中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 趙 磊 肖 武

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于江蘇省無錫市，總建筑面積為17萬m2，其中地上11萬m2，地下6萬m2。項(xiàng)目建筑功能多樣，包括科研、辦公、實(shí)驗(yàn)、食堂、會(huì)議等多種功能，地下部分為車庫。項(xiàng)目總冷、熱負(fù)荷分別為12 299、5 050 kW，全日累計(jì)冷、熱負(fù)荷分別為138 500、50 150 kW·h。夏季及冬季典型日冷熱負(fù)荷分布見圖1。

圖1 夏季、冬季設(shè)計(jì)日供冷、供熱負(fù)荷分布

該項(xiàng)目用能集中在白天，夜間基本無空調(diào)負(fù)荷?？偱潆娙萘窟^高會(huì)帶來配電站建設(shè)成本大增，建設(shè)方要求整個(gè)新區(qū)總配電容量不超過12 000 kV·A，所以必須嚴(yán)格控制空調(diào)系統(tǒng)配電容量。如采用蓄能系統(tǒng)，則項(xiàng)目電價(jià)執(zhí)行無錫地區(qū)電熱鍋爐(蓄冰制冷)峰谷分時(shí)電價(jià)(峰時(shí)電價(jià)為0.860 1元/(kW·h)，谷時(shí)電價(jià)為0.386 7元/(kW·h))。

2 空調(diào)冷熱源方案的選擇與確定

2.1 方案確定總體原則

基于該項(xiàng)目的功能特點(diǎn)及國家政策相關(guān)要求，在設(shè)計(jì)冷熱源時(shí)要滿足下列要求：1) 保證供冷、供熱安全；2) 充分利用可再生能源；3) 系統(tǒng)投資、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理；4) 降低能源消耗，減少碳排放；5) 盡量降低配電總?cè)萘?，降低用電需求?/p>

2.2 項(xiàng)目可用資源分析

1) 市政電力接入，電力充足，執(zhí)行峰谷電價(jià)。

2) 淺層地?zé)崮苜Y源。

經(jīng)勘查，地塊內(nèi)地下土壤地埋孔可鉆性較好，鉆孔成本較低，且經(jīng)過熱物性測試，地下?lián)Q熱較好，冬季取熱、夏季排熱能力較強(qiáng)，土壤導(dǎo)熱性能較好，較適宜利用淺層地?zé)崮堋?/p>

地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告有關(guān)測試孔的熱物性數(shù)據(jù)見表1。

表1 地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)熱物性數(shù)據(jù)

2.3 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，地源熱泵適用于該項(xiàng)目。另外，項(xiàng)目所在地有峰谷電價(jià)政策，采用蓄冷系統(tǒng)節(jié)費(fèi)潛力較大，因此，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源選擇大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)。由于該項(xiàng)目采用機(jī)組制冷與融冰供冷的聯(lián)合供冷方式，且機(jī)組制冷所占比例大，因此機(jī)組制冷時(shí)蒸發(fā)溫度不宜過低，否則冷水機(jī)組效率會(huì)降低[1]。考慮到溫差過大會(huì)造成末端盤管造價(jià)增加，夏季冷水供/回水溫度取5 ℃/13 ℃，冬季熱水供/回水溫度取45 ℃/37 ℃。

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)、占地面積、機(jī)房位置規(guī)劃、地埋管換熱器冷熱平衡需求等因素，地埋管為550孔，孔深130 m。地埋管換熱器采用雙U形管，梅花狀布置，相鄰鉆孔間距為5 m；孔內(nèi)采用De32×3 mm HDPE管，承壓1.6 MPa。一般系統(tǒng)通常是冰蓄冷、水蓄熱分別設(shè)置，需要2套設(shè)備，該項(xiàng)目采用冰蓄冷、水蓄熱于一體的復(fù)合式蓄能系統(tǒng)，同一設(shè)備實(shí)現(xiàn)冬夏兩季蓄能，蓄能效率大幅度提高，節(jié)省冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，還可以節(jié)省蓄能設(shè)備占用空間。

