復合式能源站在貴州某高校項目中的節(jié)能應用

摘 要：本文介紹了貴州某高校項目能源站設計的必要性和合理性，闡述系統(tǒng)設計總體方案，并對該項目的運行節(jié)能效果進行分析。

關鍵詞：復合系統(tǒng)；能源站；節(jié)能

1 項目簡介

該項目位于貴州省內(nèi)，總建筑面積約45萬m2，可容納15000余名師生正常工作。按貴州建筑熱供設計分區(qū)標準來看，該項目區(qū)域建筑氣候分區(qū)為夏熱冬冷地區(qū)，冬季多陰雨天，陰冷感嚴重，冬季室內(nèi)熱環(huán)境舒適度十分低，如果沒有采暖設備，難以保證正常的生活和工作。

作為新建校區(qū)，在遵循建設總體原則和達到建設人性化校園、綠色生態(tài)校園的前提下，應該考慮到校園建筑使用中人體舒適情況，即采用合適的空氣調(diào)節(jié)方式，為師生提供良好的學習工作環(huán)境。

為此，該項目使用能源站集中供冷供熱，取消單體建筑部分的空調(diào)室外設備，同時達到了美化校園環(huán)境，降低建設配電負荷，減少總體投資成本的目的。通過對比各冷熱源形式優(yōu)缺點[1]，并綜合考慮校內(nèi)空調(diào)負荷需求、使用特點、初投資和運行成本，能源站采用地源熱泵+風冷熱泵負荷式冷熱源方案。

2 總負荷計算

本項目總建筑面積約45㎡，空調(diào)面積約為21萬㎡。如果空調(diào)系統(tǒng)為整個校區(qū)的全部建筑同時制冷或供暖，系統(tǒng)總體成本非常高。《實用供熱空調(diào)設計手冊》中的大學校園建筑物空調(diào)系統(tǒng)的同時使用系數(shù)僅為0.49-0.55。所以本校區(qū)采用錯峰運行，宿舍和公共教學樓交替運行。白天供能公共教學樓，夜間供能宿舍樓，優(yōu)先開啟地源熱泵，地源熱泵達到滿負荷后開啟風冷熱泵運行，從而降低運行成本。

采用全年動態(tài)負荷[2]，并參考同類建筑在該項目區(qū)域及氣候條件下，計算校內(nèi)所有建筑物的負荷匯總，并考慮同時使用系數(shù)，根據(jù)最大時刻負荷選取機組總容量。

2.1 地源熱泵系統(tǒng)

根據(jù)校區(qū)總體規(guī)劃，結合能源站選址。選擇的打井區(qū)域可以是靠近能源站，且避開排水溝以及架空輸電線、電信電纜的分布，并不對校園林綠化產(chǎn)生破壞的大面積空地，同時為保證項目經(jīng)濟性和安全性避開了回填土區(qū)。最終鉆設1500口雙U型室外熱源井，有效單井深50m。根據(jù)單口井換熱能力計算得出，地埋管換熱器制冷工況可承擔4170kW負荷，冬季供暖工況可承擔3315kW負荷。由地埋管承擔冷熱源負荷，采用2臺地源熱泵主機，制冷量、制熱量分別為1492kW、1571kW功率分別為252kW、331kW。

2.2風冷熱泵系統(tǒng)

由最大負荷減去地源熱泵計算風冷熱泵承擔負荷，確定使用風冷熱泵6臺，制冷量、制熱量分別為1302kW、1338kW，功率分別為434kW、392kW。地源熱泵回路與風冷熱泵回路共用一組分集水器，能源站管網(wǎng)設計為枝狀管網(wǎng)，主機房位于主要負荷處，并設立二級增壓泵房，二級泵房與主機房之間通過DN400主管道連接。

3 運行費用比較

主要將該復合系統(tǒng)與冷水機組+燃氣鍋爐（傳統(tǒng)系統(tǒng)）進行對比，后者消耗包括電能和天然氣，前者主要消耗電能。取發(fā)電標準煤耗量為0.35kg，每立方天然氣折合一次能為38930.696kJ。

（1）地源熱泵+風冷熱泵系統(tǒng)常規(guī)能量代替量QS應按下式計算：

其中：QS—常規(guī)能量代替量（kgce）；Qt—傳統(tǒng)系統(tǒng)總能耗（kgce）；Qr—復合系統(tǒng)總能耗（kgce）。

（2）對于采暖系統(tǒng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗Qt應該按下式計算：

其中： q—標準熱煤值（MJ/kgce），取29.307MJ/kgce；QH—供暖季累計熱負荷（MJ）；nt—傳統(tǒng)能源運行效率，取0.8。

（3）對于空調(diào)系統(tǒng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗Qt應該按下式計算：

其中：D—每度電折合所耗標準煤量（kgce/kWh）；Qc—供冷季累計冷負荷（MJ）；EERt—常規(guī)水冷機組制冷能效比，本標準取3.1。

（4）整個供暖季（制冷季）地源熱泵+風冷熱泵系統(tǒng)的年耗能量Qrc、 Qrh該按下式計算：

其中：Qrc—復合系統(tǒng)制冷總能耗（kgce）；Qrh—復合系統(tǒng)供暖總能耗（kgce）；D—每度電折合所耗標準煤量（kgce/kWh）； EERSYS—復合系統(tǒng)制冷能效比，本系統(tǒng)取4.23；COPSYS—復合系統(tǒng)制熱能效比，本系統(tǒng)取3.77。

（5）地源熱泵+風冷熱泵系統(tǒng)年節(jié)約費用CS應按下式計算

其中：CS—地源熱泵年節(jié)約費用（元/年）；P—常規(guī)能源價格（元/kWh）；（ ，其中PR為天然氣價格3.9元/Nm3，R為天然氣熱值

11kWh/Nm3）；M—每年運行維護增加費用（元）。

綜上所述復合系統(tǒng)能源站供暖季和制冷季年節(jié)約費用如表1所示。

根據(jù)計算可以得出，該項目采用地源熱泵+風冷熱泵系統(tǒng)比采用常規(guī)水冷+熱水鍋爐空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)約運行費用347.5萬元，節(jié)能效果顯著。在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)，復合系統(tǒng)經(jīng)濟性更具有優(yōu)勢。

該復合系統(tǒng)不僅達到了節(jié)能減排的目的，還將對貴州省陸續(xù)建設的其它項目起到非常積極的引導作用，有利于當?shù)氐吞冀?jīng)濟的發(fā)展。

參考文獻：

[1]張先提，曹圓樹。能源站供冷系統(tǒng)冷源優(yōu)化配置分析研究[J]，南方能源建設，2016，A1，18-21。

[2]黃挺，曹園樹。基于全年逐時負荷的分布式能源站制冷主機容量分配優(yōu)化設計[J]，暖通空調(diào)，2015，9，30-33。

作者簡介：

李曉棟，男，1992.2，山西省翼城縣，助理工程師，碩士，中冶集團武漢勘察研究院有限公司。新能源開發(fā)與利用。