冰蓄冷與地源熱泵耦合應(yīng)用技術(shù)

葉水泉，范 慶， 郭盛楨

（1.杭州國電能源環(huán)境設(shè)計研究院，杭州 310030；2.杭州源牌環(huán)境科技有限公司，杭州 311115）

1 冰蓄冷技術(shù)簡介

冰蓄冷空調(diào)是指：在電網(wǎng)低谷時消耗電力制冷蓄冰，將其冷量儲存起來供電網(wǎng)高峰時建筑物空調(diào)使用。冰蓄冷空調(diào)技術(shù)之所以得到廣泛重視，主要原因之一是冰蓄冷技術(shù)具有顯著的移峰填谷能力，是電力需求側(cè)管理的有效技術(shù)手段，但伴隨著制冷效率降低、空調(diào)系統(tǒng)投資成本增加的不足。冰蓄冷技術(shù)移峰填谷示意圖如圖1所示。冰蓄冷空調(diào)對電網(wǎng)的調(diào)峰能力有助于提高電力系統(tǒng)運行效率。

冰蓄冷技術(shù)主要優(yōu)點有：

（1）平衡電網(wǎng)峰谷電力負荷，減緩全社會電力設(shè)施建設(shè)，提高電力系統(tǒng)使用效率。

（2）減少空調(diào)用戶的制冷主機容量，節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)電力工程貼費及配電設(shè)施費用。

（3）合理利用峰谷負荷電價差，降低空調(diào)系統(tǒng)運行費用。

（4）空調(diào)系統(tǒng)使用更加靈活，節(jié)假日、休息日等小負荷狀態(tài)下，可融冰供冷，無需開啟制冷主機，避免制冷主機低效運行，節(jié)能效果明顯。

（5）蓄冰裝置的蓄冷量可作為應(yīng)急冷源，在停電時只需開啟水泵即可供冷，提高了空調(diào)系統(tǒng)的可靠性。

（6）冷凍水溫度可降至1～4℃，能實現(xiàn)冷凍水大溫差或低溫送風(fēng)，減少空調(diào)末端系統(tǒng)中水泵與風(fēng)機的運行能耗，降低水管、風(fēng)管的口徑，有利于降低空調(diào)末端系統(tǒng)投資和提高建筑物空間利用效率。低溫送風(fēng)技術(shù)還可降低室內(nèi)相對濕度，提高空調(diào)舒適度。

圖1 冰蓄冷技術(shù)移峰填谷作用示意圖

（7）使空調(diào)冷水機組更平穩(wěn)地運行，能有更多時間處于滿負荷工作狀態(tài)，提高冷水機組的利用率和使用壽命。

冰蓄冷技術(shù)主要不足是：

（1）通常在不計電力增容費的前提下，其一次性投資比常規(guī)空調(diào)大。

（2）蓄冰裝置要占用一定的建筑空間。

（3）制冷蓄冰時主機運行效率比在常規(guī)空調(diào)工況下要低。

（4）設(shè)計與調(diào)試相對復(fù)雜。

2 地源熱泵技術(shù)簡介

熱量通常向低溫自由傳遞，熱泵使其逆向流動，使熱量從低溫搬遷到高溫處。地表土壤是一個蘊含能量極其巨大的蓄能體，在土壤中因吸收太陽能以及其他形式的能量而儲存了大量的低品位能源。在冬天，通過熱泵可以將熱量從低于室內(nèi)溫度的土壤中搬遷至室內(nèi)，反之，夏天將室內(nèi)熱量傳遞給土壤蓄存起來，實現(xiàn)建筑物舒適環(huán)境的溫濕度要求。地源熱泵系統(tǒng)主要是以巖土體為低溫?zé)嵩?，由熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)（地埋管）、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的制冷供熱空調(diào)系統(tǒng)。地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，是在地下埋設(shè)管道（一般采用塑料管），由水泵驅(qū)動水經(jīng)過塑料管道循環(huán)，與周圍的土壤換熱，從土壤中提取熱量或釋放熱量，實現(xiàn)向建筑物供熱或供冷的目的，地源熱泵系統(tǒng)的淺層地能利用過程如圖2所示。它具有效率高、投資大的明顯特點。地源熱泵優(yōu)點在于：地源熱泵集制冷制熱于一體，空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能多用，運行及采暖效率高，特別是冬季無結(jié)霜問題；夏季對大氣環(huán)境不產(chǎn)生熱污染，機組壽命長于風(fēng)冷熱泵，制冷主機容量大，運行效率高，地埋管系統(tǒng)免維護等。主要缺點有：需要地質(zhì)勘查及傳熱計算，設(shè)計相對復(fù)雜，埋管施工難度大，需要提供埋管的位置并且占地面積較大，冬夏季冷熱量平衡困難，熱量平衡問題會影響制冷和制熱效率和土壤生態(tài)環(huán)境；土壤換熱器的造價遠高于常規(guī)空調(diào)的冷卻塔系統(tǒng)。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)地能利用示意圖