該項(xiàng)目全日冷負(fù)荷為138 500 kW·h，采用部分負(fù)荷均衡蓄冷，全日蓄冷量為35 160 kW·h，蓄冰率為25.4%，則制冷機(jī)組標(biāo)定制冷量為6 595 kW。該項(xiàng)目全日熱負(fù)荷為50 150 kW·h，采用部分負(fù)荷均衡蓄熱，全日蓄熱量為19 000 kW·h，蓄熱率為37.9%，則熱泵機(jī)組標(biāo)定制熱量為2 510 kW。主要設(shè)備配置及參數(shù)見表2。

表2 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備

3 系統(tǒng)運(yùn)行策略

3.1 夏季制冷

夏季典型日蓄、放冷量分布如圖2所示，其中00:00—08:00為蓄冷時(shí)段，08:00—22:00為釋冷時(shí)段，總的蓄、放冷量基本持平。蓄冷系統(tǒng)按冰蓄冷和水蓄冷2種蓄冷模式運(yùn)行。其中冰蓄冷模式主要用于夏季中期負(fù)荷較大時(shí)段，此時(shí)以雙工況冷水機(jī)組蓄冰供冷為主、地源熱泵供冷為輔；水蓄冷模式主要用于初夏、夏末負(fù)荷較小時(shí)段，此時(shí)以地源熱泵供冷為主。2種模式具體運(yùn)行策略如下：

圖2 夏季典型日制冷負(fù)荷平衡圖

1) 冰蓄冷系統(tǒng)控制。

① 冰蓄冷系統(tǒng)參與運(yùn)行的設(shè)備有雙工況冷水機(jī)組、乙二醇泵、冷卻水泵、制冷機(jī)循環(huán)水泵、冷卻塔。

② 冰蓄冷運(yùn)行模式包括夜間蓄冰、夜間蓄冰+供冷、白天蓄冰內(nèi)融冰、外融冰放冷、水冰放冷+雙工況供冷、蓄冰放冷+雙工況+熱泵供冷。

③ 夜間利用雙工況冷水機(jī)組蓄冰，蓄冷停機(jī)溫度為-6 ℃。

④ 夏季供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)供/回水溫度為5 ℃/13 ℃。

⑤ 日間系統(tǒng)運(yùn)行采用優(yōu)化控制方式，均衡分配冷源供給，根據(jù)末端負(fù)荷、電價(jià)政策合理確定冷水機(jī)組、熱泵機(jī)組、蓄冷系統(tǒng)的供冷比例。

⑥ 蓄冷系統(tǒng)放冷優(yōu)先采用內(nèi)融冰放冷模式。

⑦ 根據(jù)回水溫度確定需要優(yōu)先開啟的冷源，停機(jī)順序與開啟順序相反，逐個(gè)冷源按負(fù)荷情況(回水溫度)逐漸停機(jī)。逐個(gè)冷源的投入運(yùn)行和停止運(yùn)行的溫度偏差分別為0.5 ℃和-0.5 ℃，允許溫度偏差的時(shí)間為20 min。

⑧ 蓄冷時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)室外氣候條件自動(dòng)切換冷卻塔或者地埋管進(jìn)行散熱，以保證系統(tǒng)整體運(yùn)行能效比最高。

2) 水蓄冷系統(tǒng)控制。

① 水蓄冷系統(tǒng)參與運(yùn)行的設(shè)備有熱泵機(jī)組、蓄能泵、放能泵、地源熱泵系統(tǒng)水泵、蓄能空調(diào)泵。

② 水蓄冷運(yùn)行模式包括夜間熱泵水蓄冷、水蓄冷放冷、熱泵單獨(dú)供冷、水蓄冷供冷+熱泵+制冷機(jī)供冷。

③ 夜間蓄冷，利用熱泵機(jī)組蓄冷，開始蓄冷溫度為12 ℃，蓄冷停機(jī)溫度為4 ℃。

④ 白天系統(tǒng)運(yùn)行采用優(yōu)化控制方式，均衡分配冷源供給，根據(jù)末端負(fù)荷、電價(jià)政策合理確定熱泵機(jī)組、蓄冷系統(tǒng)的供冷比例。

