地源熱泵水蓄能復合空調系統運行分析

溫昌盛

摘 要：地源熱泵水蓄能復合空調是建筑實現節能的有效途徑。本文簡要介紹了地源熱泵和水蓄能的優勢、工作原理，并以天津市某辦公建筑為例，詳細探討了該復合空調系統的運行效果。

關鍵詞：地源熱泵；水蓄能；負荷空調系統

1 概述

一直以來建筑耗能在全社會耗能中都占有巨大比例，是發達國家的兩倍左右，在環境污染日益嚴重的今天，減少建筑耗能勢在必行。地源熱泵作為一種新型建筑節能系統具有便于維護、節省空間等優點，已經得到了廣泛應用。當前關于地源熱泵的研究已趨于成熟，但是仍然存在著一些問題尚未解決，比如電力峰谷差價不能有效利用，難以平衡取能和蓄能。水蓄能裝置能夠有效解決上述問題，但是由于各種原因導致其存在一定的應用局限。基于此，本文將地源熱泵和水蓄能結合到一起，形成一種新型復合空調系統，下面對該系統進行研究。

2 地源熱泵和水蓄能的優勢

2.1 地源熱泵

一般來說，熱泵可以分為兩種類型，一種是空氣源熱泵，另一種就是本文所說的地源熱泵。對地源熱泵來說，地熱和水熱是最佳熱源，不僅具有較大的熱容量，而且傳熱性能也非常好，地源熱泵的性能要遠遠優于空氣源熱泵。它的優勢體現在以下幾個方面：（1）污染小。與空氣源熱泵和電供暖相比，地源熱泵的污染物排放量分別減少了38%和70%左右，地源熱泵不存在任何廢物排放問題，屬于綠色空調。（2）節省空間。無附加設備，占地面積小，美化外部形象。（3）便于維護。地源熱泵的運動部件少，因此更便于維護，安裝在室內，免受自然因素破壞，壽命較長。

2.2 水蓄能

水蓄能的優勢有以下幾點：（1）效率高。與一般制冷設備相比，水蓄冷能夠節省10%左右的電力，并且夏季可以蓄冷，冬季可以蓄熱。（2）成本低、電費低。水蓄能具有非常快的響應速度，運行成本低，真正實現了全削峰運行。（3）適用性強。一般的制冷機組就可以應用水蓄能，同時無論是在新建項目還是在改造項目上也都可以應用。

3 地源熱泵水蓄能復合空調系統

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）。

3.2 優勢

由于該系統結合了地源熱泵和水蓄能，因此也兼具了它們各自的優勢，同時也形成了自身的獨特優勢。在運行過程中可以根據較小的負荷選擇熱泵機組，當負荷不足時，則由水蓄能裝置進行制冷（供熱），這樣一來不僅使得裝機容量得以減小，而且造價也大大降低。

該系統減少了低效運行時間，效率大大提高，由于實現了設備的間歇運行，因此在很大程度上減少了設備的損耗。最重要是，該系統實現了對電力峰谷差的有效利用，可行性極高。這樣不僅符合用戶使用需求，同時也符合節能減排的要求。目前這一清潔技術已經得到了政府的重視，成為空調系統研究的熱點。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

天津市某辦公建筑為響應國家節能減排計劃應用了地源熱泵水蓄能復合空調系統。該辦公建筑面積為20000m2，空調夏季冷負荷和冬季熱負荷分別為2065kW和1666kW。

4.2 運行方案

對現場進行考察以及詢問負責人情況后，決定采取以下運行方案：23：00～07：00為低谷時段，此時由地源熱泵向蓄能槽蓄冷（蓄熱）；07：00～11：00為峰值時段，此時由蓄能槽向空調末端供冷（供熱），地源熱泵機組尚不啟用；11：00～18：00為平谷時段，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員工下班，關閉系統。

4.3 設備配置

（1）水源熱泵機組。該方案需要3臺熱泵機組，包括1臺大熱泵機組和2臺小熱泵機組。大熱泵機組由2臺水源熱泵組成，制冷和制熱功率分別為183kW和274kW；小熱泵機組由2臺水源熱泵機組組成，制冷和制熱功率分別為126.9kW和197kW。

（2）蓄能槽。蓄能槽設計以峰值時段為依據，容積為600m?，以串聯方式連接水源熱泵機組，從而實現制冷或供熱。夏季蓄冷溫度和平均出水溫度分別為4℃和12℃，蓄冷總量達到5587kW·h；冬季蓄熱溫度和平均出水溫度分別為50℃和40℃，蓄冷總量達到6983kW·h。

（3）控制系統。通過控制水源熱泵機組、輔助設備和閥門的啟停和調節，實現系統功能的轉換，同時對設備的狀態進行實時監視。

5 結論

低谷時段電價按照0.35元/（kW·h）計，此時啟用大熱泵機組，運行時間為8h；峰值時段電價按照1.50元/（kW·h）計，此時不啟用熱泵機組，單獨啟用蓄能裝置，實現制冷或供熱；平谷時段電價按照0.80元/（kW·h）計算，此時全部機組和裝置啟動，實現制冷或供熱。該建筑制冷期為90天，供暖期為120天。由于篇幅限制在這里不列舉計算過程。據計算結果顯示，在該空調系統下制冷期總電費為28×104，供暖期總電費為56×104，合計為84×104。當污水蓄能裝置運行時，制冷和供暖費用分別為46×104、93×104，合計為139×104。采用該系統共節省電費55×104。由此可見，該系統能夠有效減少高峰用電量，節能效果顯著。

參考文獻

[1]蘇莘博，張林華.地源熱泵水蓄能復合空調系統運行分析[J].山東建筑大學學報，2015，（3）：249-254.

（作者單位：廣西鈞富凰建筑環境技術有限公司）