（制冷及低温工程专业论文）空调冷热源的选择与评估.pdf

摘要 摘要 近年来，随着改革开放的深入，上海的经济发展和城市建设突飞猛进，越 来越多的民用建筑配置了集中空调系统，数量逐年增加。而空调冷热源的能耗 及使用成本占整个集中空调系统的6 0 - - 7 0 ，不同冷热源方案的差别也很大，随 之带来的日趋严重的能耗和环境问题一直是业内人士关注的焦点。所以空调冷 热源方案的选择和评估已经成为空调系统设计过程中的一个重要环节，同时也 是设计工作者和业主经常碰到的问题。 本文介绍和分析了目前常用的各种空调冷热源设备的优缺点、适用条件及 调节特性的基础上，提供了常用的空调冷热源方案的组合，分析了上海市的空 调冷热源现状，针对上海市提出了现阶段的常用冷热源方案，并介绍了空调冷 热源的影响因素及一些选择方法。接来下以上海市某五星级酒店为例，首先借 助软件进行了空调负荷的计算分析，根据对目前冷热源配置状况的调查以及空 调负荷的特点，在排除了明显不满足条件的方案之后，提出了五种代表性的冷 热源组合方案。结合上海市目前的能源结构、环境状况，对各方案的全年能耗、 初投资、年运行费用、污染排放量等多个技术经济指标进行了计算比较，并且 进行了一次能源利用率分析、经济性评价，论述了能耗及制冷剂对环境的影响。 在综合决策上，采用了模糊综合评价法对各个方案进行综合评价，并对权 重取值和指标设置进行了改进，从而得出结论：评估时须全面衡量，具体问题 具体分析，尽可能减少盲目性和主观性；常规电制冷冷水机组仍处于优势地位； 在缺水、干燥或机房面积紧张的地区，如果满足一定的室外气象条件，可考虑 使用空气源热泵；直燃机较为环保，但是节电不节能，在一定的条件下可稳步 发展；对电热锅炉应该慎重发展，推荐燃油、燃气锅炉。 最后，关于空调冷热源的发展方向以及今后进一步的工作进行了简要的讨 论。 关键词：空调冷热源，能耗，经济性，选择，评价 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er e i n f o r c e m e n to fr e f o r ma n do p e np o l i c y , e c o n o m yd e v e l o p m e n ta n d c i t yc o n s t r u c t i o n o fs h a n g h a ia d v a n c e sb yl e a p sa n db o u n d s ，c o n c e n t r a t e d a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sa r em o r ea n dm o r ef r e q u e n t l yu s e di n t h eb u i l d i n gf o rc i v i lu s e a n di t sa m o u n ti n c r e a s e sy e a ra f t e ry e a r t h ec o o l i n ga n dh e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n a n du s ec o s to c c u p y6 0 7 0 i na l lt h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，d i f f e r e n ts c h e m e sa r e w i d e l yd i f f e r e n t i tb r i n g sm o r ea n dm o r es e r i o u se n e r g ya n de n v i r o n m e n t i s s u e st h a t h a v ea r o u s e dt h es t r o n ga t t e n t i o no ft h ee x p e r t si nh v a ci n d u s t r y s ot h es c h e m e s e l e c t i o nm e t h o df o rt h ea i rc o n d i t i o n i n gc o o l i n ga n dh e a t i n gs o u r c e si sa ni m p o r t a n t d e c i s i o n m a k i n gs t a g ed u r i n gt h ed e s i g no ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，i ti s a l s oa n u s u a lp r o b l e mf a c e db yd e s i g n e r sa n do w n e r s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ev a r i o u sa i rc o