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(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行原理及優(yōu)勢。結(jié)合工程實(shí)例，探討了地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方案、設(shè)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(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行原理及優(yōu)勢。結(jié)合工程實(shí)例，探討了地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方案、設(shè)備配置和節(jié)能分析。

關(guān)鍵詞：地源熱泵  水蓄能  蓄能槽  復(fù)合空調(diào)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(dú)特的優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用。如今地源熱泵的研究已經(jīng)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(jià)的問題^[1]。水蓄能裝置可以有效利用電力的峰谷差價(jià)，但其應(yīng)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(shù)相結(jié)合，形成地源熱泵一水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，本文對該系統(tǒng)進(jìn)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(jù)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同分為空氣源熱泵和地源熱泵。地源熱泵中水和地?zé)崾莾?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(dú)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(diào)。

②維護(hù)簡單

運(yùn)動(dòng)部件比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少了維護(hù)工作量。系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，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(shè)備，節(jié)省了占地面積，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了外部形象。

④運(yùn)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(yùn)行效率要高出20％～60％。

2．2　水蓄能

蓄能按蓄能介質(zhì)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(jī)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(diào)33％左右。蓄能槽可實(shí)現(xiàn)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(jià)、運(yùn)行電費(fèi)比較低

水蓄能運(yùn)行成本低，響應(yīng)速度快。冰蓄冷造價(jià)比水蓄冷高很多，目前國內(nèi)運(yùn)行的冰蓄冷系統(tǒng)基本都采用約l／3削峰運(yùn)行(即高峰用電時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的1／3由蓄能裝置負(fù)擔(dān))，如不采用削峰運(yùn)行，將大量增加工程造價(jià)。而水蓄冷系統(tǒng)可以全削峰運(yùn)行。

③適用性強(qiáng)

水蓄能可以使用常規(guī)制冷機(jī)組，適用于常規(guī)供冷系統(tǒng)的擴(kuò)容和改造。水蓄能可以用于新建項(xiàng)目和改造項(xiàng)目。對于改造項(xiàng)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(xiàng)目。

3　地源熱泵一水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)

3．1　運(yùn)行原理

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

 

①負(fù)荷較大時(shí)

a．負(fù)荷只由熱泵機(jī)組單獨(dú)負(fù)擔(dān)：閥門Ml、Cl、C3、C8開啟，其余閥門關(guān)閉?？照{(diào)回水經(jīng)閥門Ml、Cl、C8進(jìn)熱泵機(jī)組被冷卻(加熱)后，經(jīng)閥門C3供給用戶使用。

b．負(fù)荷由熱泵機(jī)組和水蓄能裝置聯(lián)合負(fù)擔(dān)：

提供熱負(fù)荷：閥門C1、C3、C5、C6、C8開啟，Ml、M2調(diào)節(jié)流量，C2、C4、C7關(guān)閉。空調(diào)回水一部分經(jīng)M2、C6進(jìn)入蓄能槽被加熱，之后經(jīng)C5與通過Ml的部分回水相匯，通過Cl、C8進(jìn)熱泵機(jī)組再次被加熱，經(jīng)閥門C3后供給用戶使用。

提供冷負(fù)荷：閥門C2、C3、C5、C6、C8開啟，M1、M2調(diào)節(jié)流量，Cl、C4、C7關(guān)閉。空調(diào)回水一部分經(jīng)Ml、C5進(jìn)入蓄能槽被冷卻，之后經(jīng)C6與通過M2的部分回水相匯，通過C2、C8進(jìn)熱泵機(jī)組再次被冷卻，經(jīng)閥門C3后供給用戶使用。

②負(fù)荷較小時(shí)

負(fù)荷只由水蓄能裝置單獨(dú)負(fù)擔(dān)。

提供熱負(fù)荷：閥門Cl、C3、C5、C6、C7開啟，M1、M2調(diào)節(jié)流量，C2、C4、C8關(guān)閉?？照{(diào)回水經(jīng)閥門M2、C6進(jìn)入蓄能槽被加熱后，經(jīng)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(fù)荷：閥門C2、C3、C5、C6、C7開啟，M1、M2調(diào)節(jié)流量，Cl、C4、C8關(guān)閉?？照{(diào)回水經(jīng)閥門Ml、C5進(jìn)入蓄能槽被冷卻后，經(jīng)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(shí)：閥門Ml、C2、C4、C5、C6、C8開啟，Cl、C3、C7、M2關(guān)閉。熱泵機(jī)組提供的50℃熱水經(jīng)閥門C4、Ml、C5后進(jìn)入蓄能槽放熱，水溫降低，之后經(jīng)閥門C6、C2、C8回到熱泵機(jī)組中加熱。

