大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用研究

中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 趙 磊 肖 武

1 項目概況

該項目位于江蘇省無錫市，總建筑面積為17萬m2，其中地上11萬m2，地下6萬m2。項目建筑功能多樣，包括科研、辦公、實驗、食堂、會議等多種功能，地下部分為車庫。項目總冷、熱負荷分別為12 299、5 050 kW，全日累計冷、熱負荷分別為138 500、50 150 kW·h。夏季及冬季典型日冷熱負荷分布見圖1。

圖1 夏季、冬季設(shè)計日供冷、供熱負荷分布

該項目用能集中在白天，夜間基本無空調(diào)負荷。總配電容量過高會帶來配電站建設(shè)成本大增，建設(shè)方要求整個新區(qū)總配電容量不超過12 000 kV·A，所以必須嚴格控制空調(diào)系統(tǒng)配電容量。如采用蓄能系統(tǒng)，則項目電價執(zhí)行無錫地區(qū)電熱鍋爐(蓄冰制冷)峰谷分時電價(峰時電價為0.860 1元/(kW·h)，谷時電價為0.386 7元/(kW·h))。

2 空調(diào)冷熱源方案的選擇與確定

2.1 方案確定總體原則

基于該項目的功能特點及國家政策相關(guān)要求，在設(shè)計冷熱源時要滿足下列要求：1) 保證供冷、供熱安全；2) 充分利用可再生能源；3) 系統(tǒng)投資、運行經(jīng)濟合理；4) 降低能源消耗，減少碳排放；5) 盡量降低配電總?cè)萘浚档陀秒娦枨蟆?/p>

2.2 項目可用資源分析

1) 市政電力接入，電力充足，執(zhí)行峰谷電價。

2) 淺層地?zé)崮苜Y源。

經(jīng)勘查，地塊內(nèi)地下土壤地埋孔可鉆性較好，鉆孔成本較低，且經(jīng)過熱物性測試，地下?lián)Q熱較好，冬季取熱、夏季排熱能力較強，土壤導(dǎo)熱性能較好，較適宜利用淺層地?zé)崮堋?/p>

地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗報告有關(guān)測試孔的熱物性數(shù)據(jù)見表1。

表1 地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗熱物性數(shù)據(jù)

2.3 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，地源熱泵適用于該項目。另外，項目所在地有峰谷電價政策，采用蓄冷系統(tǒng)節(jié)費潛力較大，因此，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源選擇大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)。由于該項目采用機組制冷與融冰供冷的聯(lián)合供冷方式，且機組制冷所占比例大，因此機組制冷時蒸發(fā)溫度不宜過低，否則冷水機組效率會降低[1]。考慮到溫差過大會造成末端盤管造價增加，夏季冷水供/回水溫度取5 ℃/13 ℃，冬季熱水供/回水溫度取45 ℃/37 ℃。

根據(jù)項目特點、占地面積、機房位置規(guī)劃、地埋管換熱器冷熱平衡需求等因素，地埋管為550孔，孔深130 m。地埋管換熱器采用雙U形管，梅花狀布置，相鄰鉆孔間距為5 m；孔內(nèi)采用De32×3 mm HDPE管，承壓1.6 MPa。一般系統(tǒng)通常是冰蓄冷、水蓄熱分別設(shè)置，需要2套設(shè)備，該項目采用冰蓄冷、水蓄熱于一體的復(fù)合式蓄能系統(tǒng)，同一設(shè)備實現(xiàn)冬夏兩季蓄能，蓄能效率大幅度提高，節(jié)省冷熱源系統(tǒng)運行費用，還可以節(jié)省蓄能設(shè)備占用空間。

該項目全日冷負荷為138 500 kW·h，采用部分負荷均衡蓄冷，全日蓄冷量為35 160 kW·h，蓄冰率為25.4%，則制冷機組標定制冷量為6 595 kW。該項目全日熱負荷為50 150 kW·h，采用部分負荷均衡蓄熱，全日蓄熱量為19 000 kW·h，蓄熱率為37.9%，則熱泵機組標定制熱量為2 510 kW。主要設(shè)備配置及參數(shù)見表2。

表2 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備

3 系統(tǒng)運行策略

3.1 夏季制冷

夏季典型日蓄、放冷量分布如圖2所示，其中00:00—08:00為蓄冷時段，08:00—22:00為釋冷時段，總的蓄、放冷量基本持平。蓄冷系統(tǒng)按冰蓄冷和水蓄冷2種蓄冷模式運行。其中冰蓄冷模式主要用于夏季中期負荷較大時段，此時以雙工況冷水機組蓄冰供冷為主、地源熱泵供冷為輔；水蓄冷模式主要用于初夏、夏末負荷較小時段，此時以地源熱泵供冷為主。2種模式具體運行策略如下：

圖2 夏季典型日制冷負荷平衡圖

1) 冰蓄冷系統(tǒng)控制。

① 冰蓄冷系統(tǒng)參與運行的設(shè)備有雙工況冷水機組、乙二醇泵、冷卻水泵、制冷機循環(huán)水泵、冷卻塔。

② 冰蓄冷運行模式包括夜間蓄冰、夜間蓄冰+供冷、白天蓄冰內(nèi)融冰、外融冰放冷、水冰放冷+雙工況供冷、蓄冰放冷+雙工況+熱泵供冷。

③ 夜間利用雙工況冷水機組蓄冰，蓄冷停機溫度為-6 ℃。

④ 夏季供冷系統(tǒng)設(shè)計供/回水溫度為5 ℃/13 ℃。

⑤ 日間系統(tǒng)運行采用優(yōu)化控制方式，均衡分配冷源供給，根據(jù)末端負荷、電價政策合理確定冷水機組、熱泵機組、蓄冷系統(tǒng)的供冷比例。