3.2 冬季供熱

冬季典型日蓄熱量和釋熱量分布如圖3所示，其中00:00—08:00為蓄熱時(shí)段，08:00—22:00為釋熱時(shí)段，總的蓄熱量和釋熱量基本持平。冬季供熱水蓄熱系統(tǒng)控制如下：

圖3 冬季典型日供暖負(fù)荷平衡圖

1) 水蓄熱系統(tǒng)參與運(yùn)行的設(shè)備有熱泵機(jī)組、蓄能泵、放能泵、地源熱泵系統(tǒng)水泵、蓄能空調(diào)泵。

2) 水蓄熱運(yùn)行模式包括夜間熱泵水蓄熱+放熱、水蓄熱放熱、熱泵單獨(dú)供熱、水蓄熱供熱+熱泵供熱。

3) 夜間利用熱泵機(jī)組蓄熱，開始蓄熱溫度為38 ℃，蓄熱停機(jī)溫度為46 ℃。

4) 冬季供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)供/回水溫度為45 ℃/37 ℃。

5) 白天系統(tǒng)運(yùn)行采用優(yōu)化控制方式，均衡分配熱源供給，根據(jù)末端負(fù)荷、電價(jià)政策合理確定熱泵機(jī)組、蓄熱系統(tǒng)的供熱比例。

6) 根據(jù)回水溫度確定需要優(yōu)先開啟的熱源，停機(jī)順序與開啟順序相反，逐個(gè)熱源按負(fù)荷情況(回水溫度)逐漸停止。逐個(gè)熱源的投入運(yùn)行和停止運(yùn)行的溫度偏差分別為-0.5 ℃和0.5 ℃，允許溫度偏差的時(shí)間為20 min。

4 運(yùn)行費(fèi)用及地埋管熱平衡計(jì)算

4.1 夏季制冷運(yùn)行費(fèi)用

該項(xiàng)目夏季制冷時(shí)間從5月5日至10月15日，共計(jì)162 d，空調(diào)冷源運(yùn)行費(fèi)用如表3所示。

表3 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)表3計(jì)算得到該項(xiàng)目夏季制冷費(fèi)用指標(biāo)為27.63元/m2。

4.2 冬季供暖運(yùn)行費(fèi)用

項(xiàng)目供暖時(shí)間從11月25日至次年3月5日，共計(jì)100 d，空調(diào)熱源運(yùn)行費(fèi)用如表4所示。

表4 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)表4計(jì)算得到該項(xiàng)目冬季供暖費(fèi)用指標(biāo)為6.76元/m2。

4.3 地埋管熱平衡計(jì)算

采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，需要考慮冬夏土壤是否熱平衡，土壤熱平衡問題已經(jīng)成為制約其科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。對該項(xiàng)目地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行了1 a的取熱、放熱量計(jì)算，在計(jì)算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量與總吸熱量分別為3 011 512、3 335 249 kW·h。

為了解決冬夏熱量失衡的問題，該項(xiàng)目雙工況離心式冷水機(jī)組配套設(shè)置了冷卻塔，機(jī)組運(yùn)行時(shí)開啟冷卻塔滿足其使用。經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目地埋管地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的不平衡率為11%，可行。

5 結(jié)論

1) 對系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用及地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱平衡計(jì)算結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)適用于該項(xiàng)目。

2) 采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以移峰填谷，均衡電網(wǎng)負(fù)荷，提高電力建設(shè)投資效益及為用戶節(jié)省空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。

3) 該項(xiàng)目采用的冰蓄冷、水蓄熱一體復(fù)合式蓄能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冬夏兩季蓄能，蓄能效率大幅度提高，節(jié)省冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，還可以減少蓄能設(shè)備占用空間。

4) 該項(xiàng)目地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬夏熱不平衡率為11%，無需采取其他輔助措施。

5) 大溫差蓄能式地源熱泵系統(tǒng)方案的制定充分考慮了項(xiàng)目的負(fù)荷特點(diǎn)，根據(jù)不同的負(fù)荷情況采取了相對應(yīng)的運(yùn)行策略，運(yùn)行后會(huì)給使用方帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。