大温差蓄能式地源热泵系统在工程中的应用研究

中国航空规划设计研究总院有限公司 赵 磊 肖 武

1 项目概况

该项目位于江苏省无锡市，总建筑面积为17万m2，其中地上11万m2，地下6万m2。项目建筑功能多样，包括科研、办公、实验、食堂、会议等多种功能，地下部分为车库。项目总冷、热负荷分别为12 299、5 050 kW，全日累计冷、热负荷分别为138 500、50 150 kW·h。夏季及冬季典型日冷热负荷分布见图1。

图1 夏季、冬季设计日供冷、供热负荷分布

该项目用能集中在白天，夜间基本无空调负荷。总配电容量过高会带来配电站建设成本大增，建设方要求整个新区总配电容量不超过12 000 kV·A，所以必须严格控制空调系统配电容量。如采用蓄能系统，则项目电价执行无锡地区电热锅炉(蓄冰制冷)峰谷分时电价(峰时电价为0.860 1元/(kW·h)，谷时电价为0.386 7元/(kW·h))。

2 空调冷热源方案的选择与确定

2.1 方案确定总体原则

基于该项目的功能特点及国家政策相关要求，在设计冷热源时要满足下列要求：1) 保证供冷、供热安全；2) 充分利用可再生能源；3) 系统投资、运行经济合理；4) 降低能源消耗，减少碳排放；5) 尽量降低配电总容量，降低用电需求。

2.2 项目可用资源分析

1) 市政电力接入，电力充足，执行峰谷电价。

2) 浅层地热能资源。

经勘查，地块内地下土壤地埋孔可钻性较好，钻孔成本较低，且经过热物性测试，地下换热较好，冬季取热、夏季排热能力较强，土壤导热性能较好，较适宜利用浅层地热能。

地源热泵岩土热响应试验报告有关测试孔的热物性数据见表1。

表1 地源热泵岩土热响应试验热物性数据

2.3 大温差蓄能式地源热泵系统

经过分析发现，地源热泵适用于该项目。另外，项目所在地有峰谷电价政策，采用蓄冷系统节费潜力较大，因此，空调系统冷热源选择大温差蓄能式地源热泵系统。由于该项目采用机组制冷与融冰供冷的联合供冷方式，且机组制冷所占比例大，因此机组制冷时蒸发温度不宜过低，否则冷水机组效率会降低[1]。考虑到温差过大会造成末端盘管造价增加，夏季冷水供/回水温度取5 ℃/13 ℃，冬季热水供/回水温度取45 ℃/37 ℃。

根据项目特点、占地面积、机房位置规划、地埋管换热器冷热平衡需求等因素，地埋管为550孔，孔深130 m。地埋管换热器采用双U形管，梅花状布置，相邻钻孔间距为5 m；孔内采用De32×3 mm HDPE管，承压1.6 MPa。一般系统通常是冰蓄冷、水蓄热分别设置，需要2套设备，该项目采用冰蓄冷、水蓄热于一体的复合式蓄能系统，同一设备实现冬夏两季蓄能，蓄能效率大幅度提高，节省冷热源系统运行费用，还可以节省蓄能设备占用空间。

该项目全日冷负荷为138 500 kW·h，采用部分负荷均衡蓄冷，全日蓄冷量为35 160 kW·h，蓄冰率为25.4%，则制冷机组标定制冷量为6 595 kW。该项目全日热负荷为50 150 kW·h，采用部分负荷均衡蓄热，全日蓄热量为19 000 kW·h，蓄热率为37.9%，则热泵机组标定制热量为2 510 kW。主要设备配置及参数见表2。

表2 大温差蓄能式地源热泵系统主要设备

3 系统运行策略

3.1 夏季制冷

夏季典型日蓄、放冷量分布如图2所示，其中00:00—08:00为蓄冷时段，08:00—22:00为释冷时段，总的蓄、放冷量基本持平。蓄冷系统按冰蓄冷和水蓄冷2种蓄冷模式运行。其中冰蓄冷模式主要用于夏季中期负荷较大时段，此时以双工况冷水机组蓄冰供冷为主、地源热泵供冷为辅；水蓄冷模式主要用于初夏、夏末负荷较小时段，此时以地源热泵供冷为主。2种模式具体运行策略如下：

