1、冰蓄冷与地源热泵系统设计实例摘要:简要介绍了冰蓄冷及地源热泵技术及其各自的优缺点，并通过工程实例将二者有机结合，通过工程实例证明二者结合不仅能够保持各自的优点还能克服各自独立应用的缺点。冰蓄冷联合地源热泵技术在实现电网移峰填谷的同时，能够节省运行费用，减少设备容量，节能减排效果明显。 关键词:冰蓄冷 地源热泵 节能 中图分类号：TE08 文献标识码： A 0 引言 冰蓄冷与地源热泵技术均起源于国外，目前在发达国家，60%以上的建筑物都已使用冰蓄冷技术。在美国地源热泵空调系统占整个空调系统的 40%，是美国政府极力推广的节能、环保技术。从美、日、韩 等国家应用的情况看，冰蓄冷技术在空调负荷集中、
2、峰谷差大、建筑物相对聚集的低区或区域都可推广使用。 随着常规能源的紧缺，以及由于常规能源引起的各类环境问题，使得人们越来越关注潜在的能源危机。因此必须采用节能新技术来降低能耗。而我国建筑方面的能耗占总能耗中的很大一部分，其中空调就占了30%以上。主要从节约能源、保护环境的角度出发，将高效节能的地源热泵系统和冰蓄冷空调系统联合起来，在夏季冷负荷大的地方采用地源热泵联合冰蓄冷系统进行制冷。目前我国每年新建建筑面积约 20 亿平方米，其中，城市新增住宅建筑和公共建筑约 8 亿9 亿平方米，为冰蓄冷技术的推广应用提供了巨大市场。 冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷
3、量释放出来，减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量，它代表着当今世界中央空调的发展方向。削峰填谷、平衡电力负荷，改善发电机组效率从而提高能源的利用效率、减少环境污染，降低总电力负荷，减少电力需求从而减小机组装机容量、节省空调用户的运行费用。它代表着当今世界的中央空调发展方向。地源热泵技术属可再生能源利用技术。由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于 400 米深）作为冷热源， 地源热泵进行能量转换的供暖空调系统，属经济有效的节能技术。地源热泵的冷热源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40%，因
4、此要节能和节省运行费用 40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。在制热制冷时，输入 1KW 的电量可以得到 4-5KW 以上的制冷制热量。运行费用每年每平方米仅为 1826 元，比常规中央空调系统低 40%左右。在瑞士、瑞典、奥地利、丹麦等国家，地源热泵（土壤换热器）技术利用处于领先地位，地埋管土壤换热器热泵得到了广泛的应用。 1 设计实例 天津某低碳产业园总建筑面积 50000 平方米，利用原有工厂企业转换到以创意设计、文化旅游、总部办公为主，实现由生产型向综合服务型的功能转换，通过间空间设计艺术与经典工业建筑结构相融合，体现低碳减
5、排、节能环保等产业元素。 设计日冷负荷 4478.8kW，冰蓄冷比例取日负荷的 10%,23 点到次日 7点为蓄冰时间，每天蓄冷量为 4200kWh，其余由热泵机组提供。 根据负荷情况选用两台 1962.4kW 的螺杆式地源热泵机组，一台制冷量为 623.4kW 的双工况螺杆式冷水机组，冷冻水供、回水温度为 6/13，地埋管供、回水温度为 35/30，共需打井 646 口，地埋管采用双 U 型高密度聚乙烯管，有效孔深 120m，埋管间距 5m。 在地埋管地源热泵机组的选择上，根据不同区域建筑物的基本状况进行设备的选择。因此在机组选择的时候,如果按照冷负荷标准选择机组,则会导致机组的制热能力大大
6、超出建筑物的热负荷需求,造成机组投资和运行的浪费;而若按照热负荷标准选择,则会出现夏季制冷量不够,故可以按照冬季热负荷标准进行选择,以冰蓄冷空调系统作补充。这样不仅可以降低地热换热器的初投资,而且还可以实现地源热泵机组的间歇运行,有利于土壤温度场的有效恢复。此外,冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节,起到“削峰填谷”的作用,但却无法在冬季供暖;而地源热泵技术虽然可以供暖制冷,但却无法在夜间电力低谷时蓄冷,起到平衡电网负荷的功效。因此,地源热泵和冰蓄冷技术的联合运行,既可使用户使用到冬季廉价的地热能资源,又可使用户使用到具有良好舒适性的冰蓄冷空调制冷。这样既减轻了采用常规能源带来的环境压力,还为平衡