為蓄能槽蓄冷時(shí)：閥門M2、Cl、C4、C5、C6、C8開啟，C2、C3、C7、Ml關(guān)閉。熱泵機(jī)組提供的4℃冷水經(jīng)閥門C4、M2、C6后進(jìn)入蓄能槽放冷，水溫升高，之后經(jīng)閥門C5、Cl、C8回到熱泵機(jī)組中冷卻。

3．2　優(yōu)勢

地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)不僅有地源熱泵和水蓄能的優(yōu)點(diǎn)，還有其獨(dú)特的優(yōu)勢。結(jié)合水蓄能技術(shù)，可以根據(jù)冷、熱負(fù)荷中的較小者選擇熱泵機(jī)組，不足負(fù)荷由水蓄能裝置承擔(dān)。這能大大減小系統(tǒng)的裝機(jī)容量，降低造價(jià)。

地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)不僅能減少熱泵機(jī)組低效運(yùn)行的時(shí)間，提高效率，實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行，減少磨損消耗，延長熱泵機(jī)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(jīng)濟(jì)性和可行性。這樣不僅符合消費(fèi)者節(jié)約能源、降低消費(fèi)的經(jīng)濟(jì)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(xiàng)技術(shù)成為今后空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。

4　工程應(yīng)用實(shí)例

4．1　工程概況

地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)在某公共客運(yùn)站建筑中得到了應(yīng)用，其建筑面積為20000m²，空調(diào)夏季冷負(fù)荷為2065kW，冬季熱負(fù)荷為1666kW。

4．2　運(yùn)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(shí)段(23：00—次日07：00)，利用地源熱泵向蓄能槽蓄冷(蓄熱)；峰值時(shí)段(07：00—11：00)，僅由蓄能槽向空調(diào)末端供冷(供熱)，此時(shí)不開啟地源熱泵機(jī)組；平谷時(shí)段(11：00—18：00)，由地源熱泵機(jī)組和蓄能槽聯(lián)合向空調(diào)末端供冷(供熱)；18：00—23：00，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

4．3　設(shè)備配置

①水源熱泵機(jī)組

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

②蓄能槽

按照峰值時(shí)段完全消峰的蓄能原則設(shè)計(jì)蓄能槽，容積為600m³，與水源熱泵機(jī)組以串聯(lián)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(jī)組、輔助設(shè)備和閥門的啟停和調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種工況的轉(zhuǎn)換，并監(jiān)視系統(tǒng)各設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

4．4　經(jīng)濟(jì)性分析

①地源熱泵一水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)

低谷時(shí)段(23：00—次日07：00)電價(jià)為0.35元(kW·h)，開啟1臺(tái)大熱泵機(jī)組，以蓄冷(熱)工況運(yùn)行8h；峰值時(shí)段(07：00—11：00)電價(jià)為1.50元／(kW·h)，由蓄能裝置單獨(dú)為空調(diào)末端供冷(熱)，熱泵機(jī)組不啟動(dòng)；平谷時(shí)段(11：00—18：00)電價(jià)為0.80元／(kW·h)，由3臺(tái)熱泵機(jī)組和蓄能裝置聯(lián)合為空調(diào)末端供冷(熱)。供暖期為120d，供冷期為90d。

地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行電費(fèi)計(jì)算公式見式(1)、(2)。式(1)中的下標(biāo)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(shí)段，k表示熱泵機(jī)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(shè)備在每天第j時(shí)段的耗電量，kW·h／d

Pik——i期間第k種設(shè)備的功率，kW

tjk——第k種設(shè)備在每天第j時(shí)段的運(yùn)行時(shí)間，h／d

njk——在第j時(shí)段運(yùn)行的相同功率的第k種設(shè)備的數(shù)量

Yi——i期間的運(yùn)行電費(fèi)，元

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

y1、y2、y3——低谷、平谷、峰值時(shí)段的電價(jià)，元／(kW·h)

ti——i期間的運(yùn)行時(shí)間，d

根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算得地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行電費(fèi)，見表1。

 

②無水蓄能裝置時(shí)的運(yùn)行電費(fèi)

當(dāng)無水蓄能裝置時(shí)，地源熱泵機(jī)組只在峰值和平谷時(shí)段運(yùn)行，每天運(yùn)行時(shí)間為11h。按式(1)、(2)計(jì)算無水蓄能裝置時(shí)的運(yùn)行電費(fèi)，結(jié)果見表2。

 

③年運(yùn)行電費(fèi)比較

通過以上計(jì)算可知，無水蓄能裝置時(shí)的系統(tǒng)年運(yùn)行電費(fèi)為139×10⁴元，地源熱泵—水蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的年運(yùn)行電費(fèi)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(wǎng)峰谷差，節(jié)能效果顯著。

 

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：張君美  劉偉  于芳  宋曉帆

作者單位：天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院

  天津城建大學(xué)