源服务机构或电力输送公司在负荷附近从调整整个电网经济性的角度所建造的电力或热电联产装置。

从某种意义上讲，DER、DP、DG的目的是基本相同的，但技术包容的范围存在区别，三者之间是属于逐级包容的关系。其中，DG是属于最小的范畴。从美国能源部能源效率和可替代能源办公室网站资料来看，分布式能源资源（DER）是指各种小型、模块化的发电技术，不管这些技术是否和电网相连接，它都可以和能源管理和储存系统相结合，用于改善输电系统的运行。DER系统的容量范围可以从几千瓦到50MW。而DG则定义为集成或单独使用的、靠近用户的小型、模块化发电设备。它完全不同于现有传统的中央发电站和输电模式，它可以位于终端用户附近，建设在工业园区、大楼内、社区里。在输电网下游的DG可为用户和电力输配系统提供利益。在建设集中电站不适宜的地区，DG的小容量和模块化潜在地提供着广泛的用户和现场型电力。因此，分布式供能技术是以一些小型发电设备的技术进步为依托，以靠近用户侧建立小型电站为主，并结合热电（冷）联产等应用拓展为前提的整体供能系统的总称。分布式供能系统是采用模块化设计的发电设备或热电（冷）联产设备。

（2）技术原理

①分布式供能技术按燃料类型的分类

a.利用常规矿物燃料技术。包括燃柴油或天然气的往复式发动机和工业燃气轮发动机，这两种均是已经商业化的技术。未来的任务是如何降低成本和减少污染排放，实现热电联产，提高能源利用率。

b.利用新型矿物燃料技术。主要是微型燃气轮机和燃料电池。这两者目前仍处于研发阶段，一些研究产品目前也投入了商业试运行。随着技术进步，预计其将成为未来能源市场最为活跃的部分。

c.利用可再生能源技术。主要是光伏电池、太阳能发电、风力发电机、小水力发电，以及以生物质为燃料的小型热电联产装置。

②分布式热电联供系统类型概况　在分布式供能技术中，能实现热电联产来提高能源利用率的技术类型主要有：往复式发动机发电为主体的热电联产系统（图2-14），微型燃气轮机热电联产系统（图2-15），燃料电池热电联产系统（图2-16）。

③分布式供能技术的主要技术参数　表2-18列举了上述动力设备的主要技术参数以及投资和运行维护费用等信息。

①天然气燃料。

④分布式热电联供能术的优点　分布式热电联供系统之所以受到广泛的关注，其主要优点在于：

a.实现热电联产，可以通过进行余热回收实现蒸汽或热水供应，或使用吸收式制冷机组提供空调或工艺性用冷，可以将能源效率提高到 90%；

b.能源生产设备靠近用户，生产的热量、冷量和电量可直接使用，改进了供能的质量和可靠性，减少了输配电设备的投资和电网的输送损失；

c.装置容量小、占地面积小、初期投资少。 用户可以直接投资建设小型的分布式联产电站。

（3）系统设计

冷热电联供系统设计需要考虑冷、热、电三种负荷，需要考虑不同设备的热力匹配，需要考虑系统运行的节能性、经济性和环保性。因此，系统的设计是一个复杂的过程，需要遵循一定的思路。

首先，冷热电联供系统的设计需要建立在一个特定的负荷需求上。对于楼宇供能系统改造，负荷可以以历史数据为依据；对于新建楼宇，需要对负荷进行模拟分析和预测，常用的软件有DeST、TRANSYS、EnergyPlus等。比较准确的设计方式应该是基于全年逐时的负荷预测，或者基于全年各类型典型天气的逐时冷负荷预测。

然后，冷热电联供系统的设计需要明确系统的运行模式。对于同样的负荷条件，分布式供能系统可以作为辅助系统，也可以作为主要供能系统；对于同样的系统结构，在参数方面可以依循电力负荷需求来设计，可以依据热力负荷需求来设计，也可以综合权衡各类负荷后进行优化设计。对于低集成的简单系统，往往采用恒定输出模式，用以满足基本的用能需求。关于系统模式，在此主要列举以下几种。

①以热定电模式　以热定电模式是指，系统的设计和运行以热（冷）负荷为依据进行。这种模式被广泛地应用在大型热电厂的热电联产当中。在建筑冷热电联供系统中，由于冷、热、电三种负荷难以独立调节，而电力供应可以自由地由公用电网补充，故往往也采用以热定电进行设计。原动机和供热设备的选型首先考虑热（冷）负荷，而电力负荷则由电网进行实时调节。

