江苏某产业园区动力站水蓄能空调系统设计

摘  要：水蓄能中央空调系统可以实现电力削峰填谷，利用峰谷电价差，有效节约空调系统运行费用，在工业园区、机场、商业综合体、数据中心等领域均有广泛应用。^[1]水蓄能中央空调系统与常规中央空调相比，运行费用可节省25%～60%。由于水蓄冷系统的系统形式灵活多样，在设计中需要结合项目具体情况进行分析。

关键词：水蓄能;地源热泵;消防水池;水罐;运行模式

中图分类号：TU831  文献标识码：A   文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

本项目位于江苏省某产业园区。原设计动力站设置3台地源热泵机组，为产业园实验楼和活动中心夏季供冷，冬季供热。增设水蓄能系统设计后，削减1台地源热泵机组及其配套设施。夜间低谷电价时段，利用园区容积约600m?的消防水池夏季蓄冷，室外空地新建1个容积约600m?的蓄能水罐，夏季蓄冷，冬季蓄热。

本文就该蓄能系统的负荷计算、系统原理、系统设计、运行策略以及经济效益给出详细分析。

1工程概况

1.1项目基本情况

本项目所述某产业园区位于江苏省盐城市，园区内建设有国家地方风电联合工程实验室。其中，综合实验室面积约10000㎡，员工活动中心面积约500㎡。集中空调系统夏季供冷，冬季供热。

1.2 当地电费情况

为鼓励调峰用电，充分利用现有的电力资源，江苏省提出了一系列的鼓励措施，如推行峰谷分时电价政策，分时电价表如表1所示。

2 水蓄能空调方案

2.1水蓄能空调概述

本产业园冬季供热，夏季供冷。冷热源方案为地源热泵机组+水蓄能系统。在夜间低谷电价时段，水蓄能系统冬季利用蓄水罐蓄热，夏季利用消防水池和蓄水罐联合蓄冷。白天电价高峰时段，优先使用蓄能系统供冷/供热，不足部分开启地源热泵补足。

2.2系统逐时负荷计算

2.2.1 逐时冷负荷计算

综合实验室和员工服务中心设计冷负荷约2210kW。考虑各时段室外气候条件的变化以及室内使用需求的不同，用逐时负荷系数计算各时段用户的逐时负荷。^[2]其中，综合实验室在夜间根据使用情况，可能会有用冷需求。冷负荷峰值出现在14：00前后。计算得到的逐时冷负荷变化情况见图1。

2.2.2 逐时热负荷计算

综合实验室和员工服务中心设计热负荷约1950kW。综合实验室在夜间仍有部分实验室有用热需求，夜间有防冻采暖。热负荷峰值出现在早晨9：00前后，如图2所示。

2.3 蓄放能系统设计

地源热泵机房建筑面积250㎡，位于地面停车场下方。消防水池与地源热泵机房毗邻，存水量约600m?。室外蓄能水罐距地源热泵机房约100m。除蓄能水罐与消防水池布水设施之外，其余设备均设置于地源热泵机房内。

2.3.1地源热泵机组

选用2台地源热泵机组为系统供冷供热，并且完成蓄冷蓄热。当实验室夜间无供冷需求时，可采用2台地源热泵机组同时蓄冷，如表2所示。

2.3.2消防水池

利用消防水池蓄冷，水池容积约600m?，蓄冷量为4150kWh。

规范规定：蓄冷水池的设计，应充分利用工程项目的消防水池，将其改造成蓄冷水池，少占建筑面积和空间。蓄冷水池用于冬天蓄热时应另设置消防水池。^[3]

2.3.3蓄能水罐

新建1个蓄能水罐，容积约600m?，直径8.4m，高约11m。最大蓄冷量约为4150kWh，最大蓄热量约为4950kWh。

由于水罐与消防水池的液位不在同一高度，因此在系统运行中，需要严格隔离水池和水罐，当其中一个容器完成充放冷后，才能切换至另一个容器。防止系统水由水罐倒灌至消防水池。

