蓄能式地源热泵系统的应用

赵艳玲,张 丽

(1.河北省建筑材料工业设计研究院，石家庄 050051;2.北京华清荣益地能科技开发有限公司，北京 100176)

蓄能式地源热泵系统的应用

赵艳玲1,张 丽2

(1.河北省建筑材料工业设计研究院，石家庄 050051;
2.北京华清荣益地能科技开发有限公司，北京 100176)

以北京某信息港项目为例，通过对蓄能式地源热泵系统设计思路、系统能耗分析及运行费用测算，并对比常规能源系统方案，反映出蓄能式系统能明显减少空调冷机的装机容量和运行电费，取得可观的经济效益。

地源热泵系统； 蓄能系统； 削峰填谷； 大温差； 节能环保

工程位于北京市昌平新城沙河组团西北部地区中关村国家工程技术创新基地。建设内容包括四栋办公楼，一栋配套综合楼(含值班宿舍、会议、服务设施等)，一栋公共配套楼(主要为餐厅、泳池等附属用房)。

计算总建筑面积244 800 m2；冬季空调热负荷19 171 kW；夏季空调冷负荷23 890 kW。生活热水负荷403.5 kW；泳池加热负荷308.8 kW。

1 设计思路

1.1 能源及地质条件分析

目前该地区可利用的能源有天然气、电。天然气管道已接入本区，冬季可采用燃气锅炉供热；电力可保证供应，电价已执行峰谷分时销售电价，夏季可采用冷水机组供冷，或利用热泵技术(水源或土壤源热泵)冬季供热、夏季供冷。

通过临近工区换热测试孔钻井记录，确定本区地层150 m内岩性颗粒较细，回灌困难，不适宜采用水源热泵，宜采用地源热泵。

天然气价格：2.28元/Nm3；调查电价见表1。

表1 电力销售价格表

1.2 设计思路及蓄能系统优势分析

根据本工程建筑功能确定末端采用风机盘管空调系统，水系统采用7 ℃温差输送,2管制；生活热水设循环管。

夏季建筑物空调冷负荷逐时变化数值较大，供暖季初期及末期热负荷较低，这都造成空调系统主机配置的困难，机组按满足最大负荷配置会长期运行在部分负荷区间，低负荷运行机组会频繁启停，甚至无法开机，运行效率低，不利于机组的运行维护。

蓄能系统所具有的调蓄功能，可使机组一直处在满负荷运行的状态，将多余的冷(热)量储存起来，负荷高峰时段由机组和蓄能系统联合供冷、供热，低负荷时机组通过蓄能系统分时间段启动，满负荷运行，有效地避免了低负荷运转工况，保证机组运行稳定；大幅度提高运行效率，减少电耗。蓄能系统虽然初投资有所增加，但可以充分利用峰谷电价差，大大节省运行费用。本工程供热、供冷宜采用水蓄能式地源热泵系统。根据项目实际情况及能源分析，拟对蓄能式地源热泵系统方案和常规能源系统方案进行比较。

2 系统方案设计比较

2.1 蓄能式地源热泵系统方案

2.1.1 设备配置分析

地源热泵系统主机按夏季冷负荷的70%配置。共配置7台2 400 kW的地源热泵机组，其中3台蓄能机组，4台普通机组。生活热水配置2台660 kW热泵机组，一台制取生活热水，一台用于泳池加热。

2.1.2 能源站耗电容量分析

表2 蓄能式地源热泵系统配电容量表

2.1.3 地埋换热管系统设计

2.1.3.1 冬夏季地下换热孔数的计算

热泵机组土壤源侧温度参数冬季为8/4 ℃；夏季为30/35 ℃。根据地勘工区地层单位钻孔换热量，夏季为65 W/m，冬季为38 W/m，孔深为130 m。最大建筑热负荷为19 171 kW，冷负荷为23 890 kW，热泵机组运行模式如下：夏季日间，7台地源热泵结合蓄能槽为建筑提供冷负荷；夏季夜间，2台热泵机组供冷，三台热泵机组蓄能；冬季日间，6台地源热泵结合蓄能槽为建筑提供热负荷；冬季夜间，2台热泵机组提供基载热负荷，3台热泵机组蓄能。