②以电定热模式　以电定热模式是指，系统的设计和运行以电力负荷为依据进行。此时往往是电力供应处于关键地位。在原动机设计选型时，首先需要考虑电力供应，然后分析相应的热力输出，最后采用其他设备，如锅炉、热泵等对热（冷）输出进行实时调节。

③冷热电优化模式　冷热电优化模式是指，系统的设计和运行不以单一负荷作为限制，而是综合考虑冷、热和电供应所能带来的效益。这种情况往往是在原动机的基础上考虑了其他能量来源，或者配置了其他辅助的能量转换设备，使同一种能量供应可能源自多个设备，此时各设备的匹配容量为未知量，以设备间能量转换和能量供应的守恒方程为主要结束条件，以节能性、经济性或者环境性指标为优化设计目标，通过相应算法求解出最优设计尺寸。

④恒定输出模式　恒定输出模式是冷、热、电联供系统推广和示范中较常见的模式。系统的设计选型只立足于满足用户的一部分较为恒定的能量要求，因而避免了实时的调节，最大限度地简化系统的设计和运行。这种设计模式往往是因为用户负荷全年较为稳定。原动机和辅助设备的选型和设计主要基于经济性和节能性进行优化分析，选择最优设计方案。

最后，当用户负荷确定、供能系统功能定位确定后，就是设备选型。目前多数学者的设备选型研究都是基于优化分析进行的。基于特定的用户需求和系统运行模式，选择优化分析的目标函数，比如以经济性、节能性或者环保性为目标函数。目标函数可以设定为单目标函数，可以为多目标函数，或者为多目标函数加权后的统一目标函数。通过求解目标函数的最优解来寻找系统各设备的最优配置参数，但不一定能完全找到与参数刚好吻合的实际产品；也有的是从设备角度，首先给出各类可供选择的设备的参数和性能，然后从中选择最优匹配，但不一定能达到系统理论上的最优性能。

2.2.3.2　燃气冷热电联供分布式能源系统

（1）一般规定

①燃气冷热电联供分布式能源系统适用于有天然气、煤气等燃气供应的城市、地区。可供这些地区内有冷、热、电需求的厂矿企业、商场、超市、宾馆、车站、机场、医院、体育场、展馆、写字楼、学校等建筑群或独立建筑物使用。

②各类建筑或建筑群设置燃气冷热电联供分布式能源系统，应符合下列要求。

a.燃气冷热电联供能源站，应建造在主体建筑邻近处或大楼内，以减少电气线路损耗和供热（冷）管线的热（冷）损失。

b.一次能源梯级利用，能源利用综合效率大于80%。

c.应做到环境友好，降低污染物排放量。

d.适用于中小规模的分布式能源供应系统，发电能力宜大于25MW。

e.燃气冷热电能源站，宜设置在用户主体建筑或附属建筑内，并按其规模、燃气发电装置类型可设在地上首层或地下层或屋顶。站房应设在建筑物外侧的房间内，并应遵循现行国家标准《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）等相关规定。

③为确保燃气冷热电联供分布式能源系统的节能效益、社会经济效益，宜采用燃气冷热电联供能源站供应范围内“自发自用，不售电”的原则。

（2）燃气冷热电联供分布式能源系统设计要点

①燃气冷热电联供分布式能源系统的设计，应符合现行国家标准、规范的规定。

②燃气冷热电分布式能源系统的燃气供应系统，应符合现行国家标准《城镇燃气设计规范》（GB 50028—2006）的规定。燃气供应压力应根据项目所在地区的供气条件和燃气发电装置的需求确定。若需增压的燃气供应系统，应设置燃气增压机和缓冲设施。

③根据目前国家的现行政策，燃气冷热电联供分布式能源系统生产的电力与城市电网并网，但不售电。冷热电联供系统能源站应向供冷、供热服务区域供电，优化区域能源配置，提高能源综合利用效率。

④在燃煤热电厂的供热范围内，若有燃气供应时，可以建设燃气冷热电联供分布式能源系统，但应进行认真的节能和经济效益分析后确定。

⑤燃气冷热电联供分布式能源系统，应符合下列节能指标要求。

a.全系统年平均能源综合利用率大于70%。

b.采用内燃机时，全系统年节能率应大于30%；采用燃气轮机时，全系统年节能率应大于20%。燃气冷热电联供分布式能源系统的节能率是在产生相同冷量、热量和电量的情况下，联供相当于分供的一、二次能源节约率。