n d i t i o n i n gh e a t i n ga n dc o o l i n gs o u r c e e q u i p m e n t ，t h er o u t i n es c h e m e sa r ep r e s e n t e db yw e i g h i n ge q u i p m e n t s a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s r e a lc o n d i t i o na n dt h ea c c o m m o d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c r o u t i n e s c h e m e su s e di ns h a n g h a ia r ee s p e c i a l l yp r e s e n t e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h es t a t u so f s h a n g h a i ，a tt h es a m et i m e ，s e l e c t i o nm e t h o d sa n di n f l u e n c e s o fa i rc o n d i t i o n i n g h e a t i n ga n dc o o l i n gs o u r c ea r ei n t r o d u c e d t h ea r t i c l ec a l c u l a t e st h ea i rc o n d i t i o n i n g l o a do faf i v e s t a rh o t e l ，t h e na c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h el o a d ，f i v es c h e m e sa r ep r e s e n t e da f t e rw i p i n go u ti n a p p r o p r i a t eo n e s c o m b i n e d w i t he n e r g ys t r u c t u r ea n de n v i r o n m e n ts t a t u so fs h a n g h a i ，p l e n t yo fi n d e x e sa r e c a l c u l a t e ds u c ha se n e r g yc o n s u m p t i o n ，i n i t i a li n v e s t m e n t ，a n n u a lo p e r a t i n gc o s t ， i m p a c to ne n v i r o n m e n ta n ds oo n t h e ne v a l u a t i o n o np r i m a r ye n e r g yr a t i oa n d e c o n o m ya r em a d ea n dt h ei m p a c t o ne n v i r o n m e n tb yr e f r i g e r a n ta n de n e r g y c o n s u m p t i o ni sd i s c u s s e d f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dw h i c hi si m p r o v e do ns o m ei n d e x e s a n df a c t o r si su s e dt oe v a l u a t et h es c h e m e s ，t h ec o n c l u s i o n si sd r a w na sb e l o w ：t h e d e t a i lo ft h ep r o je c ts h o u l db ea n a l y z e da n dt h eb l i n d n e s sa n ds u b je c t i v i t ys h o u l db e r e d u c e da sm u c ha sp o s s i b l e ；c o n v e n t i o n a lw a t e rc h i l l e r sd r i v e nb ye l e c t r i c i t ya r es t i l l i i a b s t r a c t i na d v a n t a g e o u sp o s i t i o n ，a i rs o u r c eh e a tp u m pc a nb eag o o dc h o i c eo nc o n d i t i o nt h a t t h ea r e ai