摘 要

摘　要：介紹地源熱泵與水蓄能的優(yōu)勢，分析地源熱泵一水蓄能復合空調系統(tǒng)的運行原理及優(yōu)勢。結合工程實例，探討了地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)的運行方案、設備配置和節(jié)能

摘　要：介紹地源熱泵與水蓄能的優(yōu)勢，分析地源熱泵一水蓄能復合空調系統(tǒng)的運行原理及優(yōu)勢。結合工程實例，探討了地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)的運行方案、設備配置和節(jié)能分析。

關鍵詞：地源熱泵  水蓄能  蓄能槽  復合空調系統(tǒng)

Discussion on Composite Air Conditioning System with Ground Source Heat Pump and Water Energy Storage

Abstract：The advantages of ground source heat pump and water energy storage are introduced．The operation principle and superiority of composite air eonditioning system with ground source heat pump and water energy storage are analyzed．Combined with a project example，the operation scheme，equipment configuration and energy-saving analysis of composite air eonditioning system with ground source heat pump and water energy storage are discussed．

Keywords：ground source heat pump；water energy storage；energy storage tank；composfle air conditioning system

 

1　概述

近年來，隨著霍辯的不斷發(fā)展和人們對低碳環(huán)保的重視，地源熱泵憑借獨特的優(yōu)勢得到越來越廣泛的應用。如今地源熱泵的研究已經比較成熟，但其仍面臨著取能蓄能難以平衡，不能有效利用電力峰谷差價的問題^[1]。水蓄能裝置可以有效利用電力的峰谷差價，但其應用具有一定的局限性^[2]?；谝陨峡紤]，將地源熱泵和水蓄能技術相結合，形成地源熱泵一水蓄能復合空調系統(tǒng)，本文對該系統(tǒng)進行研究。

2　地源熱泵和水蓄能的優(yōu)勢

2．1　地源熱泵

熱泵可根據與環(huán)境換熱介質的不同分為空氣源熱泵和地源熱泵。地源熱泵中水和地熱是優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般地源熱泵的制冷(供熱)性能高于空氣源熱泵^[3]。與空氣源熱泵比較，地源熱泵有獨特的優(yōu)勢：

①污染小

地源熱泵的污染物排放量比空氣源熱泵減少38％以上，比電供暖減少70％以上，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的綠色空調。

②維護簡單

運動部件比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少了維護工作量。系統(tǒng)安裝在室內，可免遭損壞，延長壽命。

③節(jié)省空間

沒有冷卻塔、鍋爐房和其他設備，節(jié)省了占地面積，產生附加經濟效益，并改善了外部形象。

④運行效率高

地源熱泵消耗lkW·h電，用戶可以得到4.3～5.0kW·h的熱量或5.4～6.2kW·h的冷量。與空氣源熱泵相比，其運行效率要高出20％～60％。

2．2　水蓄能

蓄能按蓄能介質不同主要分為水蓄能、冰蓄能。與冰蓄能相比，水蓄能具有以下優(yōu)勢^[4-5]：

①系統(tǒng)效率比較高

水蓄冷比常規(guī)制冷機組制冷用電節(jié)省l0％以上，冰蓄冷的用電最則高于常規(guī)空調33％左右。蓄能槽可實現夏季蓄冷、冬季蓄熱，做到蓄冷、蓄熱兩用，而冰蓄冷不可能做到。

②系統(tǒng)造價、運行電費比較低

水蓄能運行成本低，響應速度快。冰蓄冷造價比水蓄冷高很多，目前國內運行的冰蓄冷系統(tǒng)基本都采用約l／3削峰運行(即高峰用電時段空調系統(tǒng)負荷的1／3由蓄能裝置負擔)，如不采用削峰運行，將大量增加工程造價。而水蓄冷系統(tǒng)可以全削峰運行。

③適用性強

水蓄能可以使用常規(guī)制冷機組，適用于常規(guī)供冷系統(tǒng)的擴容和改造。水蓄能可以用于新建項目和改造項目。對于改造項目，只需在原系統(tǒng)中添加水蓄能所需的管路即可，對原有系統(tǒng)沒有任何影響。而冰蓄冷只適用于新建項目。

3　地源熱泵一水蓄能復合空調系統(tǒng)

