地源热泵+冰蓄冷复合式冷热源系统的设计、分析和测算

【摘 要】随着常规能源的紧缺、环境污染的日益严重，作为建筑行业耗能大户的空调系统，节能减耗势在必行。地源热泵作为可再生能源，虽然初投资比常规空调略高，但其运行费低，运行稳定、节能环保无污染。冰蓄冷系统在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用制冷机制冷，利用“谷值”优惠电费，减少大量电费的支出，冰蓄冷的大温差，低温送风的特点，节省很多初投资的费用，将地源热泵和冰蓄冷系统结合起来，夜间可以利用热泵机组制冰，可以省去冰蓄冷装置中的制冷机；冬季热泵工作，夏季热泵和冰蓄冷空调同时运行，还可以降低地热换热器的初投资，实现地源热泵机组的间歇运行，有利于土壤温度场的恢复。本文以位于北京市海淀区用友软件园项目的复合式冷热源系统为例，阐述了地源热泵+冰蓄冷系统的特点和优势，对冷热源系统进行了详细的设计，给出了热泵/冷水机组、蓄冰设备和室外土壤换热器的选择和配置，着重介绍了冰蓄冷系统的运行策略和运行模式，并对复合式冷热源系统的运行费用进行合理测算。结论表明地源热泵+冰蓄冷的复合式冷热源系统不仅环保节能，而且运行成本大大降低，是适宜推广的高效节能的冷热源系统。  暖通百科

引言 
　　随着经济的快速发展、环保要求的提高，能源紧缺日益严重，建筑物的供暖空调是否节能、环保已经成为衡量一个系统是否最佳的重要依据。如果一味的追求节能，势必会带来系统的投资较大、运行费用较高，所以设计一个既节能，又使系统的初投资和运行能耗和费用最为合理的空调系统是一个设计人员的最重要的任务，用友软件园将高效节能的地源热泵系统和冰蓄冷空调系统联合起来，通过合理的配置，取长补短，使两项技术的优越性得到充分发挥，得到了较好的节能环保效果。 
1.工程概况 
　　用友软件园位于海淀区永丰产业基地西南端，东临永丰路，南面是永丰南环路，西靠西滨河路，北与北清路接壤。整个软件园占地面积45.52公顷，总建筑面积40万平方米，分两期建设：一期总建筑面积18.4万平方米；夏季空调冷负荷15784kw、空调热负荷11139kw、采暖负荷2252kw、生活热水加热负荷1722kw。 

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2.地源热泵和冰蓄冷技术简介 
　　2.1地源热泵技术简介 
　　近年来由于环保和节能要求的提高，对建筑的供冷和供热方式提出了新的要求，利用燃煤、燃气锅炉的传统供热方式由于污染环境和高能耗等问题已经逐渐被新型环保节能的供热方式所取代。作为独立的公共建筑物，既需要冬季供热又需要夏季供冷，甚至需要提供全年生活热水，能够同时满足这些需求的冷热源系统应该首推地源热泵系统。 

　　地源热泵系统[1]是一种利用浅层地热资源，既可供热又可供冷的高效节能空调系统，通过给机组输入少量的高品位能源（如电能），实现热能从低品位到高品位的转移。地源热泵系统的土壤换热器（双U形的PE管）埋于地下，通过水在其封闭环路中循环流动，从而实现与土壤进行冷热交换的目的。夏季通过热泵/冷水机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温；冬季通过热泵/冷水机组将土壤中的热量转移到房间，对房间进行供热。这样就实现了夏季供冷和冬季供热。热泵/冷水机组的能量流动是利用其所消耗的能量（如电能）将吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源。 暖通百科
　　地源热泵系统是一种先进的高效节能、无任何污染的供热和供冷方式，在建筑用能领域，是作为环保和节能首推的新技术应用项目，在2003年建设部就已经把地源热泵技术列为建筑节能的新技术成果而大力推广。与传统的锅炉供热系统相比，以1个单位的一次能源为基数，一次能源的发电效率按照38%考虑，地源热泵制热效率按照4.0考虑，那么锅炉供热只能将一次能源的80～90%转化为热量，而地源热泵系统却可以得到1×0.38×4=1.5倍的一次能源的热量，因此地源热泵系统要比传统的锅炉供热系统节省二分之一左右的能量。由于地源热泵的冷热源是浅层土壤，全年温度在7～15℃之间，因此，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的70%左右 。利用地源热泵技术，在冬季供热与夏季供冷的过程中，由于采用了大量的土壤中的免费能源，使得运行成本大大降低。因此，地源热泵系统具有：高效节能、运行费用低、一机多用、清洁无污染、运行安全可靠等诸多特点。 