3 冰蓄冷與地源熱泵耦合應(yīng)用

3.1 冰蓄冷與地源熱泵耦合的意義

地源熱泵因其使用可再生能源，被稱為21世紀(jì)一項最具有發(fā)展前途的節(jié)能和環(huán)保型制冷空調(diào)技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)是實現(xiàn)電網(wǎng)移峰填谷的最佳電力需求側(cè)管理技術(shù)之一。然而，地源熱泵投資大、占地面積多等不利因素嚴(yán)重阻礙其廣泛應(yīng)用；冰蓄冷技術(shù)同樣由于投資大至今不能得到市場的廣泛認可。而將其耦合應(yīng)用，對它們各自優(yōu)缺點進行揚棄，在保持各自經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢的同時有效克服各自的缺點。如在夏季制冰蓄冷、冬季制熱采暖可由一套系統(tǒng)承擔(dān)完成；利用冰蓄冷能減少裝機容量的優(yōu)勢和地源熱泵投資大的缺點，實現(xiàn)減少地源熱泵系統(tǒng)投資的同時節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)運行電費。機組冬夏匹配性好，按照冬季選型，夏季加蓄冰可以滿足大部分地區(qū)空調(diào)要求，通過減少打井埋管數(shù)量，減輕地?zé)醾鬏敼β剩岣邫C組利用率，同時也有利于土壤中熱量的全年平衡。

3.2 冰蓄冷與地源熱泵耦合工程應(yīng)用

蘇州新區(qū)某科研院所生產(chǎn)實驗基地，占地面積232116 m2。其中一期工程總建筑面積10.1萬m2，工程的空調(diào)冷熱源采用地源熱泵與冰蓄冷耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要為3～5號樓，夏季供冷冬季供熱以及提供工藝?yán)鋮s系統(tǒng)的冷卻冷源。根據(jù)業(yè)主單位提供的相關(guān)資料，基地夏季及冬季空調(diào)負荷匯總?cè)绫?所示。

表1 項目負荷數(shù)據(jù)匯總表

夏季空調(diào)尖峰負荷為9700 kW，夏季供冷共計5個月。冬季采暖尖峰負荷為4700 kW，冬季供熱共計3個月?？照{(diào)供應(yīng)時間為8：00～18：00。蓄能電價政策為：0：00～8：00為低谷電時段，電價為0.356元/kWh，8：00～24：00為峰電時段，電價為0.859元/kWh。設(shè)計方案一：全年空調(diào)采用垂直地埋管式地源熱泵系統(tǒng)；方案二：全年空調(diào)采用垂直地埋管式地源熱泵耦合冰蓄冷系統(tǒng)。方按投資運行經(jīng)濟性分析如表2所示。從表2可以看出，盡管方案一和方案二都采用地源熱泵，符合國家建筑節(jié)能的政策鼓勵方向，政府給予同樣的政策支持，但是他們經(jīng)濟效益差距明顯。方案二采用冰蓄冷與地源熱泵耦合技術(shù)一次性投資較方案一節(jié)省20%，且運行電費節(jié)約27%，轉(zhuǎn)移高峰電力40%，社會經(jīng)濟效益都很明顯。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計概述