sl a c ko fl a n do rw a t e ra n do u t d o o rw e a t h e rp a r a m e t e ri ss a t i s f i e d ；t h o u g h d i r e c t f i r e da b s o r p t i o nc h i l l e rd r i v e nb yn a t u r a lg a sd ol e s sh a r mt oe n v i r o n m e n ta n d i tc a ns a v ee l e c t r i c i t y , i td on o ts a v ee n e r g y , i tc a nb ed e v e l o p e ds m o o t h l y ；e l e c t r i c b o i l e ri sn o tt ob er e c o m m e n d e d ，g a s - f i r e db o i l e ra n d o i lb u r n i n gb o i l e ri s r e c o m m e n d e d i nt h ef i n a l i t y ，t h ef u t u r eo ft h ea i rc o n d i t i o n i n gc o o l i n ga n dh e a t i n gs o u r c e sa n d t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：a i rc o n d i t i o n i n gc o o l i n g a n dh e a t i n gs o u r c e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ， e c o n o m i c ，s e l e c t i o n ，e v a l u a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月 日 奁 八， 、 沙阳渺明名，签外鬻 文1 论渺 譬 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第1 章引言 1 1 研究课题的提出 i 1 1 背景 第1 章引言 2 0 0 5 年2 月1 6 号，旨在遏制全球气候变暖的京都协议书正式生效。这 是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。为了人类免受气候变暖的 威胁，1 9 9 7 年1 2 月，在日本京都召开的联合国气候变化框架公约缔约方第 三次会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量及抑制全球变暖的京都协 议书。京都协议书规定，到2 0 1 0 年，所有发达国家二氧化碳等6 种温室气 体的排放量，要比1 9 9 0 年减少5 2 。中国也于1 9 9 8 年5 月签署了该协议【1 】o 在国民经济的各个方面中，能源工业和能源消耗是影响温室气体排放的主 要因素。能源消耗主要来自于工业、交通和民用等三个方面。因为许多工业过 程都要消耗电力；交通耗能的主要方面是汽车燃料；民用耗能主要是建筑耗能， 包括建筑设备系统的耗能和家用设备如炊具等的燃料消耗。不同类型的能源， 散发的温室气体是不同的。从宏观角度看，煤、石油、天然气、电力( 包括水 电、核电、风力发电等) 、可再生能源( 地热、太阳能、生物质能等) 是主要的 能源种类。在不影响工业生产和人民生活的前提下，要减少温室气体排放，提 高能源利用效率而减少能源消耗总量，以及改变能源种类在总能源消耗中的所 占比例，或者说调整能源结构，是两个重要的途径。 进入2 1 世纪，科技的迅猛发展带动了各行各业的腾飞，人们的生活水平得 到了极大的提高。对我国而言，在经济高速发展的同时，也使得在能源及环境 上的压力不断增大，特别是建筑耗能方面，随着人们对居住环境要求的提高， 即要求建筑有适宜的热环境、光环境、声环境和空气环境，空调能够很好地调 节室内的热环境和空气环境，得到了广泛的应用，但它带来了大量的能源消耗 和对环境的污染问题。由于能源危机的存在，对空调系统的要求在于更少的能 源浪费，因此建筑设计越来越追求高能效，其绝热效果越来越好，但建筑的通 透性却越来越差，同时大量的合成物质被用于建筑和装饰，这些均导致了室内 第1 章引言 空气污染物的积累，由此导致的空气质量问题也越来越突出，严重威胁着人们 的健康。建筑、环境与能源三者应该如何健康协调发展已成为急需解决的问题。 1 1 2 能源、环境与建筑能耗 1 我国的能源结构与现状 能源是一个国家的经济命脉，是人类赖以生存的物质基础。能源人均占有 量、能源构成、能源利用效率和对环境的影响等指标可以用来衡量一个国家的 能源利用情况。