3．1　運行原理

在電力低谷時段，利用地源熱泵機組向蓄能槽蓄冷(蓄熱)，將冷量(熱量)儲存在蓄能槽中，電力高峰時段釋冷(釋熱)。若負荷需求較小，則僅由水蓄能裝置供冷(熱)；若負荷需求較大，則由地源熱泵機組和水蓄能裝置聯合供冷(熱)或僅由地源熱泵機組供冷(熱)。地源熱泵一水蓄能復合空調系統(tǒng)見圖1，流程如下。

 

①負荷較大時

a．負荷只由熱泵機組單獨負擔：閥門Ml、Cl、C3、C8開啟，其余閥門關閉。空調回水經閥門Ml、Cl、C8進熱泵機組被冷卻(加熱)后，經閥門C3供給用戶使用。

b．負荷由熱泵機組和水蓄能裝置聯合負擔：

提供熱負荷：閥門C1、C3、C5、C6、C8開啟，Ml、M2調節(jié)流量，C2、C4、C7關閉?？照{回水一部分經M2、C6進入蓄能槽被加熱，之后經C5與通過Ml的部分回水相匯，通過Cl、C8進熱泵機組再次被加熱，經閥門C3后供給用戶使用。

提供冷負荷：閥門C2、C3、C5、C6、C8開啟，M1、M2調節(jié)流量，Cl、C4、C7關閉?？照{回水一部分經Ml、C5進入蓄能槽被冷卻，之后經C6與通過M2的部分回水相匯，通過C2、C8進熱泵機組再次被冷卻，經閥門C3后供給用戶使用。

②負荷較小時

負荷只由水蓄能裝置單獨負擔。

提供熱負荷：閥門Cl、C3、C5、C6、C7開啟，M1、M2調節(jié)流量，C2、C4、C8關閉?？照{回水經閥門M2、C6進入蓄能槽被加熱后，經閥門C5與通過M1的部分回水相匯，再通過Cl、C7、C3后供給用戶使用。

提供冷負荷：閥門C2、C3、C5、C6、C7開啟，M1、M2調節(jié)流量，Cl、C4、C8關閉?？照{回水經閥門Ml、C5進入蓄能槽被冷卻后，經閥門C6與通過M2的部分回水相匯，再通過C2、C7、C3后供給用戶使用。

③蓄能

為蓄能槽蓄熱時：閥門Ml、C2、C4、C5、C6、C8開啟，Cl、C3、C7、M2關閉。熱泵機組提供的50℃熱水經閥門C4、Ml、C5后進入蓄能槽放熱，水溫降低，之后經閥門C6、C2、C8回到熱泵機組中加熱。

為蓄能槽蓄冷時：閥門M2、Cl、C4、C5、C6、C8開啟，C2、C3、C7、Ml關閉。熱泵機組提供的4℃冷水經閥門C4、M2、C6后進入蓄能槽放冷，水溫升高，之后經閥門C5、Cl、C8回到熱泵機組中冷卻。

3．2　優(yōu)勢

地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)不僅有地源熱泵和水蓄能的優(yōu)點，還有其獨特的優(yōu)勢。結合水蓄能技術，可以根據冷、熱負荷中的較小者選擇熱泵機組，不足負荷由水蓄能裝置承擔。這能大大減小系統(tǒng)的裝機容量，降低造價。

地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)不僅能減少熱泵機組低效運行的時間，提高效率，實現熱泵機組的間歇運行，減少磨損消耗，延長熱泵機組的壽命，而且可以有效利用電力的峰谷差，降低一次能源的消耗，有著較好的經濟性和可行性。這樣不僅符合消費者節(jié)約能源、降低消費的經濟性要求，也符合環(huán)保要求。近年來可再生能源法的頒布、政府的支持將使這項技術成為今后空調系統(tǒng)發(fā)展的熱點。

4　工程應用實例

4．1　工程概況

地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)在某公共客運站建筑中得到了應用，其建筑面積為20000m²，空調夏季冷負荷為2065kW，冬季熱負荷為1666kW。

4．2　運行方案

本系統(tǒng)采用的地源熱泵為地下水地源熱泵。電力低谷時段(23：00—次日07：00)，利用地源熱泵向蓄能槽蓄冷(蓄熱)；峰值時段(07：00—11：00)，僅由蓄能槽向空調末端供冷(供熱)，此時不開啟地源熱泵機組；平谷時段(11：00—18：00)，由地源熱泵機組和蓄能槽聯合向空調末端供冷(供熱)；18：00—23：00，系統(tǒng)停止運行。