　　2.2冰蓄冷技术简介 
　　冰蓄冷技术[2]主要为了平衡电网的昼夜峰谷差，在夜间电力低谷时段向蓄冷设备储蓄冷量，在日间电力高峰时段释放其蓄得的冷量，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是电力部门“削峰填谷”的最佳途径。冰蓄冷技术比较适用于冷热负荷差较大的办公型建筑，优势适用于冷负荷高峰时段与电网高峰时段重合、而且在电网低谷时段空调冷负荷较小的公共建筑（如工业园区）。冰蓄冷系统具有以下诸多优点：  暖通-空调-在线
　　2.2.1减小机组的装机容量 
　　机组可以提供的最大冷负荷可以小于建筑物的峰值负荷，也就是说，可以按照建筑物峰值负荷的60%-70%来选配制冷/蓄冰机组。 
　　2.2.2无后顾之忧 
　　由于近年来国内夏季用电负荷日趋紧张，一些地区已经采取拉闸限电，以及对各单位限制时段用电量等多项举措。而蓄冰技术正是在夜间电力低谷时段向蓄冰设备蓄得冷量，在日间电力高峰时段释放其蓄得的冷量，将大量本应是电力高峰时段使用的电力转移到夜间电力低谷时段使用，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是解决该问题的最佳途径。用户也不必为了限电而停工停产，从而造成巨大的损失。 
　　2.2.3运行费用更低 
　　由于使用晚上较低费用的低谷电蓄冷，而在白天将储存的冷量释放出来，最大限度的节省费用。所以，其制冷运行费用仅为常规空调系统的50-60%左右。冰蓄冷技术按负荷分配不同分为两种形式：全负荷蓄冰和部分负荷蓄冰，全负荷蓄冰是将电力高峰时段的冷负荷全部转移到低谷和平峰时段，电力高峰时段制冷机不运行，供冷量全部由电力低谷段和平段蓄冰设备蓄存的冷量来承担。运行费用显著降低，但需配置较大的制冷机和蓄冰装置，设备投资较高，且蓄冰装置占地面积大。如下图所示，全天所需冷量B全部由电力低谷段和平段所蓄存的冷量A+C供给。部分负荷蓄冰是将电力高峰时段的冷负荷部分转移到电力低谷段和平段，即电力高峰时段所需的冷量部分由蓄冰设备供给，部分由制冷机供给。用户初投资和运行费用均较低。如下图所示，高峰时段所需部分冷量B2由制冷机直接提供，其余冷量B1由电力低谷段和平段蓄冰设备所蓄存的冷量A+C供给。