作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美 国和俄罗斯，居世界第3 位；基本能源消费占世界总消费量的1 0 4 ，仅次于美 国，居世界第2 位，可见我国已成为一个能源生产和消费大国。 表1 1 能源生产总量及构成【2 】 占能源生产总最的比重( ) 年份能源生产总量( 万吨标准煤) 原煤原油天然气水电 1 9 7 86 2 7 7 07 0 32 3 72 93 1 1 9 8 0 6 3 7 3 56 9 42 3 ，8 3 0 3 8 1 9 8 58 5 5 4 67 2 82 0 92 04 3 1 9 8 91 0 1 6 3 97 4 11 9 32 04 6 1 9 9 0 1 0 3 9 2 27 4 21 9 02 04 8 1 9 9 11 0 4 8 4 47 4 11 9 22 ，o4 7 1 9 9 21 0 7 2 5 67 4 31 8 92 04 8 1 9 9 31 1 1 0 5 97 4 0 1 8 72 05 3 1 9 9 41 1 8 7 2 97 4 61 7 6 1 ，95 9 1 9 9 51 2 9 0 3 47 5 31 6 61 96 2 1 9 9 61 3 2 6 1 6 7 5 21 7 02 05 8 1 9 9 71 3 2 4 1 07 4 11 7 32 1 6 5 1 9 9 8 1 2 4 2 5 0 7 1 91 8 52 57 1 1 9 9 91 0 9 1 2 66 8 _ 32 1 o3 1 7 6 2 0 0 01 0 6 9 8 86 6 62 1 83 ，4 8 ，2 2 0 0 l1 2 0 9 0 06 8 61 9 43 38 7 2 0 0 21 3 8 3 6 97 1 2 4 1 7 33 1 48 3 8 2 0 0 31 5 9 9 1 27 4 51 5 12 97 5 2 0 0 41 8 4 6 0 07 5 6 1 3 53 o7 9 注：电力折算标准煤的系数根据当年平均发电煤耗计算；2 0 0 4 年为估算数。 2 第1 章引言 图1 1 我国的能源构成图【2 】 从图1 1 和表1 1 中可以看出，我国的原煤的生产消费在总量中所占的比例 大约是7 0 ，石油大约是2 0 ，天然气大约是2 3 ，水电大约是6 5 。而上述 种类能源的世界平均水平分别是：2 6 7 ，4 1 o ，2 3 8 ，8 5 。也就是说，我 国的煤炭的生产及消费约是世界平均水平的2 6 倍，石油不足世界平均水平的 5 0 ，天然气更是不足世界平均水平的1 0 。一次电力略低于世界平均水平。通 过以上分析可以看出，优质能源在我国能源总量中所占的比例是非常低的。 同时我国能源地域分布不均，8 0 的能源分布在西部和北部，而经济比较发 达的东部沿海地区资源则相对匮乏，我国政府正努力采取一系列的措施来缓解 这一局势。西气东输工程已经完成，截至2 0 0 1 年底，国家储量批准的天然气探 明地质储量已达5 2 6 7 亿m 3 ，供气1 2 0 亿m 3 ，其中1 0 0 亿m 3 是供给上海地斟3 1 。 我国是世界第一人口大国，人口数量占世界总人口的2 0 ，这就导致了我国 人均资源占有量少，能源资源相对匮乏，即使是资源最丰富的煤炭，人均资源 占有量也只有世界平均水平的4 2 5 ，人均石油资源为世界平均值的1 7 1 ，人 均天然气资源为世界平均值的1 3 2 ，人均能源占有量还不到世界平均水平的一 半。目前我国年人均能源消耗是l o o o k g 标煤，而世界平均水平为2 0 0 0 - 3 0 0 0 k g ， 3 第1 章引言 英、法、德等发达国家是5 0 0 0 6 0 0 0 k g ，美国则高达1 1 0 0 0 k g 。有专家预测，在 2 0 3 0 2 0 5 0 年期间，我国年人均能源消耗可能达到目前世界的平均水平，届时能 源总消耗量也将高达4 0 亿t 标煤以上，消费和生产之间的缺口粗略估算可达到 消费总量的5 0 。从这个角度看，我国的能源资源严重短缺。 我们在利用能源的同时必须意识到，目前我国的能源利用水平较低，从表 1 2 中可以看出，我国单位产值的能耗比发达国家高出5 一1 0 倍，如果考虑到能 源开采效率3 2 ，再加上运输效率7 0 ，终端利用效率4 1 ，则总效率只有9 ， 即有9 1 的能源未得到利用。这说明我国能源节约的潜力是非常巨大的。 表1 21 9 9 8 年我国与有关国家单位产值能耗的比较州 国家 中国 日本美国英国法国 单位产值耗能，吨 2 2 6 0 1 60 4 90 3 l0 2 l 国家加拿大印度新加坡韩国 单位产值耗能，吨 0 5 1 0 9 40 8 00 4 4 2 我国的能源利用与环境污染 能源和环境的协调是人类社会发展的永远主题。长久以来人类在利用能源 时，忽略了对自然资源的保护与污染的防治，最终导致了自然界的日益频繁的 报复。能源消耗是影响全球环境的最重要的方面之一。在众多的环境指标中， 最重要的有生态环境、水环境和大气环境等。而在大气环境中，重要指标有c 0 2 、 s 0 2 、n o s 、t s p 以及对臭氧层的破坏等。