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(1.淮北礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000；2.中國礦業(yè)大學(xué)電力與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

21世紀(jì)地源熱泵被稱為一項最具有發(fā)展前途的節(jié)能和環(huán)保型制冷空調(diào)技術(shù)，同時冰蓄冷技術(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。但是，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。因此，提出將地源熱泵和冰蓄冷技術(shù)有機結(jié)合，對它們各自優(yōu)缺點進行揚棄，可以在保持各自經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢的同時，有效克服各自的缺點。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。此時機組冬夏匹配性好，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?，提高機組利用率，同時也有利于土壤中熱量的全年平衡。

1 協(xié)同冷暖系統(tǒng)的構(gòu)建

工程位于安徽省淮北市，為淮北某集團股份有限公司新辦公中心和配套住宅區(qū)地源熱泵中央冷暖系統(tǒng)冷熱源工程。該工程的空調(diào)服務(wù)區(qū)域為：辦公中心主樓，其地上十九層，地下兩層；辦公中心輔樓；配套的七棟高層住宅樓。

工程為區(qū)域能源中心，負擔(dān)的建筑負荷較大，樓群數(shù)量多。根據(jù)末端的設(shè)計需求，對空調(diào)服務(wù)區(qū)域進行分區(qū)：高區(qū)，包括辦公中心主樓、15層以上住宅樓；低區(qū)，包括辦公中心輔樓、15層及以下住宅樓。

地源熱泵與冰蓄冷協(xié)同冷暖系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 協(xié)同冷暖系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)主要由低區(qū)地源熱泵系統(tǒng)、高區(qū)地源熱泵系統(tǒng)、雙工況機組系統(tǒng)、蓄冰/融冰系統(tǒng)組成。低區(qū)供熱由低區(qū)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)，高區(qū)供熱由高區(qū)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)。低區(qū)供冷由蓄冰/融冰系統(tǒng)、低區(qū)地源熱泵系統(tǒng)、雙工況機組系統(tǒng)承擔(dān)，高區(qū)供冷由蓄冰/融冰系統(tǒng)、高區(qū)地源熱泵系統(tǒng)、雙工況機組系統(tǒng)承擔(dān)。低區(qū)和高區(qū)供冷時，優(yōu)先使用蓄冰/融冰系統(tǒng)供冷，其次是地源熱泵系統(tǒng)，最后是雙工況機組系統(tǒng)。

地源熱泵供暖冷暖系統(tǒng)主要分三部分：室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵主機系統(tǒng)和室內(nèi)末端系。冰蓄冷部分采用部分負荷蓄冰技術(shù)，內(nèi)融冰冷機上游串聯(lián)系統(tǒng)，板環(huán)一次側(cè)供回水溫度4/11 ℃,冷凍水供回水溫度7/12 ℃，載冷劑采用25%乙二醇溶液。

2 協(xié)同冷暖工程運用策略

2.1 協(xié)同冷暖系統(tǒng)的供冷策略

工程有住宅和辦公樓組成，兩部分對冷負荷的使用時間存在較大差異，雙工況機組在設(shè)計日負荷狀態(tài)下夜間作為制冰機運行，白天參與供冷。部分負荷段，雙工況冷機根據(jù)電價的峰谷和負荷的高低，確定啟停，聯(lián)合熱泵系統(tǒng)和蓄冰裝置融冰供冷，使系統(tǒng)調(diào)配靈活。

按100%負荷在供冷季出現(xiàn)15天計算(含休息日)，由于冷暖系統(tǒng)設(shè)計日的逐時冷負荷較大，為了充分利用蓄冰裝置和制冷機的供冷能力，最大的降低系統(tǒng)運行電費，空調(diào)冷負荷由雙工況冷機、熱泵和蓄冰裝置共同承擔(dān)。設(shè)備根據(jù)末端負荷變化情況作適當(dāng)?shù)淖冾l調(diào)整，確保系統(tǒng)最優(yōu)運行。設(shè)計日100%冷負荷分布見表1。

表1 蓄冰空調(diào)設(shè)計日100%負荷平衡表

表續(xù)1

時間負荷辦公負荷住宅負荷負荷分配(RT)(RT)(RT)(RT)蓄冷主機基載熱泵冰槽供冷12∶00-13∶00(平)63492850349919503352104713∶00-14∶00(平)6118296931491950335281614∶00-15∶00(平)5894309527991950335259215∶00-16∶00(平)5642319324491950293375916∶00-17∶00(平)56453196244919502514118117∶00-18∶00(峰)57053081262419502514124118∶00-19∶00(峰)5291266726241950251482719∶00-20∶00(峰)4861241224491950251439720∶00-21∶00(峰)4826237724491950251436221∶00-22∶00(峰)22740227402274022∶00-23∶00(平)22740227402274023∶00-24∶00(谷)209902099020990總計(RTH)972253774059485253506059711278