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3.设计思路 
　　3.1冬季设计思路 
　　地源热泵/冷水机组承担总热负荷的60%，其余热负荷由燃气锅炉承担。根据软件园冬季热负荷总量11139KW，按照复合式系统的设计思路，以一期规划冬季设计日最高热负荷的60%为标准，选用三工况地源热泵/冷水机组4台，单台机组制热量为1676KE，同时选用4台燃气锅炉，单台制热量2100kw，满足热负荷要求。地源热泵/冷水机组通过地埋管循环水系统，从地层中得到低品位热能。当地源热泵/冷水机组全部投入使用仍无法满足要求时，联合燃气锅炉共同承担。燃气锅炉的运行时间不超过2个月。 　
　　3.2夏季设计思路 
　　离心式冷水机组承担夜间制冷负荷，其余冷负荷由三工况地源热泵/冷水机组及冰蓄冷设备承担。 
　　夏季设计最大冷负荷为15784kw， 冷负荷集中在8：00-21：00，13小时运行期间电力高峰段为6小时，电力平段为7小时，冷负荷的峰值时段和电力高峰时段重合，因此，空调系统比较适宜设计成冰蓄冷系统。配置2台离心式冷水机组，单台制冷量为1200RT，由与之配套独立设置的冷却塔系统散热，夜间开启1台冷水机组供冷；4台地源热泵机组+蓄冰设备，单台热泵机组制冷1261kw，蓄冰803kw，蓄冰球440立方米，承担主力制冷负荷，夜间机组蓄冰，日间以空调工况与蓄冰设备联合供冷，机组的冷凝热量通过地埋管循环水系统排放到地下。  暖通百科
　　3.3生活热水设计思路 
　　生活热水加热负荷1722kw，要求全年供应，冬季主要依靠在下班之后或在夜间低谷电时段，部分热泵/冷水机组用于加热生活热水，并储存于蓄热水罐内，实现随时按需供水。不足的部分由燃气锅炉提供。春秋过渡季节：由热泵/冷水机组单独供应热水。夏季：夜间蓄冰的时候，生活热水由储存于水箱中的热水提供，不足的部分由燃气锅炉提供；其它时间段由热泵/冷水机组提供，不足的部分由燃气锅炉补充。基于以上分析，生活热水的提供除考虑热水加热系统与地源热泵系统的合理配置、优化控制模式、优化储存方案外，无须再增设专门加热热水的地源热泵系统。  暖通空调zaixian
　4.主要设备配置 
　　2台离心式冷水机组，单台制冷量为1200RT，由冷却塔系统散热。4台地源热泵机组+蓄冰设备，单台机组制冷1261kw，蓄冰803kw，蓄冰球440立方米，承担主力冷负荷，夜间机组蓄冰，日间与蓄冰设备联合供冷，机组的冷凝热量通过地埋管循环水系统排放到地下。　　

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5.冰蓄冷系统的运行策略和运行模式 
　　5.1 100%负荷段运行策略 
　　由于设计日逐时冷负荷较大，冷负荷由三工况热泵/冷水机组、冷水机组和蓄冰设备共同承担，结合北京市的电价政策，三工况热泵/冷水机组在夜间的电力低谷时段23：00-7：00进行8小时的满负荷蓄冰；白天，把蓄存的冷量尽量用在高峰电时段上，减少热泵/冷水机组和基载冷水机组的开启。  暖通空调zaixian
　　5.2 70%负荷段运行策略 
　　该时段逐时冷负荷仍然比较大，三工况热泵/冷水机组在夜间的电力低谷时段23：00-07：00满负荷运行8小时蓄冰，在8：00-10：00和18：00-21：00时段由蓄冰设备和三工况热泵主机共同承担；在10：00-18：00，负荷由蓄冰设备、基载冷水机组和三工况热泵主机共同承担。 
　　5.3 40%负荷段运行策略 
　　三工况热泵/冷水机组日间开启12个小时，基载冷水机组不需要开启。在电力低谷时段23：00-7：00三工况热泵/冷水机组满负荷运行8小时蓄冰，其它时段除8：00-20：00由三工况热泵/冷水机组和蓄冰设备共同承担外， 其它时段全部由蓄冰设备提供。 

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　　5.4 系统运行模式分析 
　　本项目选用负荷均衡的部分蓄冰方式，系统采用可以制取较低冷冻水温度的主机上游的串联系统。在典型设计日空调冷负荷由冷水机组和蓄冰设备共同承担，非典型设计日通过优化控制来满足冷负荷需求并将系统耗电量降低到最小。 