图2 夏季典型日制冷负荷平衡图

1) 冰蓄冷系统控制。

① 冰蓄冷系统参与运行的设备有双工况冷水机组、乙二醇泵、冷却水泵、制冷机循环水泵、冷却塔。

② 冰蓄冷运行模式包括夜间蓄冰、夜间蓄冰+供冷、白天蓄冰内融冰、外融冰放冷、水冰放冷+双工况供冷、蓄冰放冷+双工况+热泵供冷。

③ 夜间利用双工况冷水机组蓄冰，蓄冷停机温度为-6 ℃。

④ 夏季供冷系统设计供/回水温度为5 ℃/13 ℃。

⑤ 日间系统运行采用优化控制方式，均衡分配冷源供给，根据末端负荷、电价政策合理确定冷水机组、热泵机组、蓄冷系统的供冷比例。

⑥ 蓄冷系统放冷优先采用内融冰放冷模式。

⑦ 根据回水温度确定需要优先开启的冷源，停机顺序与开启顺序相反，逐个冷源按负荷情况(回水温度)逐渐停机。逐个冷源的投入运行和停止运行的温度偏差分别为0.5 ℃和-0.5 ℃，允许温度偏差的时间为20 min。

⑧ 蓄冷时，系统可根据室外气候条件自动切换冷却塔或者地埋管进行散热，以保证系统整体运行能效比最高。

2) 水蓄冷系统控制。

① 水蓄冷系统参与运行的设备有热泵机组、蓄能泵、放能泵、地源热泵系统水泵、蓄能空调泵。

② 水蓄冷运行模式包括夜间热泵水蓄冷、水蓄冷放冷、热泵单独供冷、水蓄冷供冷+热泵+制冷机供冷。

③ 夜间蓄冷，利用热泵机组蓄冷，开始蓄冷温度为12 ℃，蓄冷停机温度为4 ℃。

④ 白天系统运行采用优化控制方式，均衡分配冷源供给，根据末端负荷、电价政策合理确定热泵机组、蓄冷系统的供冷比例。

3.2 冬季供热

冬季典型日蓄热量和释热量分布如图3所示，其中00:00—08:00为蓄热时段，08:00—22:00为释热时段，总的蓄热量和释热量基本持平。冬季供热水蓄热系统控制如下：

图3 冬季典型日供暖负荷平衡图

1) 水蓄热系统参与运行的设备有热泵机组、蓄能泵、放能泵、地源热泵系统水泵、蓄能空调泵。

2) 水蓄热运行模式包括夜间热泵水蓄热+放热、水蓄热放热、热泵单独供热、水蓄热供热+热泵供热。

3) 夜间利用热泵机组蓄热，开始蓄热温度为38 ℃，蓄热停机温度为46 ℃。

4) 冬季供热系统设计供/回水温度为45 ℃/37 ℃。

5) 白天系统运行采用优化控制方式，均衡分配热源供给，根据末端负荷、电价政策合理确定热泵机组、蓄热系统的供热比例。

6) 根据回水温度确定需要优先开启的热源，停机顺序与开启顺序相反，逐个热源按负荷情况(回水温度)逐渐停止。逐个热源的投入运行和停止运行的温度偏差分别为-0.5 ℃和0.5 ℃，允许温度偏差的时间为20 min。

4 运行费用及地埋管热平衡计算

4.1 夏季制冷运行费用

该项目夏季制冷时间从5月5日至10月15日，共计162 d，空调冷源运行费用如表3所示。

表3 大温差蓄能式地源热泵系统夏季制冷运行费用

根据表3计算得到该项目夏季制冷费用指标为27.63元/m2。

4.2 冬季供暖运行费用

项目供暖时间从11月25日至次年3月5日，共计100 d，空调热源运行费用如表4所示。

表4 大温差蓄能式地源热泵系统冬季供暖运行费用

根据表4计算得到该项目冬季供暖费用指标为6.76元/m2。

4.3 地埋管热平衡计算

采用地埋管地源热泵系统，需要考虑冬夏土壤是否热平衡，土壤热平衡问题已经成为制约其科学发展的关键因素[2]。对该项目地埋管换热系统进行了1 a的取热、放热量计算，在计算周期内，地源热泵系统总释热量与总吸热量分别为3 011 512、3 335 249 kW·h。

为了解决冬夏热量失衡的问题，该项目双工况离心式冷水机组配套设置了冷却塔，机组运行时开启冷却塔满足其使用。经计算，该项目地埋管地源热泵系统冷热负荷的不平衡率为11%，可行。

5 结论

1) 对系统运行费用及地埋管地源热泵系统热平衡计算结果表明，地源热泵系统适用于该项目。

2) 采用冰蓄冷空调系统的优化设计，可以移峰填谷，均衡电网负荷，提高电力建设投资效益及为用户节省空调运行费用。

3) 该项目采用的冰蓄冷、水蓄热一体复合式蓄能系统可实现冬夏两季蓄能，蓄能效率大幅度提高，节省冷热源系统运行费用，还可以减少蓄能设备占用空间。

4) 该项目地埋管地源热泵系统冬夏热不平衡率为11%，无需采取其他辅助措施。

5) 大温差蓄能式地源热泵系统方案的制定充分考虑了项目的负荷特点，根据不同的负荷情况采取了相对应的运行策略，运行后会给使用方带来良好的经济效益和社会效益。