冰蓄冷与地源热泵耦合应用技术

2010-06-06叶水泉郭盛桢

电力需求侧管理 2010年5期

叶水泉，范庆，郭盛桢

（1.杭州国电能源环境设计研究院，杭州 310030；2.杭州源牌环境科技有限公司，杭州 311115）

1 冰蓄冷技术简介

冰蓄冷空调是指：在电网低谷时消耗电力制冷蓄冰，将其冷量储存起来供电网高峰时建筑物空调使用。冰蓄冷空调技术之所以得到广泛重视，主要原因之一是冰蓄冷技术具有显著的移峰填谷能力，是电力需求侧管理的有效技术手段，但伴随着制冷效率降低、空调系统投资成本增加的不足。冰蓄冷技术移峰填谷示意图如图1所示。冰蓄冷空调对电网的调峰能力有助于提高电力系统运行效率。

冰蓄冷技术主要优点有：

（1）平衡电网峰谷电力负荷，减缓全社会电力设施建设，提高电力系统使用效率。

（2）减少空调用户的制冷主机容量，节省空调系统电力工程贴费及配电设施费用。

（3）合理利用峰谷负荷电价差，降低空调系统运行费用。

（4）空调系统使用更加灵活，节假日、休息日等小负荷状态下，可融冰供冷，无需开启制冷主机，避免制冷主机低效运行，节能效果明显。

（5）蓄冰装置的蓄冷量可作为应急冷源，在停电时只需开启水泵即可供冷，提高了空调系统的可靠性。

（6）冷冻水温度可降至1～4℃，能实现冷冻水大温差或低温送风，减少空调末端系统中水泵与风机的运行能耗，降低水管、风管的口径，有利于降低空调末端系统投资和提高建筑物空间利用效率。低温送风技术还可降低室内相对湿度，提高空调舒适度。

图1 冰蓄冷技术移峰填谷作用示意图

（7）使空调冷水机组更平稳地运行，能有更多时间处于满负荷工作状态，提高冷水机组的利用率和使用寿命。

冰蓄冷技术主要不足是：

（1）通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大。

（2）蓄冰装置要占用一定的建筑空间。

（3）制冷蓄冰时主机运行效率比在常规空调工况下要低。

（4）设计与调试相对复杂。

2 地源热泵技术简介

热量通常向低温自由传递，热泵使其逆向流动，使热量从低温搬迁到高温处。地表土壤是一个蕴含能量极其巨大的蓄能体，在土壤中因吸收太阳能以及其他形式的能量而储存了大量的低品位能源。在冬天，通过热泵可以将热量从低于室内温度的土壤中搬迁至室内，反之，夏天将室内热量传递给土壤蓄存起来，实现建筑物舒适环境的温湿度要求。地源热泵系统主要是以岩土体为低温热源，由热泵机组、地热能交换系统（地埋管）、建筑物内系统组成的制冷供热空调系统。地热能交换系统，是在地下埋设管道（一般采用塑料管），由水泵驱动水经过塑料管道循环，与周围的土壤换热，从土壤中提取热量或释放热量，实现向建筑物供热或供冷的目的，地源热泵系统的浅层地能利用过程如图2所示。它具有效率高、投资大的明显特点。地源热泵优点在于：地源热泵集制冷制热于一体，空调系统结构简单，功能多用，运行及采暖效率高，特别是冬季无结霜问题；夏季对大气环境不产生热污染，机组寿命长于风冷热泵，制冷主机容量大，运行效率高，地埋管系统免维护等。主要缺点有：需要地质勘查及传热计算，设计相对复杂，埋管施工难度大，需要提供埋管的位置并且占地面积较大，冬夏季冷热量平衡困难，热量平衡问题会影响制冷和制热效率和土壤生态环境；土壤换热器的造价远高于常规空调的冷却塔系统。

图2 地源热泵系统地能利用示意图

3 冰蓄冷与地源热泵耦合应用

3.1 冰蓄冷与地源热泵耦合的意义

地源热泵因其使用可再生能源，被称为21世纪一项最具有发展前途的节能和环保型制冷空调技术。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。然而，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。而将其耦合应用，对它们各自优缺点进行扬弃，在保持各自经济技术优势的同时有效克服各自的缺点。如在夏季制冰蓄冷、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。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。