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　　V1、V2、V4、V6均为电动二通双位阀，调节乙二醇流动方向；V3、V5为电动二通调节阀，为该系统的核心部件，可以精确控制进入板式换热器的乙二醇温度。 
　　冰蓄冷系统运行模式有四种：热泵机组蓄冰、热泵机组单独供冷、热泵机组联合蓄冰设备供冷、蓄冰设备单独供冷。　　 暖通百科
　6.地埋管换热系统设计 
　　根据本地源热泵系统冬、夏季的设计负荷，同时根据在现场做的换热孔的测试实验，取得该区地层单位钻孔延长米的平均换热量冬季为69.7w/m，夏季为90.1w/m，计算地埋管的最大数量为73920延长米，单个地埋换热孔深120m，则换热孔数量核算为616个，孔径?150mm。换热孔口位于地面2.0m深以下，换热孔间距5×5m，孔位分布总面积约12320平方米。 管材采用抗高压的高密度聚乙烯管（HDPE100），其原材料为进口材料，技术参数为：管外径32mm、管壁厚3mm、承压能力1.6Mpa，其具有接口稳定可靠、抗应力开裂性好、耐化学腐蚀性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化使用寿命长（寿命可达50年）。 　

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7.经济分析  www.ehvacr.com
　　7.1建设投资 
　　冷热源系统的建设投资包括（1）工程费用、（2）工程建设其他费用和（3）预备费，预备费取上述（1）至（2）项之和的5%。 
　　7.2运行费用  暖通空调zaixian
　　冷热源系统的运行费用统计，采用分时段计算法，即把整个空调期划分为5个时段：20%负荷段、40%负荷段、60%负荷段、80%负荷段和100%负荷段，分别逐时计算相应时段的电费，再结合峰谷分时电价，计算逐时的运行费用，并加以汇总，就得出总的运行费用。  暖通在线
　　7.2.1 夏季运行费用 
　　北京市建筑的空调供冷期为140天（从6月初到10月中）来计算，地源热泵冰蓄冷空调系统每年夏季空调运行电费约为261.5万元。 
　　7.2.2冬季运行费用 

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　　北京市建筑的冬季采暖期为120天（从11月中到次年3月中）来计算，复合式冷热源系统每年冬季采暖运行电费约为323.3万元。 
　　7.2.3运行人员工资 
　　由于本项目属于为IT产业的服务，因此，其人工工资比北京市平均收入高，据此估算人工工资费为：30000元/人×10=30万元。 
　　7.2.4年运行费用 
　　年运行成本费用：261.5万元+323.3万元+10万元=595万元。 
　　7.2.5单位面积运行成本 
　　单位面积运行成本=年运行费用/建筑面积=595万元/18.4万平方米=32.3元/平方米。 

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　　7.2.6复合式系统与其他方式运行费用比较 
　　经初步测算，冬季，北京地区的公共建筑在各种采暖形式下的运行费用：独立燃气采暖炉30-40元/平方米；电缆地板采暖20-25元/平方米；电热膜采暖30-34元/平方米；天然气集中供热28元/平方米；燃煤集中供热19元/平方米。而夏季制冷按照多联机系统估算每平米的电费约20元。综上，传统冷热源系统的全年运行费用最低也在39元/平方米。根据本项目的数据分析，地源热泵+冰蓄冷复合式冷热源系统全年的制冷和供热运行费用合计约595万元，折合全年运行费用32.3元/平方米。由此，可以看出采用地源热泵+冰蓄冷空调系统比传统的冷热源系统在运行费用上有相当大的优势。  暖通百科
8.结论 
　　通过上述地源热泵+冰蓄冷的复合式冷热源系统的设计、分析和测算可知： 
　　（1）地源热泵+冰蓄冷的复合式冷热源系统是新型的能源方式，高效节能环保，可以为公共建筑提供供冷、供热和全年生活热水。 
　　（2）地源热泵系统利用了大量的土壤中的免费能源，不仅环保节能，而且由于供冷和供热的效率高，还会使得运行成本大大降低。 
　　（3）冰蓄冷技术在晚上低谷电时段蓄冷，在白天的高峰电时段释放蓄存的冷量，减少了机组在高峰电时段的开启和用电，使得该系统即不受“拉闸限电”的影响，还降低了运行费用，真可谓是一举两得。 

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　　综上所述，地源热泵+冰蓄冷的复合式冷热源系统有诸多特点，是适宜推广的高效节能的冷热源系统。 暖通百科

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