其中c o z 排放造成的温室效应、氟利 昂( c f c s ) 排放造成的臭氧层破坏已经成为最重要的全球性的环境问题。c 0 2 排放主要有能源消耗产生，氟利昂( c f c s ) 排放与建筑能源消耗系统制冷 空调系统紧密相连，因此，空调冷热源方式的选择不仅与能源结构、能源消耗 密切相关，而且与氟利昂排放密切相关。 一次能源在利用过程中，产生大量的c o s 、s o s 、n o x 、c o 、烟尘、微量元 素以及多种芳烃化合物等污染物，对环境产生严重影响。我国巨大的能源消费 规模、以煤为主的能源消费结构引起的环境污染已不堪重负。1 9 9 9 年，全国排 放烟尘1 1 5 9 万t ，s 0 2 1 8 5 7 万t ，其中燃煤排放的分别占7 0 和8 5 以上。我国 的环境污染为典型的能源消费性污染。s 0 2 含量年平均值超过国家二级标准的城 市占统计城市的2 8 ，4 ，中国是世界上继北美和欧洲后的第三大酸雨污染区，目 前全国酸雨区面积约占国土总面积的3 0 。据专家估算，全国每年因酸雨造成 4 第1 章引言 的直接经济损失为当年g d p 的1 七，其潜在的损失有可能在3 以上。根据 2 0 0 0 年的中国环境状况公报，在我国3 3 8 个城市中，有3 6 5 的城市达到国家 空气质量二级标准，6 3 5 的城市超过国家空气质量二级标准，其中超过三级标 准的有1 1 2 个城市，占监测城市的3 3 1 。另外，据科学推算，目前大气中的 c 0 2 和c f c 对温室效应的影响，分别为7 0 和3 0 【7 】。在过去的1 0 0 年中，由 于温室气体的大量排放，全球的平均地面温度上升了0 。3 - 0 6 c 【5 】。 图1 21 9 9 6 年各国c 0 2 排放量份额嘲 我国是世界上最大的c 0 2 排放国之一，如图1 2 所示，我国目前的人均c 0 2 的排放量为美国的l 8 ，但若按现能源消费状况计算，预计到2 0 1 5 年我国的温 室气体和c 0 2 的排放总量将能够超过美国，成为世界第一的排放大国，预计到 2 0 2 0 年人均排放量便会超过世界人均水平，我国所面临的环境压力将日益突出。 3 建筑能耗 在国家能源消耗中，建筑能耗占有相当大的比例。建筑能耗指建筑使用能 耗，其中包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器等方面的能耗。 5 第1 章引言 据统计，我国历年建筑能耗在总能耗中的比例为2 0 左右，平均值为1 9 8 。其 中，用于! 塑皇塑堕竺堑! 圭墨星猃垫返盟篮差垃丝岜垄篓堂邈! 堑! 美国 ，、_ 。一、_ 一 能源部在就京都协议对美国能源市场和国民经济的影响向美国国会所作的研究 报告中指出，建筑中最大的能耗系统是暖通空调系统、照明系统和建筑围护结 构系统。而且与工业、交通能耗不同，建筑能耗比较难予以提高能源价格的方 法来降低，原因在于家用空调等建筑能耗不是作为生产成本，而作为商品生产 过程目标和利润与成本紧密相关，提高能源价格难以控制不是生产成本的家用 空调等建筑能耗，而对于工业空调等系统，能源价格应该是一个有效的控制办 法。控制建筑能耗的最有效方法是技术进步，包括选择适当的系统和高效设备。 据统计，美国建筑空调耗电占全国总耗电量的1 2 ，其中集中式空调系统 占8 3 。7 2 的美国建筑装有空调系统，其中的4 7 为集中式空调系统，2 5 为 单元式空调系统，1 同时设有集中式空调系统和单元式空调系统。 随着国民经济的发展，商业建筑( 主要指宾馆、办公楼、医院、公寓、商 场等用于商业目的的建筑) 大量兴建，商业建筑的规模也在不断扩大，日趋激 烈的商业竞争迫使业主开始重视节能工作，几年前，写字楼业主几乎不关心大 楼的电耗。近年来，写字楼在拼服务、拼管理的同时，也不得不考虑建筑节能。 同国外相比，我国建筑能耗水平比较高，单位面积空调平均年能耗比世界发达 国家平均水平高4 0 t 引，从技术方面分析，导致这种状况的主要原因是： 1 ) 各国有着不同的气候环境、人文环境和经济环境，以千篇一律的手法进 行建筑空调设计，必将造成不良效果。例如，我国一些大型商用建筑，多以香 港为借鉴，不考虑空调全年运行节能。 2 ) 过分强调一次投资的节约，忽视运行费用。 3 ) 空调方案比较中，只简单地进行满负荷运行费用的比较，忽视了当地气 候及设备部分负荷运行对运行费用的影响。 4 ) 建筑设备能源管理自动化水平比较低，尽管一些大厦号称“智能化建筑”， 但是由于自动控制与空调在设计、施工和调试等方面结合不够紧密。相当一部 分系统运行效果不佳。 5 ) 一些建筑空调用制冷机、风机、水泵等设备老化，能效较低。 4 上海市的现状 上海是能源资源基本空缺的地区，一次能源几乎全部依赖从外省输入。和 6 第l 章引言 全国一样，能源结构以煤为主。2 0 0 0 年上海用煤量为5 4 8 5 万t 标煤，占一次能 源消耗总量的6 5 。另外，用电量逐年增加，如图1 3 所示，2 0 0 1 年至2 0 0 4 年 间，用电量保持高速增长，2 0 0 4 年完成用电7 1 0 7 2 亿千瓦，比上年增长l o 2 。 