可见夏季日间和冬季日间地下换热孔负荷较大，需分别核算地埋孔数。

夏季日间：7台地源热泵机组运转，满负荷运行时需向土壤释放的最大热量为19 885.6 kW，所需地埋换热管的最大延长米为19 885.6×1 000/65=305 932.3 m，换热孔数量为305 932.3/130=2 354个。

冬季日间：6台地源热泵机组运转，满负荷运行时需从土壤提取的最大热量为10 932.6 kW，所需地埋换热管的最大延长米为10 932.6×1 000/38=287 700 m，换热孔数量为287 700/130=2 213个；

确定本工程按夏季日间匹配，共钻凿换热孔2 354个，孔口位于地面以下1.6 m左右,钻孔完成后不会对地面使用造成任何影响。

2.1.3.2 地埋孔间距确认

合理确定钻孔间距，是地源热泵系统换热器能否可靠运行的关键之一。间距过大占用面积过多；过小则换热管间的热影响就越大，对换热越不利。采用先进的流体分析软件，对不同间距的换热管间的热影响进行模拟，得出结果如图1所示。

可见在钻孔间距达到 4～6 m以后，钻孔间距的增加对地埋管换热器总长度的影响基本没有变化，故钻孔间距在4～6 m 较为合理，设计取5×5 m。

2.1.4 土壤热平衡分析

根据储量法计算浅层岩土体静热储，并评价系统年度运行条件下冷热负荷与静热储之间的均衡关系。考虑生活热水热泵机组及工区建筑平面布置情况，本项目在建筑物周围共钻凿换热孔2 439个，实际占地面积为60 975 m2，地质体厚度按150 m计算，则

Qr=C×A×d(tr-t0)

式中，Qr为地质体中储存的热量，J；A为计算区面积，m2；d为地质体厚度，m；tr为地质体温度，℃；t0为计算基础温度，℃；C为地质体岩石和流体的平均比热容，J/(m3·℃)；(包气带C=ρrCr(1-φ)+ρgCgφ；饱水带C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ；其中ρr为热储岩土密度，kg/m3；Cr为热储岩土比热容，J/(kg·℃)；ρg为空气密度，kg/m3；Cg为空气比热容，J/(kg·℃)；ρw为水密度，kg/m3；Cw为水比热容，J/(kg·℃)；φ为岩石孔隙度)

表3 包气带参数(以下参数均根据不同岩性的经验值或实验值加权求平均得)

C=1.91×103×1.17×103×(1-0.41)+1.293×1.006×103×0.41=1.33×106J/(m3·℃)

Qr1=1.33×106×60 975×22×1=1.78×1012J

表4 饱水带参数(以下参数均根据不同岩性的经验值或实验值加权求平均得)

C=1.91×103×1.17×103×(1-0.24)+1.0×103×4.2×103×0.24=2.706×106J/(m3·℃)

Qr2=2.706×106×60 975×128×1=21.12×1012J

则：Qr=Qr1+Qr2=1.78×1012+21.12×1012=22.9×1012J

可见地质体150 m以内温度变化1 ℃可释放或吸收的热能为22.9×1012J。根据建筑最大冷热负荷及热泵性能系数和能效比计算：

夏季最大放热量：Qh=最大冷负荷×(1+1/EER)=23 890×(1+1/5.49)=28 241.5 kW

冬季最大吸热量：Qc=最大热负荷×(1-1/COP)=(19 171+403.5+308.8) ×(1-1/4.3)=15 259.1 kW

夏季考虑节假日实际制冷天数为70 d，空调系统每天运行8 h，全负荷使用系数取0.8；冬季采暖天数120 d，考虑节假日实际采暖天数为80 d，空调系统每天正常运行8 h，全负荷使用系数取0.75，其余时间为值班采暖(包括节假日的40 d)，全负荷使用系数取0.2。则：

