北京用友软件园一期地源热泵冰蓄冷综合应用项目

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摘要：本文介绍了北京用友软件园一期地源热泵冰蓄冷综合系统的设计方案，并简述了蓄冰系统在初投资和运行费用上的优势。

关键词：地源热泵；冰蓄冷；综合应用

中图分类号：TH3文献标识码： A

1、工程概况

北京用友软件园位于中关村永丰产业基地西南端，东临永丰路，南面是永丰南环路，西靠西滨河路，北与北清路接壤。整个软件园占地面积45.52公顷，总建筑面积29.6万平方米，分两期建设，一期主要有：1＃研发中心5.5万平方米（其中预留1万平方米）、2＃研发中心7.0万平方米（其中预留1万平方米）、5＃研发中心4.5万平方米（其中预留0.5万平方米）、制餐中心5000平方米、交流中心1000平方米、员工食堂2000平方米、展示中心5000平方米和北侧试验楼2000平方米，一期建筑总面积合计18.4万平方米。

2、设计思路

中央空调系统旨在为软件园一期的18.4万平米空调面积提供夏季空调和冬季采暖，及常年全天生活卫生热水。本系统设计思路为：冬季供暖以地源热泵机组承担总负荷的60%，通过燃气锅炉调峰；夏季供冷以离心式冷水机组承担基载负荷，通过地源热泵及冰蓄冷方式调峰；生活热水采用热泵机组优先提供的运行模式，不足的量由燃气锅炉提供。

3、冷热源方案

3.1、冬季供暖方案

根据软件园冬季空调设计热负荷总量11139kw，按照复合式系统的设计思路和设计原则，以一期规划冬季设计日最高热负荷的60％为标准，选用三工况地源热泵机组4台，单台机组制热量为1676 kw，同时选用4台燃气锅炉，单台制热量2100kw，即可满足热负荷日的调峰要求。地源热泵机组通过地埋管循环水系统，从地层中得到低品位热能。并可在土壤内储存一定的冷能供夏季使用。

图 1

根据软件园冬季供暖需求的实际情况，地源热泵系统承担总负荷的60%，燃气锅炉作为调峰手段，当地源热泵机组全部投入使用仍无法满足要求时，联合燃气锅炉共同承担。燃气锅炉的运行时间大约为2个月。

3.2、夏季制冷方案

夏季设计最大冷负荷为15784kw（4489RT）。整个软件园存在建筑形式多样、使用功能各异、机房设备运行散发大量热能等因素，空调冷负荷比较复杂。各时段负荷分布如下图所示：

图 2

根据上述负荷分布图可以看出本项目的冷负荷结构，负荷集中在8：00—21：00，13小时运行期间电力高峰段为6小时，电力平段为7小时。从总体上看全天负荷存在极其明显的变化，空调系统适宜设计成蓄冷系统。

典型空调设计日（100%负荷）负荷分配情况：由于设计日逐时冷负荷较大，为了充分利用蓄冰设备和热泵机组的供冷能力，最大的降低系统运行电费，空调冷负荷由三工况热泵机组、机载主机和蓄冰设备共同承担。结合北京市的电价政策，三工况热泵机组在夜间的电力低谷时段23：00—7：00进行蓄冰；为了合理化运行及尽可能节省运行费用，需要把蓄冰设备冷量尽量用在高峰段上。在这种运行策略下，可以使空调供冷得到最优化的分配，同时尽可能的降低了运行电费。

图 3

3.3、生活热水制取方案

冬季：主要依靠在下班之后或在夜里23:00～7:00 之间电价低谷期内，此时建筑采暖用热已极大减少，可自动调整出部分采暖系统富裕出的热泵机组用于加热生活卫生热水，并储存于一定容积的蓄热水罐内（热水罐容积为108m3），实现随时按需供水。不足的部分由燃气锅炉提供，最大限度地节约生活卫生热水加热费用。

春秋过渡季节：由热泵机组单独供应热水。

夏季：夜间蓄冰的时候，卫生热水由储存于水箱中的热水提供，不足的部分由燃气锅炉提供，其它时间段由热泵机组提供，不足的部分由燃气锅炉补充，最大限度地节约生活卫生热水加热费用。