7、电网负荷做出了贡献,可谓一举多得。 本工程地源热泵与冰蓄冷空调联合运行系统，采用部分负荷蓄冰，制冷主机和蓄冰设备为串联方式。该蓄冰制冷系统与地源热泵机组并联使用，夏季直接供应 6冷冻水。在夏季夜间电力低谷时段制冰系统将冰蓄满，白天电价高峰时段融冰供冷，融冰量通过改变乙二醇泵频率控制，各工况转换通过电动阀门开关制动切换。部分负荷蓄冰系统的控制，除了保证蓄冰工况与供冷工况之间的转换操作以及空调供水或回水温度控制以外，主要应解决热泵主机和蓄冰装置之间的供冷负荷分配问题。本工程按照地源热泵优先供冷，蓄冰系统调峰，双工况螺杆式冷水机组作为补充的控制方案，以达到最大节约电费的目的。 经济性见表 地源热泵联
8、合冰蓄冷系统 系统设备（含地埋管）/万元 727.4 306.7 配电系统/万元 43.2 64.8 系统投资小计/万元 770.6 371.5 投资对比/万元 比常规系统增加投资 399.1 万元，增加 107.5 电力补贴/万元 预计在 43.248 万元之间 蓄冰设备占地面积/ 134.4 夏季运行费用/万元 52.6 71.7 运行费用对比/万元 比常规系统节约运行费用 19.1 万元，节省37.85 回收年限 4.7a（5.4a 不含电力补贴） 2 地源热泵联合冰蓄冷空调系统的优点及应用前景 针对单一的空气源空调系统或地源热泵空调系统或是冰蓄冷空调系统,笔者提出地源热泵联合冰蓄冷空调
9、系统,其优点在于（1）以土壤为热源,由于全年土壤温度波动小,随着土壤深度的增加,土壤温度变化相对稳定,冬季土壤温度比空气温度高,夏季又比空气温度低,所以热泵的供热供冷的 COP 值均高。因而可以大大空调系统的耗电量,也为用户节省了运行费用；（2）在室外气温处于极度状态时,用户对冷(热)量的需求量处于高峰期,由于土壤温度有延迟,这时它的温度并不处于极端状态,它可以提供较小的冷凝温度和较高的蒸发温度,提高机组的制冷(制热)能力,尽可能满足用户要求；（3）土壤源热泵的埋地盘管不需要除霜,减少了结霜和除霜的损失及复杂的除霜控制,从而降低了户型中央空调机组的造价；（4）土壤源热泵不需要风机,可以减少噪声
10、和热风污染,而且运行情况好于空气源热泵,有较高的可靠性，为用户的使用带来很大的方便；（5）土壤源热泵的主机,可安装在建筑物附属房间内,完全不影响建筑外观；（6）也正是由于土壤温度的延迟作用,因而可以提高户型中央空调单机的制冷量，再加上夜间蓄冰,可减少白天机组制冷量,使机组压缩机容量减小,降低机组造价,同时还可以适应更多的单相电用户的需要；（7）夏季,即便是在夜间,土壤源热泵的冷凝温度也低于空气源热泵,因而可以减小制冷系统运行时的压缩比,这为地源热泵联合冰蓄冷空调系统利用低谷电蓄冰创造了极为有力的条件。 地源热泵联合冰蓄冷空调系统有着较大的市场前景：（1）小型别墅逐年增多,地源热泵联合冰蓄冷空调
11、系统是富裕起来的城乡居民家庭空调的首选机型，这部分居民占我国人口的比例不大,但绝对数不小；（2）城市绿化面积扩大,也为一些低层住户和小型商业，办公用户提供了使用地源热泵联合冰蓄冷空调系统的条件；（3）工矿企业的办公、计量、化验、检测等附属用房也具有使用地源热泵联合冰蓄冷空调系统的条件；（4）据国外资料介绍,在定负荷运行情况下,蓄冷空调比非蓄冷空调年节能率为 13%。因此,蓄冷空调将得到国家重视和推广,并有可能获得国家补助,以降低用户的投资；（5）为解决电力负荷不均的问题,我国将进一步拉大峰谷电价比,与国际通行峰谷电价比例靠拢,以鼓励利用低谷电。随着“峰谷电价”政策的全面实行,地源热泵户型蓄冰中
12、央空调将会有更为广阔的市场前景。 3 结论 通过以上地源热泵联合冰蓄冷的设计实践可以得出：对于大型商业建筑而言，夏季制冷宜采用冰蓄冷空调代替常规电制冷空调，这样可以实现电网“削峰填谷” ，大大降低运行成本，而且可以解决环境污染问题。该项目已经于 2012 年投入运行，产生了巨大地经济效益和节能效果，符合节约型社会的可持续发展要求。相信只要扬长避短、优化设计，地源热泵与冰蓄冷空调量和构建的复合式新型能源系统将具有广阔的发展前景。 参考文献:1 陆耀庆. 实用供热空调设计手册M.北京:中国建筑工业出版社,2008 2 秘文涛,张建一,陈天及, 等.一种新型的地源热泵与冰蓄冷空调联合运 行系统J.流体机械, 2006.
