某辦公建筑冷熱源系統節能設計

高峰 ，黃世山 ，何官送 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

冷熱源作為暖通空調系統重要組成部分，其設計合理與否直接影響暖通空調系統的使用效果、運行等經濟性等問題[1]。地源熱泵技術是可再生能源利用的重要技術措施之一，具有清潔、高效、節能的特點。而蓄冷、蓄熱空調系統，依據當地電價政策進行錯峰運行，可實現用電負荷的“移峰填谷”，有利于社會的資源優化配置，并能顯著降低用戶的空調運行費用[2]。

本項目根據建筑物冷熱負荷特點和當地能源狀況，集中應用了地源熱泵、冰蓄冷空調、水蓄熱系統。將蓄冷、蓄熱與地源熱泵技術相互結合運用在辦公樓的冷熱源設計中，力求通過最優的方案達到節能、高效運行的目的，設計中著重對復雜系統運行策略的分析，保證系統節能性的體現。

1 工程概況

本項目地址位于安徽省池州市，為辦公建筑，地上25層，地下1層，建筑高度為92.1 m，建筑面積為31996 m2。負一層為地下車庫及設備用房，一層為業務大廳，二、三層為檔案間、報告廳、餐廳等，四至二十五層為辦公樓。當地無市政熱源，當地供電公司有蓄能電價，采用蓄能措施擁有價格優勢。

經現場熱響應試驗，室外地質條件利于換熱。但室外場地有限，可埋管區域較小，打孔深度僅能達到85 m左右。完全采用地源熱泵系統，無法滿足項目制冷量需求，需要增加制冷系統補充不足制冷量。當地給予蓄冷電價，需滿足“蓄冷量不低于總用冷量60%”的設計要求。本工程夏季空調計算冷負荷為2317kW，熱負荷1445kW。大樓除值班室及數據機房外無常規夜間負荷，員工加班的負荷按計算負荷的20%考慮。值班室采用分體空調，數據機房采用機房專用空調，檔案間、票據室采用變頻多聯空調系統。

2 可行性分析及選型

2.1 地源熱泵與蓄冷、蓄熱系統聯合應用的可行性

地源熱泵系統可實現冷暖兩供，但在冬夏季供冷、供熱量相差較大區域，容易產生土壤冷熱堆積，即地溫不平衡的問題；隨著運行時間的增加，有可能使地溫不平衡的問題加重，如果不采取任何措施來改善這種情況，則終將導致土壤源熱泵機組的癱瘓乃至失效[3]。冰蓄冷、蓄熱空調系統具有削峰填谷、平衡電力負荷、利用夜間低溫環境等優點，但也具有初投資高、系統復雜、運維要求高等缺點。

設計時，地源熱泵系統在冬季作為高效能源，優先使用，滿足大樓日間及夜間機載負荷的供暖要求，日間不足部分采用夜間蓄熱量供給，采用此方案冬季供暖節約高效。夏季優先使用經濟性最好的蓄冷系統，不足部分采用地源熱泵及雙工況制冷機組聯合供給，可有效解決地源熱泵冬夏季不平衡問題，避免地下溫度場的“熱堆積”現象發生。

2.2 冷熱源選擇

冷熱源系統設計中，根據室外場地埋管量確定地源熱泵機組容量，選取制冷量為450 kW螺桿式地源熱泵機組。按總用冷量的60%蓄冷要求，選取雙工況制冷機組，雙工況螺桿式制冷機組制冰工況冷量為1213 kW，制冷工況冷量為1871 kW。蓄冷裝置蓄冷量為10900 kW·h，蓄冰容量為230 m3。冬季電熱鍋爐供熱量為450 kW，蓄熱水槽蓄熱量3760 kW·h，有效容量 80 m3。

本工程空調水管路為兩管制閉式循環、一次泵變流量系統。空調冷凍水設計參數為：地源熱泵供回水溫度為7℃/12℃，地源側供回水溫度為30℃/35℃。蓄冷系統供回水溫度：6℃/12℃，供水溫度可調。空調熱水設計參數為：地源熱泵供回水溫度為45℃/40℃，地源側供回水溫度為10℃/5℃；蓄熱溫度為95℃，蓄熱系統供回水溫度：50℃/40℃。

3 設計方案及運行策略

3.1 設計方案

在夏季工況時，地源熱泵系統蒸發器側與蓄冰裝置換熱器、雙工況制冷機組并聯運行；在冬季工況時，地源熱泵系統冷凝器側與蓄熱裝置換熱器并聯運行；實現聯合供冷供暖。系統流程圖如下圖所示。

3.2 冷熱源系統運行策略

在地源熱泵與蓄冷、蓄熱聯合運行系統中存在著多種運行工況的轉換，比一般冷熱源系統都要復雜[4]。系統設計采用電動閥門切換，可實現多種運行模式。夏季時采用蓄冰槽融冰優先的運行策略，在用電低谷時段（夜間）：機載機（地源熱泵機組）單獨供冷、雙工況制冷機組蓄冷；在用電高峰時段（白天）：蓄冷裝置換熱器單獨供冷優先，不足時，蓄冷裝置換熱器與地源熱泵系統、雙工況制冷機組聯合供冷。冬季時采用地源熱泵供熱優先的策略，夜間：電熱鍋爐按需蓄熱；日間：地源熱泵系統單獨供熱優先，不足時，地源熱泵系統與蓄熱裝置換熱器聯合供熱。

3.2.1 夏季設計工況日運行策略

冷熱源系統設計流程圖

設計工況日是夏天最熱的時候，夜間用電低谷時段（22:00～8:00）雙工況制冷機組采用制冰模式，蓄冷量為10900kW·h。夜間地源熱泵機組作為基載主機運行，承擔夜間負荷。日間（8:00～19:00），這段時間是用冷高峰期，蓄冷裝置換熱器與雙工況制冷機組聯合供冷，優先使用蓄冰冷量。（20:00～22:00）時間段為夜間負荷，地源熱泵機組單獨供冷。

3.2.2 夏季非設計工況日運行策略

隨室外空氣溫度變化，日冷負荷減小。以節省運行電費為目標，按照蓄冰裝置優先供冷的原則運行。當空調負荷降到設計負荷的80%時，系統依然在夜間用電低谷時段滿負荷制冰，日間采用蓄冷裝置換熱器與地源熱泵機組聯合供冷。當空調負荷降到設計日的60%時，日間負荷可全部由融冰滿足。另需依據上一年度冬季地源熱泵供暖總量計算夏季地源熱泵供冷量，保證冬夏季冷熱量平衡。

3.2.3 冬季運行策略

冬季設計工況日時，夜間用電低谷時段（22:00～8:00）蓄熱鍋爐滿負荷運行，日間采用地源熱泵與蓄熱裝置換熱器聯合供暖。非設計工況日時，根據第二日負荷預測情況，按需蓄熱，日間依然采用地源熱泵與蓄熱裝置換熱器聯合供暖。當熱負荷降至450 kW時，采用地源熱泵單獨供暖。并適時檢查室外溫度變化，及時調整運行方案。

4 結語

蓄能和地源熱泵技術作為兩種獨立空調技術，雖有各自的優點，但也有一定局限性。因此，將地源熱泵與蓄能技術結合起來，不僅利用了地源熱泵高效率、低污染的優點，而且還利用蓄能技術削峰填谷的作用，降低了運行費用，同時也解決了地源熱泵因冬夏季取熱量、排熱量不同對地溫造成的影響[5]。但由于系統復雜，對自控及運維人員的管理要求高，需要注重運行階段的調試。目前，該項目已完工，正在運行調試中。