⑥燃气冷热电能源站的年运行时间直接影响投资回报、节能效益和经济效益，能源站内各台燃气发电装置的年运行时间宜大于4000h。

⑦在冷热电联供分布式能源系统能源站内，各台燃气发电装置的负荷率都大于80%。

2.2.4　免费供冷技术

2.2.4.1　冷却塔“免费供冷”技术

（1）冷却塔免费供冷的原理

图2-17是一个采用电动压缩式冷水机组的空调水系统，如果建筑（如大型电子计算机房，电子厂房，有大面积内区的商业、办公、酒店等）在冬季有稳定的内部发热量，需要供冷，这时只要室外气温足够低（室外空气湿球温度也较低），系统配置的冷却塔便可以提供温度足够低的冷水，直接作为冷源来消除余热量。图2-17所示系统通过关闭制冷机，切换至板式换热器的方法，可以实现冷却塔供冷。由于冷水机组的耗电量在空调系统中占有极高的比例，利用冷却塔供冷节省了大量的电费，所以常常被称为“免费供冷”。

（2）冷却塔供冷系统设计方法

冷却塔供冷工程设计的一般程序为：先计算内区冷负荷（ 主要是照明、人员、电脑服务器等设备发热引起的冷负荷），对内外区分别设置空调系统，然后按冬季冷却塔的热工曲线确定关闭冷水机组的工况转换点：包括对应的室外湿球温度值及此时冷却水的供水温度、合理运行温差，空调系统的供水温度、运行温差， 并选择免费供冷板式换热器或直接选用闭式冷却塔，再选择冷却水泵及空调水泵。

冷却塔免费供冷的系统设置形式及经济性如下。

①冷却塔免费供冷系统按冷却水是否直接送入空调末端设备可划分为两大类：间接供冷系统及直接供冷系统（必须采用闭式冷却塔）。从某合资品牌冷却塔厂家了解到，一般开式冷却塔的价格约500元/（t/h）（冷却水流量），而闭式冷却塔的价格约2000元/（t/h）以上，即闭式冷却塔价格是开式冷却塔的4倍左右，设计实例中过渡季工况冷负荷为262kW，夏季设计工况冷负荷为570kW，而选用的闭式冷却塔（夏季用于冷水机组冷却，过渡季用于直接供冷）价格为28万元，基本相当于同样制冷量冷水机组价格的1.5倍。再看闭式冷却塔的投资回收期问题，在计算冷水机组节电量时，采用了将主机功率142kW乘以0.8再乘以105d（过渡季湿球温度连续5h低于12℃的时间）的方法，而其过渡季工况冷负荷为262kW，在此工况下，主机COP值只有262kW/（142kW×0.8）=2.3，显然对水冷机组来说不可能这样低。按《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）中4.2.10的规定，相应容量的水冷机组COP应不小于4.3，考虑过渡季冷却水温低于32℃，其COP应大于4.3。如果按过渡季水冷机组部分负荷下COP为4.4，室外温度低于12℃的时间内平均冷负荷为262kW的0.8倍计算，投资回收期就大于5年。从投资角度考虑，在舒适性空调工程设计中，采用冷水机组加闭式冷却塔的组合可能性基本不存在，节能应同时考虑经济性，在没有实际工程证明闭式冷却塔直接供冷的投资回收期合理的情况下，舒适性空调工程中的冷却塔供冷形式应采取开式冷却塔（采用冷水机组已配的冷却塔）加板式换热器的方式（按上例，相同冷量对应的开式冷却塔加板式换热器的初投资不会超过闭式冷却塔价格的一半）。

②间接供冷系统中换热器的经济性分析。与其他换热器相比，板式换热器具有换热效率高、结构紧凑等特点。其投资回收期简单分析如下，某合资品牌的板式换热器价格约为1200元/m2，冷热水侧温差按1℃计算，传热系数按6000W/（m2·℃），可换算得出每千瓦换热量（即冬季供冷量）需增加的设备初投资约200元，另外板式换热器所接管道阀门及自控等以设备投资的50%估算，这样系统增加的初投资约为300元/kW。如果冷水机组部分负荷的COP=4.8，则每千瓦供冷量所耗电量为0.21kW。设电价为0.7元/（kW·h），每千瓦供冷量的初投资回收时间约为T，则每千瓦换热量增加的初投资（板式换热器及接管道阀门等）=所节省的冷水机组耗电量×电价×初投资回收时间，即300=0.21×0.7T，计算可得T=2041h。

