土壤源熱泵與蓄冷耦合系統(tǒng)的研究分析

曾令文 郭曉琴

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源瓶頸問(wèn)題日益突出。尋找更高效的供暖空調(diào)方式刻不容緩。土壤源熱泵系統(tǒng)自問(wèn)世以來(lái)，以其高效節(jié)能的特點(diǎn)逐漸得到大力發(fā)展。蓄冷系統(tǒng)憑借“削峰填谷”的優(yōu)勢(shì)一直備受青睞。兩系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)存在理論上的互利共存。本文以某實(shí)際工程為例，采用DeST軟件建立建筑模型，模擬全年負(fù)荷特點(diǎn)，并研究分析土壤源熱泵與蓄冷耦合系統(tǒng)特性，得到如下結(jié)論：相比多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約40%。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵蓄冷DeST耦合系統(tǒng)

Research and Analysis of Ground Source Heat Pump and Cold Storage Coupling System

ZENG Lingwen 1 ?GUO Xiaoqin 2

（1.PowerChina Hubei Electric Engineering Co.，.Ltd.， Wuhan，Hubei Province， 430000 China; 2.Wuhan City College， Wuhan，Hubei Province， 430000 China）

Abstract： With the rapid development of social economy， the problem of energy bottleneck becomes increasingly prominent. It is urgent to find more efficient heating and air conditioning system. Since its inception， ground source heat pump system has been vigorously developed with its characteristics of high efficiency and energy saving. With the advantage of "cutting peak and filling valley"， the cold storage system has always been favored. The advantages of two system are complementary. Taking a practical project as an example， this paper use DeST software to set up building model to simulate the annual load characteristics， then study analysis the characteristics of ground source heat pump combined with cool storage air conditioning system. The following conclusions are drawn： compared with multi connected air conditioning system， the annual operation cost of coupling system is reduced by 40%.

Key Words：Ground source heat pump; Cool storage; DeST; Coupling system

眾說(shuō)周知，空調(diào)耗電量約占建筑運(yùn)行能耗50%～60%，且空調(diào)和電力負(fù)荷曲線趨勢(shì)類(lèi)似，這加劇電力供需矛盾。因此，降低空調(diào)能耗是降低建筑能耗的關(guān)鍵，是“削峰填谷”的重要措施。

由于土壤蓄熱性能好，故與空氣源熱泵相比，機(jī)組效率更高，無(wú)需除霜，沒(méi)有結(jié)霜和融霜的能耗損失，系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)行費(fèi)用低。冰蓄冷空調(diào)技術(shù)，是在電力負(fù)荷很低的夜間用電低谷期，采用電動(dòng)制冷機(jī)制冰，用蓄冰設(shè)備將冷量貯存起來(lái)，電力負(fù)荷較高的白天，將貯存的冷量釋放出來(lái)，一方面平衡電網(wǎng);另一方面利用峰谷電價(jià)差，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用[1-2]。

王建華等人對(duì)目前復(fù)合系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出相應(yīng)解決措施[3];周瑞芳等人結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)地源熱泵聯(lián)合蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析[4];褚賽等人以某工程為例，分析了復(fù)合系統(tǒng)的運(yùn)行策略[5];王俊等人分析了分布式能源高效應(yīng)用的途徑[6];陳明彪從能效和經(jīng)濟(jì)性2個(gè)方面對(duì)跨季節(jié)蓄冷技術(shù)進(jìn)行了分析[7]。

本文將以實(shí)際工程為例，利用DeST軟件分析負(fù)荷特征，并配置土壤源熱泵與蓄冷耦合系統(tǒng)，探討耦合系統(tǒng)運(yùn)行模式，與多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較，得出該耦合系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用約節(jié)約40%。

1 負(fù)荷模擬

本文以武漢某建筑部分區(qū)域?yàn)槔肈eST軟件對(duì)其全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬，分析該建筑負(fù)荷特征。