本中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)用戶最終選擇了冰蓄冷耦合地源熱泵技術(shù)，地?zé)崮芾梅绞讲捎瞄]式循環(huán)垂直埋管換熱系統(tǒng)，系統(tǒng)配置3臺3工況地源熱泵機組滿足蓄冰、制冷及制熱要求，蓄冰裝置選用不完全凍結(jié)式蓄冰盤管，并采用制冷主機上游、蓄冰盤管下游的單級泵串聯(lián)冰蓄冷系統(tǒng)流程，本系統(tǒng)運行效率高、控制簡單可靠、使用靈活。系統(tǒng)冬夏季運行流程示意如圖3所示。

表2 投資運行費用匯總表 萬元

圖3 冰蓄冷地源熱泵系統(tǒng)冬夏季流程示意圖

地埋管子系統(tǒng)換熱器總量1100根，換熱孔最佳設(shè)計深度為100 m。地埋管系統(tǒng)采用雙U型PE換熱管，管徑DN32 mm。地埋管換熱器埋管間距為6 m，采用平行四邊形布置。室外集、分水器做法考慮地下室安裝成品集、分水器。室外集、分水器至機房水平埋地管道埋深4 m（相對室外地坪自然標(biāo)高），水平管道采用HSS型高密度聚乙烯直埋保溫管（國標(biāo)焊接鋼管、50 mm厚聚氨酯保溫層，聚氨酯容重50 kg/m3以上，管道外層為高密度聚乙烯塑料管）。由于深層巖土溫度場受地面溫度影響很小，因此必須注意冬季吸熱量和夏季排熱量的平衡，在系統(tǒng)中預(yù)留閉式冷卻塔接入系統(tǒng)，幫助地下巖土實現(xiàn)熱平衡。冰蓄冷耦合地源熱泵中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的具體配置見表3所示。

4 結(jié)束語

冰蓄冷技術(shù)與地源熱泵技術(shù)是空調(diào)冷熱源的重要技術(shù)進步，對實現(xiàn)電網(wǎng)移峰填谷、提高電力系統(tǒng)進行效率具有明顯作用，地源熱泵作為可再生能源開發(fā)應(yīng)用，是實現(xiàn)節(jié)能減排、低碳發(fā)展的重要途徑。然而，它們的發(fā)展同時又受到各自技術(shù)本身局限性的制約，本文將它們兩者進行耦合使用，能有效實現(xiàn)各自優(yōu)缺點的揚棄，能夠大幅度提高中央空調(diào)市場的接受程度，使它們獲得更加廣泛的應(yīng)用。如蘇州某研究院項目，采用耦合技術(shù)，一次性投資比單純地源熱泵系統(tǒng)節(jié)省20%，運行電費節(jié)省27%，采暖能源費用較燃油鍋爐節(jié)省40%；根據(jù)測算，每年還可節(jié)水約5萬t，減少二氧化碳排放3萬t，每年至少減少燃煤消耗6000 t，減排煙氣量1.8億m3；同時，由于采用了冰蓄冷地源熱泵耦合節(jié)能技術(shù)，項目業(yè)主獲得了600萬元的政府補貼。該項目于2009年12月投入試運行，冰蓄冷適應(yīng)建筑物分步建成投入使用的技術(shù)特性也得到了較好的驗證，目前已投用建筑的空調(diào)使用負荷約為設(shè)計負荷的60%，截止到2010年8月底空調(diào)系統(tǒng)基本處于全融冰模式運行，土壤溫度和冷卻水度持續(xù)穩(wěn)定，支付電費約35萬元，遠優(yōu)于設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)運行得到用戶的充分肯定，已經(jīng)成為華東地區(qū)冰蓄冷地源熱泵耦合技術(shù)應(yīng)用的示范工程。

表3 冰蓄冷耦合地源熱泵冷熱源系統(tǒng)配置表

［1］馬最良.馬最良教授學(xué)術(shù)論文集［C］.北京：暖通空調(diào)雜志社，2010.

［2］范慶，葉水泉，王維明，等.浙江省科研機構(gòu)創(chuàng)新基地低碳能源規(guī)劃研究報告［R］.杭州：杭州國電能源環(huán)境設(shè)計研究院，2010.