（3）冷却塔供冷运行工程情况和系统设计应避免的问题

①开式冷却塔加板式换热器的免费供冷冷却水系统的水处理问题　由于开式冷却塔直接与空气接触，空气中的灰尘垃圾容易进入冷却水系统中，而板式换热器的间隙较小，容易堵塞。冷却水系统必须满足《工业循环冷却水处理设计规范》要求，该规范规定换热设备为板式换热器时的相应悬浮物控制指标≤10mg/L。这样就必须采用化学加药、定期监测管理、在夏季及时清洗板式换热器的方式才能避免板式换热器堵塞问题。在目前使用开式冷却塔加板式换热器的冷却水免费供冷系统项目中均发现，因板式热换器未得到维护清洗而使换热量有逐年下降的趋势。

②开式冷却塔加板式换热器免费供冷时的冷却水系统对其他水冷整体式空气调节器等设备的影响　在规模较大的公共建筑中常常有一些租户的电脑机房需用水冷整体式空气调节器进行冷却（因建筑外立面等原因无法采用风冷式空调机），如果考虑系统设置简单，设计人员会将此类设备并入大楼冷水机组的冷却水系统中，使用同一组冷却塔。按照实际工程的使用情况，免费供冷时的冷却水温度会与其他水冷设备的冷却水温度相矛盾，按照《采暖通风与空气调节设计规范》第9.10.3条规定：空气调节用冷水机组和水冷整体式空气调节器的冷却水温……电动压缩式冷水机组不宜低于15.5℃。而免费供冷工况时冷却水的温度在10～13℃以下，所以冷却塔免费供冷的冷却水系统一定不能用于常年使用、有恒定水温要求的水冷设备。

2.2.4.2　离心式冷水机组“免费供冷”

“免费供冷”是巧妙利用外界环境温度，在不启动压缩机的情况下进行供冷的一种方式。适用于秋冬仍需要的供冷的项目，并且冷却水温度低于冷冻水温度。“免费供冷”离心式冷水机组可提供45%的名义制冷量，因无需启动压缩机，故机组能耗接近零，性能系数COP接近无穷大。若室外湿球温度超过10℃时，则返回到常规制冷模式。

（1）离心式冷水机组“免费供冷”原理

根据制冷剂会流向系统最冷部分的原理，若流过冷却塔的冷却水水温低于冷水水温，则制冷剂在蒸发器中的压强高于其在冷凝器中的压强。此压差导致已蒸发的制冷剂从蒸发器流向冷凝器中，被冷却的液态制冷剂靠重力从冷凝器流向蒸发器，从而完成“免费供冷”的循环。蒸发器与冷凝器的温差决定制冷剂流量，温差越大，则制冷剂流量越大。“免费供冷”一般需有2.2～6.7℃温差，并相应提供10%～45%的名义制冷量，但其冷水水温无法控制，基本上由冷却水温度和空调系统冷负荷决定。

（2）“免费供冷”冷水机组的结构特点

“免费供冷”冷水机组的结构与常规机组基本相同，其水系统管路与常规系统相同，其新增部件如表2-19所示。用户既可直接订购“免费供冷”冷水机组，也可在现场改造常规机组，实现“免费供冷”。

（3）“免费供冷”冷水机组的应用

“免费供冷”冷水机组的适用场合：“免费供冷”冷水机组与“常规机组+板式热交换器”方案相比，有换热效率高、系统简单、维护方便、机房空间小的优点。适用于冷却水温度低于冷冻水出水温度的秋冬季节仍需要供冷的场合，如宾馆和办公楼的内区在秋冬季需供冷；商场、大型超市在秋冬季需局部供冷；工业生产过程中需四季供冷等。

使用“免费供冷”冷水机组的注意事项：“免费供冷”不能与热回收同时使用，因为提供热回收热量的冷水机组同时正在机械制冷，而“免费供冷”时压缩机不运转；“免费供冷”技术不适用于湿度控制要求高的空调系统，因为其提供的冷水温度稍高。“免费制冷”可避免户外冷却水结冰，不仅提高了冷却水水温，而且保持冷却水流动。但建议用户采用一些防冻措施，如户外冷却水水管保温、冷却塔塔底部增加电加热器、低温时段开水泵等。