4、系统运行费用分析

系统从2007年5月10日开始供冷，在系统运行的过程中，我们对各种工况进行了记录分析。2007年6月15日室外的气温达到了37℃，以该天的数据为例进行数据分析。

4.1、电价政策

北京市采用分时段的峰谷电价政策，本项目所在地的电网分时段峰谷电价如下表：

表1

时间范围 电价（元/kwh）

尖峰段 7、8、9月11：00-13：0020：00-21：00 1.244

高峰段 10：00-15：00 18：00-21：00 1.137

平段 7：00-10：00 15：00-18：0021:00-23:00 0.6962

低谷段 23：00-7：00 0.2806

4.2、运行工况分析

4.2.1、制冰工况分析

4台热泵机组在14日的22：10到15日的6：00谷电时段内8小时满负荷运转进行制冰。此时，热泵机组在制冰工况下工作，向地埋管侧排放冷凝热。热泵机组和地温场的温度曲线图如下：

图4 6月14～15日热泵机组制冰工况温度曲线图

从上图的温度曲线可以看出，热泵机组制冰工况的平均出水温度为－6℃，平均入水温度为－2.2℃，达到了热泵机组的设计出入水温度；地埋管侧的平均出水温度为21.5℃，平均入水温度为25.5℃，可见地埋管系统的冷却能力要远好于冷却塔系统的冷却能力。

4.2.2、热泵机组制冷工况分析

在系统开始制冷前，先开启1～2台热泵机组在9：00－10：30的平电时段内为末端空调系统供冷。此时，热泵机组在制冷工况下工作，同样向地埋管侧排放冷凝热。热泵机组和地温场的温度曲线图如下：

图515日热泵机组供冷工况温度曲线图

6月15日在电力平段9：00－10：30时段内开启1～2台热泵机组为末端供冷，从温度曲线可以看出，热泵机组供冷的出水平均温度为5.5℃，入水平均温度为12.5℃；地埋管平均出水温度20℃，平均入水温度26.5℃。

4.2.3、冰槽融冰供冷工况分析

在10：40－19：30的电力平、峰和尖峰时段内由蓄冰槽融冰供冷，不需热泵机组开启。此时，热泵机组不工作，地埋管侧处于恢复阶段。热泵机组和地温场的温度曲线图如下：

图615日冰槽融冰工况温度曲线图

在10：40－19：30的电力平、峰和尖峰时段内由蓄冰槽融冰供冷，从温度曲线可以看出，冰槽的出水平均温度为5℃，入水平均温度为8.5℃；末端空调系统平均出水温度7℃，平均入水温度9.2℃。

4.3、运行费用测算

测算原则：综合考虑地源热泵＋蓄冰系统中热泵机组在夜间谷电时段制冰时所消耗的电费以及白天融冰时循环泵的耗电，把它折算成常规地源热泵系统中热泵机组在白天供冷所消耗的电费，两者的差值即是节省的运行费用。

夜间谷电时段的电价为0.2806元/kwh，白天的平均电价取0.9662元/kwh。

地源热泵＋蓄冰系统：在夜间，4台热泵机组8小时满负荷运转制冰，蓄存的冷量为26560kwh，冰槽的冷损失系数取0.1，实际蓄存的冷量为23904kwh，所消耗的电量为8064kwh，电费8064*0.2806=2263元。

常规地源热泵系统：在白天，热泵机组同样制取23904kwh冷量，所消耗的电量为23904/1248*265=5076kwh，电费5076*0.9662=4904元，考虑到常规地源热泵系统中没有乙二醇循环泵，电费乘以0.9，即为4904*0.9=4414元。

每天节省的运行费用为4414－2263＝2151元。

在整个夏季，地源热泵＋蓄冰系统大约节约26万的运行费用。

通过前述的负荷分析可知，采用蓄冰制冷解决了约50%的热泵负荷，也即减少了约50%的热泵和地埋管初投资，综合考虑蓄冰的初投资，那么和热泵制冷相比，本系统采用部分蓄冰降低了约400万的初投资。

结束语

建筑空调用电作为社会能耗的一部分，有着巨大的节能潜力。优化地源热泵冰蓄冷综合系统的设计方案，将地源热泵和蓄冰制冷系统有机结合，既体现了地源热泵的节能特点，又发挥出了冰蓄冷的优势，解决了热泵负荷，也减少了约50%的热泵和地埋管初投资。因此，优化设计方案，采用蓄冰系统在初投资和运行费用上具有很大的优势，真正达到了节能降耗减少投资成本的目的。

参考文献：

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[2] 李吉强.浅谈冰蓄冷技术的应用——以某大型酒店制冷方案为例[J].科技情报开发与经济.2011(03)

[3] 唐春丽,陈育平,张东辉,路诗奎.江苏地区某办公楼冰蓄冷空调系统设计[J]. 制冷与空调.2011(04)