根据目前上海的电力情况，供需基本平衡，但同时也存在很多问题。一是用电 水平低，用电量不到世界平均水平的一半：二是发电设备年利用时间短；三是 用电峰谷差逐年增大。目前用电面临的情况就是高峰不足，低谷有余，用电高 峰和最大峰谷出现在夏季高温时段，同时近几年冬季出现了用电的次高峰。 图1 3 上海市2 0 0 l 2 0 0 4 年用电情况( 亿千瓦) i t 6 1 上海天然气的利用始于1 9 9 9 年4 月，2 0 0 0 年天然气的消耗量为2 5x1 0 8 m 3 ， 占能源消费总量的比例不到1 9 1 。“十五”期间，国家将推进西气东输工程、东 海天然气资源开发，这两项工程将给上海带来大量优质的气源，因此上海正加 大天然气的建设，进一步扩展天然气利用领域。与此同时，上海政府正采取其 他一系列的调整措施( 如引进三峡水电、秦山核电、及进口液化天然气l n g 等) 以优化能源结构，达到能源的合理消费，其重点就是控制煤炭的消耗量，增大 天然气的供应量，这样上海未来3 0 年左右能源结构将会发生重大变化。因而， 我们在进行空调冷热源选择时，必须结合当地不同时期的能源结构。 7 第1 章引言 上海同样面临着严峻的环境问题，作为我国经济发展最快的都市，能耗量 相对较大，因而大气污染也较严重。2 0 0 0 年全市s 0 2 和p m i o 的排放量分别为 4 6 5 万t 和1 2 4 万t ，按目前的能源利用状况，在2 0 0 5 年，s 0 2 污染呈整体上升 趋势，环境状况令人担忧【6 】。据中国科学院可持续发展研究组1 9 9 9 中国可持 续发展战略报告的分析，上海大气污染指数在全国3 0 个省市自治区排在倒数 第三位( 仅次于北京和天津) ，综合区域环境水平处于全国倒数第一。对空调业 而言，据统计，目前空调系统冷热源所排放的c 0 2 量，约占整个空调系统的c 0 2 排放量的8 0 7 1 。因此，上海在发展空调业的同时必须加强环境的保护，改善环 境质量，从而更好地合理利用资源。 1 2 国内外研究动向 1 2 1 国内研究动向 自上世纪2 0 年代以来，冷热源一直是暖通专业中最重要的研究课题之一， 且这方面的相关文献较多，就所参考的此类文章作了简单的分析比较，现将观 点总结如下【1 0 1 1 l ： 1 ) 冷热源设备的性能比较：国内有很多研究主要集中在这一方面，如冷水 机组的c o p 研究，文献 1 2 】给出了各种制冷机组二次能c o p 从大到小排序为： 螺赶三蛐堂萎玉蜒蝗l 垫盏垒堡缎至皇塑垫至三塑：生墓三堡墓墓三焦墨塞至3 还热垂 塾效吸收式 直燃冷热水机组 单效吸噬式。再比如冷热源的能耗研究， 一、- ，+ 、，4 、- ，- ，、，、，一 这一块可以分成两部分，一是机组额定工况能耗比较，文献 1 3 】认为，“蒸汽型 或热水型吸收式冷水机组的能耗约为电动式冷水机组的2 3 倍，直燃式吸收式 机组的能耗为电动式的1 6 - - 2 1 倍”。文献 1 4 】认为，离心式机组的能耗最低，螺 杆式机组的能耗与离心式基本相当，热泵能耗为其1 4 9 倍，蒸汽吸收式为1 8 2 2 倍，直燃式则分别为其1 5 6 倍( 燃气) 和1 4 6 倍( 油) 。二是机组部分负荷能 耗的研究，由于冷水机组满负荷运行时间极少，不到总时间的2 ，因此研究部 分负荷下的机组能耗更具实际意义。文献 1 5 】对部分负荷综合值i p l v 的计算得 出了吸收式机组于电动式机组的电耗比较：以7 0 0 k w 往复式冷水机组为基准， 在整个空调季节，折算成一次能耗，每产生l k w 冷量，模块式机组能耗要少1 0 ， 离心式要少1 8 - , 2 8 ，螺杆式要少2 8 3 2 ，吸收式则要多7 3 。 8 第1 章引言 2 ) 系统经济性分析：这方面主要集中在几种系统的初投资、运行费用及相 对投资回收期的分析比较。文献 1 8 1 对上海市某办公楼建筑采用冰蓄冷系统与常 规系统，得到两者初投资之比为1 2 ：l ，而运行费用之比为o 8 1 ：1 。目前除了 应用上述传统的经济性指标进行空调系统的经济性分析之外，寿命周期成本 l c c 分析正成为一项新兴的研究课题。如文献 1 7 1 就通过l c c 分析法对几种系 统进行了分析评价，最后得出燃油锅炉+ 螺杆机为最佳系统。 3 ) 分析建筑物用途：文献 1 0 1 所得结论为，上海高层建筑，离心式冷水机 组+ 燃油锅炉组合为最优。文献1 1 9 1 认为，上海办公楼建筑最佳冷热源搭配方式 为螺杆式冷水机组+ 燃油锅炉；而对于旅馆建筑，风冷热泵冷热水机组最为合适。 4 ) 对环境的影响：如文献1 2 0 认为，吸收式制冷机的二氧化碳的排放量约 为电动制冷机的1 5 3 5 倍，所造成的温室效应也比电动式制冷机严重。蒸汽双 效吸收式制冷机的二氧化硫的排放量约为电动制冷机的1 6 - - 3 5 倍。如文献 2 l 】 用生命周期评价方法对空调冷热源环境进行了综合评估，最后得出结论，以天 然气为燃料的直燃型溴化锂吸收式制冷方案对环境的影响最小。 5 ) 评价方法：评价方法多种多样，这方面的文献比较多，比如文献 2 2 1 采 用了层次分析法进行评价，最后选定风冷热泵；文献 1 7 1 运用系统优化分析法进 行评价，也得到了结果。