4．3　設備配置

①水源熱泵機組

有水源熱泵機組3臺，其中1臺制冷功率為183kW，制熱功率為274kW，命名為大熱泵機組。另外2臺制冷功率為l26.9kW，制熱功率為l97kW，命名為小熱泵機組。

②蓄能槽

按照峰值時段完全消峰的蓄能原則設計蓄能槽，容積為600m³，與水源熱泵機組以串聯方式為系統(tǒng)供冷、供熱。夏季蓄能槽的蓄冷溫度為4℃，平均出水溫度為l2℃，總蓄冷量為5587kW·h；冬季蓄能槽的蓄熱溫度為50℃，平均出水溫度為40℃，總蓄熱量為6983kW·h。另外，循環(huán)泵的功率為11kW。

③控制系統(tǒng)

通過控制水源熱泵機組、輔助設備和閥門的啟停和調節(jié)，使系統(tǒng)能夠實現各種工況的轉換，并監(jiān)視系統(tǒng)各設備的工作狀態(tài)和運行參數。

4．4　經濟性分析

①地源熱泵一水蓄能復合空調系統(tǒng)運行電費

低谷時段(23：00—次日07：00)電價為0.35元(kW·h)，開啟1臺大熱泵機組，以蓄冷(熱)工況運行8h；峰值時段(07：00—11：00)電價為1.50元／(kW·h)，由蓄能裝置單獨為空調末端供冷(熱)，熱泵機組不啟動；平谷時段(11：00—18：00)電價為0.80元／(kW·h)，由3臺熱泵機組和蓄能裝置聯合為空調末端供冷(熱)。供暖期為120d，供冷期為90d。

地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)的運行電費計算公式見式(1)、(2)。式(1)中的下標i表示供暖期(i=1)或供冷期(i=2)，j表示低谷(j=1)、平谷(j=2)或峰值(j=3)時段，k表示熱泵機組(k=1)或循環(huán)泵(k=2)。

Eijk=Piktjknjk 　　　　          　(1)

Yi=(Ei1y1+Ei2y2+Ei3y3)ti         　 (2)

式中Eijk——i期間第k種設備在每天第j時段的耗電量，kW·h／d

Pik——i期間第k種設備的功率，kW

tjk——第k種設備在每天第j時段的運行時間，h／d

njk——在第j時段運行的相同功率的第k種設備的數量

Yi——i期間的運行電費，元

Ei1、Ei2、Ei3——i期間每天低谷、平谷、峰值時段的耗電量，kW·h／d

y1、y2、y3——低谷、平谷、峰值時段的電價，元／(kW·h)

ti——i期間的運行時間，d

根據公式(1)、(2)計算得地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)的運行電費，見表1。

 

②無水蓄能裝置時的運行電費

當無水蓄能裝置時，地源熱泵機組只在峰值和平谷時段運行，每天運行時間為11h。按式(1)、(2)計算無水蓄能裝置時的運行電費，結果見表2。

 

③年運行電費比較

通過以上計算可知，無水蓄能裝置時的系統(tǒng)年運行電費為139×10⁴元，地源熱泵—水蓄能復合空調系統(tǒng)的年運行電費為84×10⁴元，每年可節(jié)約55×10⁴元。此工程可以減少高峰用電量，增加低谷用電量，有效平衡了電網峰谷差，節(jié)能效果顯著。

 

參考文獻：

[1]秘文濤，張建，陳天及，等．一種新型的地源熱泵與冰蓄冷空調聯合運行系統(tǒng)[J]．流體機械，2007，35(8)：72-75．

[2]趙海國．地源熱泵水蓄能系統(tǒng)在大型公建中的應用[J]．建設科技，2007(18)：50-51．

[3]侯靖賢，劉堅，熊占野．地源熱泵空調系統(tǒng)[J]．上海電力，2005(6)：607-610．

[4]梁兆旺．水蓄冷及冰蓄冷空調系統(tǒng)技術經濟分析[J]．山東建筑工程學院學報，1998，13(1)：58-61．

[5]閆學沖．中央空調水蓄冷技術的應用分析[J]．建筑節(jié)能，2008(8)：13-15．

 

本文作者：張君美  劉偉  于芳  宋曉帆

作者單位：天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院

  天津城建大學