本建筑物為辦公性質(zhì)。辦公時(shí)間為：工作日8：00-17：00。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的方法，擬定制熱季為：12月1日～3月5日，空調(diào)季為：6月1日～9月25日。由此通過(guò)軟件模擬得到該區(qū)域全年動(dòng)態(tài)冷熱負(fù)荷，如圖1所示（0軸上為熱負(fù)荷，0軸下為冷負(fù)荷）：

由圖1可以看出，冷負(fù)荷最大值為104.87kW，熱負(fù)荷的最大值為78.98kW。

2 系統(tǒng)配置

結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，采用土壤源熱泵+蓄冷耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供冷供熱。

由于建筑負(fù)荷較小，壓縮機(jī)為渦旋式，因此蓄冷系統(tǒng)形式采用水蓄冷，蓄冷槽采用溫度分層型，水箱體積為57m3。機(jī)組夏季COP約為5.3，制冷量為76.5kW，因此得到地源熱泵排至土壤中的熱量為91kW。本項(xiàng)目地埋管側(cè)的鉆井深度設(shè)計(jì)為100m，埋管形式為雙U，鉆井單位換熱量為55W/m，并考慮鉆井?dāng)?shù)量10%～20%的附加量，故所需的鉆井?dāng)?shù)量為20口。

3 系統(tǒng)運(yùn)行策略

項(xiàng)目所在地的谷時(shí)電價(jià)時(shí)段為23：00-2：00。下面以100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷、75%設(shè)計(jì)日負(fù)荷、50%設(shè)計(jì)日負(fù)荷、25%設(shè)計(jì)日負(fù)荷四種控制策略模型為例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分別說(shuō)明。

該工況下，機(jī)組利用晚上23：00～2：00時(shí)段為水槽蓄冷凍水。白天8：00～17：00，地源熱泵機(jī)組與水蓄冷系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。地源熱泵機(jī)組始終處于額定工況下運(yùn)行，效率較高。其余冷負(fù)荷由蓄冷槽提供。

該工況下，機(jī)組利用晚上23：00～2：00時(shí)段為貯水槽蓄冷凍水。白天8、9、10、17點(diǎn)時(shí)段的冷負(fù)荷由水蓄冷槽提供，其余時(shí)段冷負(fù)荷較高，由地源熱泵機(jī)組單獨(dú)或聯(lián)合供應(yīng)，保證機(jī)組高效運(yùn)行。

該工況下，機(jī)組利用晚上23：00～2：00時(shí)段為貯水槽蓄冷凍水。白天14點(diǎn)時(shí)段冷負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組提供，其余時(shí)段冷負(fù)荷完全由蓄冷槽提供。

該工況下，機(jī)組利用晚上23：00～ 01：00時(shí)段為貯水槽蓄冷凍水。白天的冷負(fù)荷完全由水蓄冷槽提供，地源熱泵機(jī)組無(wú)需工作。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

項(xiàng)目原方案為多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組，故本節(jié)將與該系統(tǒng)進(jìn)行比較。首先統(tǒng)計(jì)建筑100%、75%、50%和25%這四種負(fù)荷率下的運(yùn)行天數(shù)，如表1所示：

此外，土壤源熱泵+水蓄冷耦合系統(tǒng)的輸送能耗按單臺(tái)水泵2.2kW計(jì)，兩種系統(tǒng)夏季、冬季運(yùn)行費(fèi)分別如如表2和表3所示。

由表2和表3可知，土壤源熱泵+水蓄冷耦合系統(tǒng)全年運(yùn)行電費(fèi)為21489.53元，多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組全年運(yùn)行電費(fèi)為35576.65元，因此前者較后者節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約40%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于土壤源熱泵+蓄冷耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，宜根據(jù)建筑熱負(fù)荷選擇熱泵機(jī)組，再根據(jù)冷負(fù)荷分布和階梯電價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)行策略;

（2）由于耦合系統(tǒng)用用了蓄冷技術(shù)，不但減少了熱泵機(jī)組裝機(jī)容量，還減少了地埋管的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，一定程度上降低了土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資;

（3）與多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)相比，耦合系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約40%。

參考文獻(xiàn)

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