夏季向土壤的排热总量为：

Q1=运行时间×全负荷系数×单位时间排热量=70×8×0.8×3 600×1 000×28 241.5=45.55×1012J

冬季从土壤提取的总热量为：

Q2=运行时间×全负荷系数×单位时间取热量=(80×(0.75×8+16×0.2)+40×24×0.2)×3 600×1 000×15 259.1=50.98×1012J

全年热泵机组从土壤的取热量Q=Q2-Q1=5.43×1012J，而地质体中150 m内温度变化1 ℃可释放或吸收的热能为22.9×1012J，因此地源热泵运行一年地质体温度变化约为0.24 ℃。考虑地下水流动对地层散热的影响，以及热泵系统的间歇期，均有利于地层温度的恢复。总体上地埋管系统对地层温度的影响不大。

2.1.5 运行费用测算

表6 蓄能式地源热泵系统生活热水全年运行费用表

2.2 常规燃气锅炉结合冷水机组比较方案

2.2.1 方案分析及设备配置

冬季采用真空燃气锅炉，供水温度为50/60 ℃，供暖及供应生活热水；夏季采用离心式冷水机组供冷，夏季生活热水由燃气锅炉提供。

配置5台4 900 kW的离心式冷水机组； 5台4 000 kW的燃气锅炉。

2.2.2 能源站耗电容量

表7 常规能源系统配电容量表

2.2.3 运行费用测算

表8 常规能源系统运行费用表

表9 常规能源系统生活热水全年运行费用表

2.3 综合比较分析

表10 蓄能式地源热泵系统与常规能源系统综合对比表

经比较,常规能源系统方案初投资低、不需钻凿地埋孔；但需建设燃气调压站，且锅炉排烟产生大气污染物；冷水机组COP值低于地源热泵机组；冷却塔布置影响项目整体布局。蓄能式地源热泵系统方案主要设备配置仅系统负荷的70%，减少了总配电量，且有效利用了峰谷电价差，运行费用大大减少；运行中无污染；但需建造一个6 800 m3蓄能水池，蓄能池土建投资较大。

通过经济效益分析，蓄能式地源热泵系统静态回收期为3～4年。

3 结 语

通过方案对比分析，可见蓄能式地源热泵系统可实现用电负荷的“移峰填谷”，缓解高峰电力压力，运行费用明显降低，节能环保，且投资回收期短，运行管理简便,是值得提倡和推行的清洁能源方案。

[1] 方贵银. 蓄能空调技术[M]北京：机械工业出版社， 2006.

[2] 于 航. 空调蓄冷技术与设计[M].北京：化学工业出版社， 2007.

[3] 马最良，姚 杨，姜益强.暖通空调热泵技术[M].北京：中国建筑工业出版社， 2008.

[4] 张士领.包头市某地源热泵工程设计[J].暖通空调， 2014,44(6)：83-86.

Application of Accumulator Ground Source Heat Pump System

ZHAO Yan-ling1,ZHANG Li2

(1.Hebei Building Materials Industry Design and Research Institute,Shijiazhuang 050051,China;
2.Beijing Huaqing Rongyi Earth Energy Technology Development Co, Ltd, Beijing 100176,china)

Take the information port project of beijing as an example, based on the accumulator ground source heat pump system design, system analysis of energy consumption and operation cost,and compared with conventional energy system,the energy storage system can decrease the capacity of air conditioning cold machine and electricity.

ground-source heat pump system； energy storage system； peak load shifting; large temperature difference; energy conservation and environmental protection

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.014

2014-11-17.

赵艳玲(1968-)，高级工程师.E-mail:jiancaisj@263.net