75%負荷段在淮北的整個空調(diào)供冷季出現(xiàn)的時間比較長，按45天計算(含休息日)，如何更合理的分配空調(diào)負荷，調(diào)整好制冷機和蓄冰裝置的供冷成為決定該時段制冷站運行費用節(jié)省多少的關(guān)鍵。75%負荷狀態(tài)下的逐時冷負荷仍然比較大，在電價高峰時段盡量讓蓄冰裝置多承擔(dān)冷負荷，最大限度降低系統(tǒng)運行電費。設(shè)計日75%冷負荷分布見表2。

表2 蓄冰空調(diào)設(shè)計日75%負荷平衡表

50%負荷段在整個空調(diào)季出現(xiàn)時間較長，按60天算(含休息日)。設(shè)計日50%冷負荷分布見表3。

表3 蓄冰空調(diào)設(shè)計日50%負荷平衡表

設(shè)計日25%冷負荷分配策略,出現(xiàn)時間按30天計算(含休息日)。25%負荷段的日總冷負荷較小，高峰電時段冷負荷完全可由蓄冰裝置獨立負擔(dān)，即實現(xiàn)全融冰供冷，蓄冰系統(tǒng)的削峰填谷優(yōu)勢體現(xiàn)的更加明顯。這種的運行策略冷源系統(tǒng)的運行電費更經(jīng)濟。設(shè)計日25%冷負荷分布見表4。

表4 蓄冰空調(diào)設(shè)計日25%負荷平衡表

續(xù)表4

時間負荷辦公負荷住宅負荷負荷分配(RT)(RT)(RT)(RT)蓄冷主機基載熱泵冰槽供冷00-14∶00(平)153074278701530000-15∶00(平)147477470001474000-16∶00(平)141179861201411000-17∶00(平)1411799612083857300-18∶00(峰)142677065600142600-19∶00(峰)132366765600132300-20∶00(峰)121560361200121500-21∶00(峰)120759461200120700-22∶00(峰)56905690056900-23∶00(平)56905690569000-24∶00(谷)525052505250總計(RTH)2430694351487101314411162

2.2 協(xié)同冷暖系統(tǒng)的供熱策略

工程冬季采暖為熱泵系統(tǒng)。住宅是地板福射采暖分高低兩個區(qū)，為末端地板輻射采暖提供45/40℃空調(diào)熱水。辦公和住宅供給熱負荷均有熱泵提供，冬季4臺熱泵機組在設(shè)計日負荷時全部投入運行，冷暖系統(tǒng)設(shè)計日的逐時熱負荷較大，熱泵機組承擔(dān)建筑熱負荷。設(shè)計日負荷(最大設(shè)計負荷日)運行分配策略如表5所示。在其它負荷時段，熱泵主機根據(jù)建筑熱負荷大小自動調(diào)節(jié)投入的臺數(shù)和卸載運行。

表5 設(shè)計日負荷(最大設(shè)計負荷日)供熱平衡表

續(xù)表5

時間負荷辦公負荷住宅負荷負荷分配/kW/kW/kW/kW基載熱泵18∶00-19∶00(峰)13392594074521339219∶00-20∶00(峰)13586602675601358620∶00-21∶00(峰)13780611276681378021∶00-22∶00(峰)11327344378841132722∶00-23∶00(平)993017228208993023∶00-24∶00(谷)103621722864010362總計(kWh)317301107342209959317301

3 效益分析

項目采用地源熱泵與冰蓄冷協(xié)同空調(diào)技術(shù)，其中地源熱泵屬于可再生能源技術(shù)和環(huán)保技術(shù)，冰蓄冷屬于先進的節(jié)能技術(shù)。因此，本項目節(jié)能環(huán)保，生態(tài)環(huán)境效益顯著。

以2015-2017年為例，與冬季使用鍋爐和夏季使用空調(diào)相比，本項目合計費用917萬元，采用夏季電力空調(diào)制冷、冬季燒鍋爐取暖費用在1 735萬元，平均每年節(jié)省資金大約818萬元。

4 結(jié)束語

針對通常的三工況地源熱泵與冰蓄冷耦合(聯(lián)合、復(fù)合)系統(tǒng)調(diào)節(jié)不靈活，難以解決冷熱負荷需求差別大的問題，提出并構(gòu)建了一種地源熱泵與冰蓄冷協(xié)同冷暖系統(tǒng)，確定了協(xié)同冷暖系統(tǒng)的供冷策略和供熱策略。對于該系統(tǒng)開展研究得到優(yōu)異的效果，與冬季使用鍋爐和夏季使用空調(diào)相比，協(xié)同冷暖系統(tǒng)每年節(jié)省資金大約818萬元，生態(tài)和社會效益顯著。