3.2 冰蓄冷与地源热泵耦合工程应用

苏州新区某科研院所生产实验基地，占地面积232116 m2。其中一期工程总建筑面积10.1万m2，工程的空调冷热源采用地源热泵与冰蓄冷耦合系统，该系统主要为3～5号楼，夏季供冷冬季供热以及提供工艺冷却系统的冷却冷源。根据业主单位提供的相关资料，基地夏季及冬季空调负荷汇总如表1所示。

表1 项目负荷数据汇总表

夏季空调尖峰负荷为9700 kW，夏季供冷共计5个月。冬季采暖尖峰负荷为4700 kW，冬季供热共计3个月。空调供应时间为8：00～18：00。蓄能电价政策为：0：00～8：00为低谷电时段，电价为0.356元/kWh，8：00～24：00为峰电时段，电价为0.859元/kWh。设计方案一：全年空调采用垂直地埋管式地源热泵系统；方案二：全年空调采用垂直地埋管式地源热泵耦合冰蓄冷系统。方按投资运行经济性分析如表2所示。从表2可以看出，尽管方案一和方案二都采用地源热泵，符合国家建筑节能的政策鼓励方向，政府给予同样的政策支持，但是他们经济效益差距明显。方案二采用冰蓄冷与地源热泵耦合技术一次性投资较方案一节省20%，且运行电费节约27%，转移高峰电力40%，社会经济效益都很明显。

3.3 系统设计概述

本中央空调冷热源系统用户最终选择了冰蓄冷耦合地源热泵技术，地热能利用方式采用闭式循环垂直埋管换热系统，系统配置3台3工况地源热泵机组满足蓄冰、制冷及制热要求，蓄冰装置选用不完全冻结式蓄冰盘管，并采用制冷主机上游、蓄冰盘管下游的单级泵串联冰蓄冷系统流程，本系统运行效率高、控制简单可靠、使用灵活。系统冬夏季运行流程示意如图3所示。

表2 投资运行费用汇总表万元

图3 冰蓄冷地源热泵系统冬夏季流程示意图

地埋管子系统换热器总量1100根，换热孔最佳设计深度为100 m。地埋管系统采用双U型PE换热管，管径DN32 mm。地埋管换热器埋管间距为6 m，采用平行四边形布置。室外集、分水器做法考虑地下室安装成品集、分水器。室外集、分水器至机房水平埋地管道埋深4 m（相对室外地坪自然标高），水平管道采用HSS型高密度聚乙烯直埋保温管（国标焊接钢管、50 mm厚聚氨酯保温层，聚氨酯容重50 kg/m3以上，管道外层为高密度聚乙烯塑料管）。由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，在系统中预留闭式冷却塔接入系统，帮助地下岩土实现热平衡。冰蓄冷耦合地源热泵中央空调冷热源系统的具体配置见表3所示。

4 结束语

冰蓄冷技术与地源热泵技术是空调冷热源的重要技术进步，对实现电网移峰填谷、提高电力系统进行效率具有明显作用，地源热泵作为可再生能源开发应用，是实现节能减排、低碳发展的重要途径。然而，它们的发展同时又受到各自技术本身局限性的制约，本文将它们两者进行耦合使用，能有效实现各自优缺点的扬弃，能够大幅度提高中央空调市场的接受程度，使它们获得更加广泛的应用。如苏州某研究院项目，采用耦合技术，一次性投资比单纯地源热泵系统节省20%，运行电费节省27%，采暖能源费用较燃油锅炉节省40%；根据测算，每年还可节水约5万t，减少二氧化碳排放3万t，每年至少减少燃煤消耗6000 t，减排烟气量1.8亿m3；同时，由于采用了冰蓄冷地源热泵耦合节能技术，项目业主获得了600万元的政府补贴。该项目于2009年12月投入试运行，冰蓄冷适应建筑物分步建成投入使用的技术特性也得到了较好的验证，目前已投用建筑的空调使用负荷约为设计负荷的60%，截止到2010年8月底空调系统基本处于全融冰模式运行，土壤温度和冷却水度持续稳定，支付电费约35万元，远优于设计目标，系统运行得到用户的充分肯定，已经成为华东地区冰蓄冷地源热泵耦合技术应用的示范工程。