一种地源热泵与冰蓄冷协同冷暖系统研究

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(1.淮北矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮北 235000；2.中国矿业大学电力与动力工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

21世纪地源热泵被称为一项最具有发展前途的节能和环保型制冷空调技术，同时冰蓄冷技术是实现电网移峰填谷的最佳电力需求侧管理技术之一。但是，地源热泵投资大、占地面积多等不利因素严重阻碍其广泛应用；冰蓄冷技术同样由于投资大至今不能得到市场的广泛认可。因此，提出将地源热泵和冰蓄冷技术有机结合，对它们各自优缺点进行扬弃，可以在保持各自经济技术优势的同时，有效克服各自的缺点。在夏季制冰蓄冷、冬季制热采暖可由一套系统承担完成；利用冰蓄冷能减少装机容量的优势和地源热泵投资大的缺点，实现减少地源热泵系统投资的同时节省空调系统运行电费。此时机组冬夏匹配性好，按照冬季选型，夏季加蓄冰可以满足大部分地区空调要求，通过减少打井埋管数量，减轻地热传输功率，提高机组利用率，同时也有利于土壤中热量的全年平衡。

1 协同冷暖系统的构建

工程位于安徽省淮北市，为淮北某集团股份有限公司新办公中心和配套住宅区地源热泵中央冷暖系统冷热源工程。该工程的空调服务区域为：办公中心主楼，其地上十九层，地下两层；办公中心辅楼；配套的七栋高层住宅楼。

工程为区域能源中心，负担的建筑负荷较大，楼群数量多。根据末端的设计需求，对空调服务区域进行分区：高区，包括办公中心主楼、15层以上住宅楼；低区，包括办公中心辅楼、15层及以下住宅楼。

地源热泵与冰蓄冷协同冷暖系统的基本构成如图1所示。

图1 协同冷暖系统基本构成

系统主要由低区地源热泵系统、高区地源热泵系统、双工况机组系统、蓄冰/融冰系统组成。低区供热由低区地源热泵系统承担，高区供热由高区地源热泵系统承担。低区供冷由蓄冰/融冰系统、低区地源热泵系统、双工况机组系统承担，高区供冷由蓄冰/融冰系统、高区地源热泵系统、双工况机组系统承担。低区和高区供冷时，优先使用蓄冰/融冰系统供冷，其次是地源热泵系统，最后是双工况机组系统。

地源热泵供暖冷暖系统主要分三部分：室外地源换热系统、地源热泵主机系统和室内末端系。冰蓄冷部分采用部分负荷蓄冰技术，内融冰冷机上游串联系统，板环一次侧供回水温度4/11 ℃,冷冻水供回水温度7/12 ℃，载冷剂采用25%乙二醇溶液。

2 协同冷暖工程运用策略

2.1 协同冷暖系统的供冷策略

工程有住宅和办公楼组成，两部分对冷负荷的使用时间存在较大差异，双工况机组在设计日负荷状态下夜间作为制冰机运行，白天参与供冷。部分负荷段，双工况冷机根据电价的峰谷和负荷的高低，确定启停，联合热泵系统和蓄冰装置融冰供冷，使系统调配灵活。

按100%负荷在供冷季出现15天计算(含休息日)，由于冷暖系统设计日的逐时冷负荷较大，为了充分利用蓄冰装置和制冷机的供冷能力，最大的降低系统运行电费，空调冷负荷由双工况冷机、热泵和蓄冰装置共同承担。设备根据末端负荷变化情况作适当的变频调整，确保系统最优运行。设计日100%冷负荷分布见表1。

表1 蓄冰空调设计日100%负荷平衡表

表续1

时间负荷办公负荷住宅负荷负荷分配(RT)(RT)(RT)(RT)蓄冷主机基载热泵冰槽供冷12∶00-13∶00(平)63492850349919503352104713∶00-14∶00(平)6118296931491950335281614∶00-15∶00(平)5894309527991950335259215∶00-16∶00(平)5642319324491950293375916∶00-17∶00(平)56453196244919502514118117∶00-18∶00(峰)57053081262419502514124118∶00-19∶00(峰)5291266726241950251482719∶00-20∶00(峰)4861241224491950251439720∶00-21∶00(峰)4826237724491950251436221∶00-22∶00(峰)22740227402274022∶00-23∶00(平)22740227402274023∶00-24∶00(谷)209902099020990总计(RTH)972253774059485253506059711278