⑥ 蓄冷系統(tǒng)放冷優(yōu)先采用內(nèi)融冰放冷模式。

⑦ 根據(jù)回水溫度確定需要優(yōu)先開啟的冷源，停機順序與開啟順序相反，逐個冷源按負荷情況(回水溫度)逐漸停機。逐個冷源的投入運行和停止運行的溫度偏差分別為0.5 ℃和-0.5 ℃，允許溫度偏差的時間為20 min。

⑧ 蓄冷時，系統(tǒng)可根據(jù)室外氣候條件自動切換冷卻塔或者地埋管進行散熱，以保證系統(tǒng)整體運行能效比最高。

2) 水蓄冷系統(tǒng)控制。

① 水蓄冷系統(tǒng)參與運行的設(shè)備有熱泵機組、蓄能泵、放能泵、地源熱泵系統(tǒng)水泵、蓄能空調(diào)泵。

② 水蓄冷運行模式包括夜間熱泵水蓄冷、水蓄冷放冷、熱泵單獨供冷、水蓄冷供冷+熱泵+制冷機供冷。

③ 夜間蓄冷，利用熱泵機組蓄冷，開始蓄冷溫度為12 ℃，蓄冷停機溫度為4 ℃。

④ 白天系統(tǒng)運行采用優(yōu)化控制方式，均衡分配冷源供給，根據(jù)末端負荷、電價政策合理確定熱泵機組、蓄冷系統(tǒng)的供冷比例。

3.2 冬季供熱

冬季典型日蓄熱量和釋熱量分布如圖3所示，其中00:00—08:00為蓄熱時段，08:00—22:00為釋熱時段，總的蓄熱量和釋熱量基本持平。冬季供熱水蓄熱系統(tǒng)控制如下：

圖3 冬季典型日供暖負荷平衡圖

1) 水蓄熱系統(tǒng)參與運行的設(shè)備有熱泵機組、蓄能泵、放能泵、地源熱泵系統(tǒng)水泵、蓄能空調(diào)泵。

2) 水蓄熱運行模式包括夜間熱泵水蓄熱+放熱、水蓄熱放熱、熱泵單獨供熱、水蓄熱供熱+熱泵供熱。

3) 夜間利用熱泵機組蓄熱，開始蓄熱溫度為38 ℃，蓄熱停機溫度為46 ℃。

4) 冬季供熱系統(tǒng)設(shè)計供/回水溫度為45 ℃/37 ℃。

5) 白天系統(tǒng)運行采用優(yōu)化控制方式，均衡分配熱源供給，根據(jù)末端負荷、電價政策合理確定熱泵機組、蓄熱系統(tǒng)的供熱比例。

6) 根據(jù)回水溫度確定需要優(yōu)先開啟的熱源，停機順序與開啟順序相反，逐個熱源按負荷情況(回水溫度)逐漸停止。逐個熱源的投入運行和停止運行的溫度偏差分別為-0.5 ℃和0.5 ℃，允許溫度偏差的時間為20 min。

4 運行費用及地埋管熱平衡計算

4.1 夏季制冷運行費用

該項目夏季制冷時間從5月5日至10月15日，共計162 d，空調(diào)冷源運行費用如表3所示。

表3 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷運行費用

根據(jù)表3計算得到該項目夏季制冷費用指標為27.63元/m2。

4.2 冬季供暖運行費用

項目供暖時間從11月25日至次年3月5日，共計100 d，空調(diào)熱源運行費用如表4所示。

表4 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖運行費用

根據(jù)表4計算得到該項目冬季供暖費用指標為6.76元/m2。

4.3 地埋管熱平衡計算

采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，需要考慮冬夏土壤是否熱平衡，土壤熱平衡問題已經(jīng)成為制約其科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。對該項目地埋管換熱系統(tǒng)進行了1 a的取熱、放熱量計算，在計算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量與總吸熱量分別為3 011 512、3 335 249 kW·h。

為了解決冬夏熱量失衡的問題，該項目雙工況離心式冷水機組配套設(shè)置了冷卻塔，機組運行時開啟冷卻塔滿足其使用。經(jīng)計算，該項目地埋管地源熱泵系統(tǒng)冷熱負荷的不平衡率為11%，可行。

5 結(jié)論

1) 對系統(tǒng)運行費用及地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱平衡計算結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)適用于該項目。

2) 采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，可以移峰填谷，均衡電網(wǎng)負荷，提高電力建設(shè)投資效益及為用戶節(jié)省空調(diào)運行費用。

3) 該項目采用的冰蓄冷、水蓄熱一體復(fù)合式蓄能系統(tǒng)可實現(xiàn)冬夏兩季蓄能，蓄能效率大幅度提高，節(jié)省冷熱源系統(tǒng)運行費用，還可以減少蓄能設(shè)備占用空間。

4) 該項目地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬夏熱不平衡率為11%，無需采取其他輔助措施。

5) 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)方案的制定充分考慮了項目的負荷特點，根據(jù)不同的負荷情況采取了相對應(yīng)的運行策略，運行后會給使用方帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。