2.3.4系统流程设计及工况切换

水蓄能系统通常有以下种运行模式：地源热泵蓄能、地源热泵单独供能、水罐或水池单独供能和地源热泵与蓄能设施联合供能。系统流程简化示意图见图3。

3水蓄冷系统运行策略分析

水蓄能系统根据不同的负荷情况，需合理运行2台地源热泵机组与蓄能系统，使得系统处于费用最优状态。蓄热系统与蓄冷系统运行策略类似，且仅由水罐参与蓄热，消防水池在供热季切出，运行工况比蓄冷系统更简洁，此处仅以蓄冷系统为例详述系统运行策略。

3.1 100%冷负荷时的运行策略

在电力低谷时段（24：00-8：00）使用1台额定制冷量884kW的地源热泵蓄冷，蓄冷8个小时。在白天运行时，开启2台地源热泵与水池或水罐联合供冷。

3.2 75%冷负荷时的运行策略

在電力低谷时段使用1台884kW的地源热泵蓄冷，蓄冷8个小时。在白天运行时，电价高峰时段，开启1台442kW的地源热泵与水池或水罐联合供冷;电价平价时段，开启2台地源热泵与水池或水罐联合供冷。

3.3 50%冷负荷时的运行策略

在电力低谷时段使用1台884kW的地源热泵蓄冷，蓄冷8个小时。在白天运行时，电价高峰时段，由水池或水罐单独供冷，不必开启冷机;电价平价时段，开启1～2台地源热泵供冷。

3.4 25%冷负荷时的运行策略

在电力低谷时段使用1台884kW的地源热泵蓄冷，蓄冷7.3个小时。在白天运行时，由水池或水罐单独供冷，不必开启冷机。

4 水蓄能空调系统经济效益分析

为了便于直观比较，将水蓄能系统与常规地源热泵空调系统的运行电费进行对比。

4.1供冷季运行电费对比

产业园区的供冷季为4月底至10月初，共计165天。水蓄冷空调与常规空调系统的运行电费对比见表3。

由上表3可知，一个供冷季，常规空调系统运行电费约为66.85万元，水蓄冷空调系统运行电费约为50.81万元，可节约运行电费约16.04万元。

4.2供暖季运行电费对比

产业园区的供热季为12月初至3月初，共计105天。水蓄热空调与常规空调系统的运行电费对比见表4。

由上表4可知，一个供热季，常规空调系统运行电费约为43.15万元，水蓄热空调系统运行电费约为31.19万元，可节约运行电费约11.96万元。

4.3综合经济效益

4.3.1运行电费节费情况

综和上述两小节所述，采用水蓄能系统后，供冷季可节约运行电费16.04万元，采暖季可节约运行电费11.96万元，空调系统年节约运行电费约28万元。

4.3.2初投资分析

原常规地源热泵空调系统共配置3台地源热泵，2台额定制冷量884kW，1台制冷量442kW。采用水蓄能系统后，削减了1台制冷量为884kW的地源热泵及其配套打井费用、地源侧水泵等附属设备和管路的投资，约节约费用170万元。新增水蓄能系统所有设备、管线、成套控制系统投资约220万元，则开展水蓄能系统增加初投资约50万元，年节约电费28万元，项目静态投资回收期约为1.79年。

5结语

本工程采用水蓄能与地源热泵结合的技术形式，充分利用天然冷热源资源，利用分时峰谷电价政策，移峰填谷，平衡电网负荷，有利于国家电网的安全运行。水蓄能系统的投入，年节约运行电费约28万元，节费比例可达25%，连续运行15年可节约约运行电费420万元，具有良好的经济效益。

水蓄能技术和地源热泵技术均是入选《国家重点节能低碳技术推广目录》的空调节能节费技术，其绿色低碳的属性，可为业主树立良好的绿色低碳品牌形象，提高社会公信度。

参考文献

[1]方贵银.蓄能空调技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]赵庆珠.蓄冷技术与系统设计[M].中国建筑工业出版社，2012.

[3]住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院，2009全国民用建筑工程设计技術措施（暖通空调动力）[M].北京：中国计划出版社，2009.

收稿日期：2019-06-22

作者简介：葛然（1986—），女，河北张家口人，硕士，工程师，研究方向：蓄冷蓄热空调系统。