具体详见后续章节介绍。 6 ) 研究工具：我国目前的研究多为定性的分析比较，精确度不高，而相关 软件开发得较少，清华大学开发的d e s t 是目前较为成熟的模拟软件之一。 从国内的一些文献中我们可以发现，有关冷热源的研究大多比较片面，较 为笼统。比如几个系统在进行比较时，有的文献以螺杆机作为电制冷机组的代 表去和其他系统进行比较，然后得出“电动式制冷机费用最低”的结论。电制 冷机组包括螺杆式、离心式、往复式机组等等，每种机组的性能、价格各方面 都不一样，不能片面地以偏盖全。对环境的重视不够，有时只考虑一方面，比 如制冷剂对环境的影响，而遗漏了其他的方面，比如由于能耗而产生的废气以 致对环境的影响。再比如综合评价方法的选择，由于评价因素很多，很难去全 面把握，得出一个比较公允的评价方法。在进行空调冷热源系统评价时，不仅 仅考虑的是机组本身的性能，同时应结合本地区的能源结构、环境政策以及建 筑物本身的功能等因素综合考虑。 ，2 2 国外研究动向 9 第1 章引言 国外对空调冷热源的研究起步较早，并已取得较多成果。目前较广泛应用 的是建立冷热源设备的仿真模型，利用模型进行能耗状况的分析。这方面的软 件有很多，较具代表性的有：美国的d o e - 2 、v - d o e 、e n e r g y - p l u s 、t r n s y s 、 b l a s t 、日本的h a s p 、英国的d 咂r g y 2 、芬兰的t a s e 、法国的c l m l 2 0 0 0 等等。这些程序可以模拟并计算空调系统的动态能耗，分析研究系统短期动态 过程特性。但由于程序本身的复杂性，再加上缺乏定的实验基础，导致该方 法难以掌握和应用【l ”。 在国外冷热源应用方面，以美国为例。美国由于石油和水力资源比较丰富， 电力工业非常发达，因而电价低廉，能源消费主要以电力为主，因此应用较多 的是电制冷机和电制热。 1 o 本课题研究的主要内容 鉴于上海的经济发展情况，本课题的主要目的是在节约能源和改善城市环 境的前提下，提出一套建筑空调冷热源系统选择的评价思路和方法，为投资者 和设计人员提供一定的参考依据。通过对空调系统冷热源方案选择的研究，确 定可供选择的冷热源方案选择原则，以便工程设计人员和管理人员决策时参考。 使用模糊综合评价法，可以把专家意见和决策分析者的工作经验有机结合起来， 进行综合分析和处理，并且数学结构比较简单，结果明确又便于分析，易于不 同层次的人员使用，有利于提高空调设计人员的决策水平，改进设计质量。主 要内容为以下几方面： 1 ) 介绍常见的冷热源及冷热源组合方案，着重介绍上海目前的冷热源现状。 2 ) 以上海某五星级酒店为研究对象，使用d e s t 进行负荷计算，并分析负 荷特点。 3 ) 提出针对该建筑的几种冷热源组合方案，对各个方案进行全年能耗计算， 并对能耗结果及对环境的影响进行分析。 4 ) 对各个方案进行经济性评价，并运用模糊综合评价法进行综合评价，从 而得出针对上海目前冷热源状况的结论。 1 0 第2 章常用空调冷热源方案及选择方法 第2 章常用空调冷热源方案及选择方法 空调冷热源是空调系统的关键设备，冷热源的形式直接决定了建筑物空调 系统的能耗特点及对外部环境的影响状况，它的重要性不言而喻，作为集中式 空调系统的主机，它是整个空调系统的心脏。随着生活水平的提高，人们居住 环境、办公环境的舒适性、美观性的要求越来越高。而对于具有较大建筑面积 的宾馆、写字楼，业主一般都要求采用集中式空调系统。且目前冷热源设备种 类繁多，品牌林立，冷热源的选择是每个设计师都需要面对的问题。 近年来，冷热源技术得到了较快的发展，在蓄冷、热泵、v r v 、新型制冷 剂等方面的技术均取得了一定的进步。而近几年，油价开始大幅攀升，我国电 量严重不足，用电大幅增加，电力系统峰谷差急剧加大，电网负荷率明显下降， 高峰电力不足，导致电网经常拉闸限电，再加上我国的油、气资源不足，能源 利用率不高，能源构成独特，这都影响了国家的能源政策，也关乎了空调用冷 热源的能源种类。这也促使了新产品、新技术的开发应用，于是，新型、环保、 节能、具有移峰填谷作用的冷热源设备层出不穷。本章主要介绍的是我国目前 可供选择的空调冷热源设备及组合方案，特别是上海市的冷热源现状，同时也 分析了各种冷热源设备的特点，介绍了冷热源选择的一些原则。 2 1 空调用冷热源设备 2 1 1 空调用冷源设备 1 活塞式冷水机组 活塞式制冷压缩机是最早问世的压缩机，几乎和机械制冷方法同时出现， 在1 0 0 多年的使用中，得到了广泛发展和深入研究，直到目前为止，虽然受到 其他新型压缩机的挑战，但其产量和使用范围在各类压缩机中仍占有一定地位 2 5 1 。而活塞式冷水机组也是在民用建筑空调制冷中采用时间最长、使用最多的 一种机组。活塞式冷水机组适用于中、小容量的空调制冷和热泵系统，属于容 积式制冷压缩式机组，通过气缸容积往复运动过程中的变化来达到对制冷剂进 第2 章常用空调冷热源方案及选择方法 行压缩的目的，采用的制冷剂一般为r 2 2 等，普通活塞式冷水机组的单机容量 一般在5 8 0 k w 以下。