75%负荷段在淮北的整个空调供冷季出现的时间比较长，按45天计算(含休息日)，如何更合理的分配空调负荷，调整好制冷机和蓄冰装置的供冷成为决定该时段制冷站运行费用节省多少的关键。75%负荷状态下的逐时冷负荷仍然比较大，在电价高峰时段尽量让蓄冰装置多承担冷负荷，最大限度降低系统运行电费。设计日75%冷负荷分布见表2。

表2 蓄冰空调设计日75%负荷平衡表

50%负荷段在整个空调季出现时间较长，按60天算(含休息日)。设计日50%冷负荷分布见表3。

表3 蓄冰空调设计日50%负荷平衡表

设计日25%冷负荷分配策略,出现时间按30天计算(含休息日)。25%负荷段的日总冷负荷较小，高峰电时段冷负荷完全可由蓄冰装置独立负担，即实现全融冰供冷，蓄冰系统的削峰填谷优势体现的更加明显。这种的运行策略冷源系统的运行电费更经济。设计日25%冷负荷分布见表4。

表4 蓄冰空调设计日25%负荷平衡表

续表4

时间负荷办公负荷住宅负荷负荷分配(RT)(RT)(RT)(RT)蓄冷主机基载热泵冰槽供冷00-14∶00(平)153074278701530000-15∶00(平)147477470001474000-16∶00(平)141179861201411000-17∶00(平)1411799612083857300-18∶00(峰)142677065600142600-19∶00(峰)132366765600132300-20∶00(峰)121560361200121500-21∶00(峰)120759461200120700-22∶00(峰)56905690056900-23∶00(平)56905690569000-24∶00(谷)525052505250总计(RTH)2430694351487101314411162

2.2 协同冷暖系统的供热策略

工程冬季采暖为热泵系统。住宅是地板福射采暖分高低两个区，为末端地板辐射采暖提供45/40℃空调热水。办公和住宅供给热负荷均有热泵提供，冬季4台热泵机组在设计日负荷时全部投入运行，冷暖系统设计日的逐时热负荷较大，热泵机组承担建筑热负荷。设计日负荷(最大设计负荷日)运行分配策略如表5所示。在其它负荷时段，热泵主机根据建筑热负荷大小自动调节投入的台数和卸载运行。

表5 设计日负荷(最大设计负荷日)供热平衡表

续表5

时间负荷办公负荷住宅负荷负荷分配/kW/kW/kW/kW基载热泵18∶00-19∶00(峰)13392594074521339219∶00-20∶00(峰)13586602675601358620∶00-21∶00(峰)13780611276681378021∶00-22∶00(峰)11327344378841132722∶00-23∶00(平)993017228208993023∶00-24∶00(谷)103621722864010362总计(kWh)317301107342209959317301

3 效益分析

项目采用地源热泵与冰蓄冷协同空调技术，其中地源热泵属于可再生能源技术和环保技术，冰蓄冷属于先进的节能技术。因此，本项目节能环保，生态环境效益显著。

以2015-2017年为例，与冬季使用锅炉和夏季使用空调相比，本项目合计费用917万元，采用夏季电力空调制冷、冬季烧锅炉取暖费用在1 735万元，平均每年节省资金大约818万元。

4 结束语

针对通常的三工况地源热泵与冰蓄冷耦合(联合、复合)系统调节不灵活，难以解决冷热负荷需求差别大的问题，提出并构建了一种地源热泵与冰蓄冷协同冷暖系统，确定了协同冷暖系统的供冷策略和供热策略。对于该系统开展研究得到优异的效果，与冬季使用锅炉和夏季使用空调相比，协同冷暖系统每年节省资金大约818万元，生态和社会效益显著。