近年来，通过采用多台压缩机联合运行的方式( 又称为多 机头机组) 活塞式冷水机组容量又可不断增加，机组总制冷量可达1 5 0 0 k w 以 上。活塞式冷水机组的制冷效率较其他电动型机组低，根据国家标准 g b r i 1 8 4 3 0 1 2 0 0 1 中，制冷量大于1 1 6 k w 的水冷式机组的性能系数( c o p ) ， 规定不低于3 6 ，风冷式机组不应低于2 5 7 1 8 1 。活塞式冷水机组的能量调节通过 调节压缩机台数或则依靠压缩机气缸的上载或卸载来完成。 活塞式冷水机组的主要优点为：1 ) 用材为普通金属，结构紧凑，加工容易， 造价低；2 ) 活塞式制冷压缩机出现最早，使用较广泛；3 ) 运行管理经验成熟， 运行可靠，使用方便；4 ) 制冷系统装置简单，设备运行安全、可靠、经济。 活塞式冷水机组的主要缺点为【2 4 l ：1 ) 往复运动惯性力大，转速不能太高， 振动较大；2 ) 单机容量不宜过大；3 ) 当单机头机组不变转速时，只能通过改 变工作气缸数来实现跳跃式的分级调节，部分负荷下的调节特性较差；4 ) 单位 制冷量的重量指标过大，c o p 相对离心式、螺杆式冷水机组低。 2 螺杆式冷水机组 螺杆式冷水机组由于采用螺杆式压缩机而得名，目前，螺杆式冷水机组在 我国制冷空调领域得到了越来越广泛的应用，其典型制冷量范围为 7 0 0 1 0 0 0 k w ，一般应用于中型制冷量范围。国家标准g b t1 8 4 3 0 0 2 0 0 1 中规 定了螺杆式冷水机组在名义工况时的制冷性能系数。如水冷式机组，制冷量大 于2 3 0 k w 时，其c o p 不应低于3 8 5 。般来说。螺杆式冷水机组的制冷效率 比活塞式冷水机组的效率要高。螺杆式压缩机是一种回转容积式压缩机，它是 依靠容积的改变来压缩气体的。在压缩机的汽缸内部平行的配置这一对阴阳转 子。阳转子的齿周期性的侵入阴转子的齿槽。并且随着转子的旋转，空间接触 不断地向排气端推移，致使转子的基元面积逐渐缩小，基元容积内气体的压力 不断提高，达到压缩气体的目的。其制冷剂通常采用r 2 2 、r 1 3 4 a 等。 虽然螺杆式冷水机组已有多年的发展历史，但作为民用建筑空调中的应用， 在我国则是近十年才逐渐有发展的。目前运行的螺杆式冷水机组中，大部分是 双螺杆式，其使用已经有相当长的一段时间。螺杆式冷水机组的冷量调节是通 过它独有的能量调节机构滑阀来实现无级调节的。通过对滑阀的控制，冷 量可以在1 5 一1 0 0 的范围内无级调节。 螺杆式冷水机组从螺杆设置的方式上分，可分为垂直式和水平式两种。垂 第2 章常用空调冷热源方案及选择方法 直式机组的外形尺寸稍小，且通常采用全封闭式压缩机，因此其机组噪声较小。、 在单机容量方面，螺杆式冷水机组和活塞式差不多。同活塞式机组一样，一些 螺杆式冷水机组也采用多级头方式，使机组的总制冷量大幅增加。国外采用多 机头时，总制冷量可达2 5 0 0 k w 以上。 就压缩气体的原理而言，螺杆式制冷压缩机同属于容积型压缩机，但就其 运动形式来看，它又与离心式制冷压缩机类似，转子作高速旋转运动，所以螺 杆式制冷压缩机兼具有活塞式和离心式压缩机两者的优点：1 ) 具有较高转速 ( 3 0 0 0 4 4 0 0 r p m ) ，可与原动机直联。因此，它的单位制冷量的体积小，重量轻， 占地面积小，输气脉动小；2 ) 没有吸、排气阀和活塞环等易损部件，故结构简 单，运行可靠，寿命长；3 ) 因气缸中喷油，油起到冷却、密封、润滑的作用， 因而排气温度低；4 ) 没有往复运动部件，故不存在不平衡质量惯性力和力矩， 对基础要求低，可提高转速；5 ) 具有强制输气的特点，输入量几乎不受排气压 力的影响；6 ) 对湿行程不敏感，易于操作管理；7 ) 没有余隙容积，也不存在 吸气阀片及弹簧等阻力，因而容积效率高；8 ) 输气量调节范围宽，且经济性较 好，小流量时也不会出现离心式压缩机那样的“喘振”现象。 螺杆式制冷压缩机也有一些不尽理想的地方，其主要缺点有：1 ) 单机容量 比离心式小；2 ) 转速比离心式低；3 ) 耗油量大；4 ) 噪声比离心式高；5 ) 加 工精度要求高；6 ) 部分负荷下的调节性能较差，特别是在6 0 以下负荷运行时， c o p 急剧下降，只适宜在6 0 - 1 0 0 负荷范围内运行( 指目前国内机组【2 8 】，在 部分负荷时其实际功率受其工作压力比的影响) ；7 ) 机组出现故障时，无法在 现场维修：8 ) 由于螺杆的线速度与运行工况有关，当冷凝温度上升时，其绝热 效率下降，其运行费用增加。 3 离心式冷水机组【z 6 1 离心式冷水机组是目前大、中型民用建筑集中空调系统中应用最广泛的一 种机组，尤其是制冷量在1 0 0 0 k w 以上时，设计中宣选用离心式机组，其效率 高于螺杆机。国家标准g b t 1 8 4 3 0 0 2 0 0 1 中规定，离心式水冷机组的制冷量大 于1 1 6 3 k w 时，其c o p 不应低于4 7 ，是螺杆机效率的1 2 倍以上。目前离心式 机组常用的制冷剂是r 2 2 、r