蓄能式地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

趙艷玲,張 麗

(1.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050051;2.北京華清榮益地能科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100176)

蓄能式地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

趙艷玲1,張 麗2

(1.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050051;
2.北京華清榮益地能科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100176)

以北京某信息港項(xiàng)目為例，通過(guò)對(duì)蓄能式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)能耗分析及運(yùn)行費(fèi)用測(cè)算，并對(duì)比常規(guī)能源系統(tǒng)方案，反映出蓄能式系統(tǒng)能明顯減少空調(diào)冷機(jī)的裝機(jī)容量和運(yùn)行電費(fèi)，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

地源熱泵系統(tǒng)； 蓄能系統(tǒng)； 削峰填谷； 大溫差； 節(jié)能環(huán)保

工程位于北京市昌平新城沙河組團(tuán)西北部地區(qū)中關(guān)村國(guó)家工程技術(shù)創(chuàng)新基地。建設(shè)內(nèi)容包括四棟辦公樓，一棟配套綜合樓(含值班宿舍、會(huì)議、服務(wù)設(shè)施等)，一棟公共配套樓(主要為餐廳、泳池等附屬用房)。

計(jì)算總建筑面積244 800 m2；冬季空調(diào)熱負(fù)荷19 171 kW；夏季空調(diào)冷負(fù)荷23 890 kW。生活熱水負(fù)荷403.5 kW；泳池加熱負(fù)荷308.8 kW。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 能源及地質(zhì)條件分析

目前該地區(qū)可利用的能源有天然氣、電。天然氣管道已接入本區(qū)，冬季可采用燃?xì)忮仩t供熱；電力可保證供應(yīng)，電價(jià)已執(zhí)行峰谷分時(shí)銷售電價(jià)，夏季可采用冷水機(jī)組供冷，或利用熱泵技術(shù)(水源或土壤源熱泵)冬季供熱、夏季供冷。

通過(guò)臨近工區(qū)換熱測(cè)試孔鉆井記錄，確定本區(qū)地層150 m內(nèi)巖性顆粒較細(xì)，回灌困難，不適宜采用水源熱泵，宜采用地源熱泵。

天然氣價(jià)格：2.28元/Nm3；調(diào)查電價(jià)見(jiàn)表1。

表1 電力銷售價(jià)格表

1.2 設(shè)計(jì)思路及蓄能系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

根據(jù)本工程建筑功能確定末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)系統(tǒng)，水系統(tǒng)采用7 ℃溫差輸送,2管制；生活熱水設(shè)循環(huán)管。

夏季建筑物空調(diào)冷負(fù)荷逐時(shí)變化數(shù)值較大，供暖季初期及末期熱負(fù)荷較低，這都造成空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)配置的困難，機(jī)組按滿足最大負(fù)荷配置會(huì)長(zhǎng)期運(yùn)行在部分負(fù)荷區(qū)間，低負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組會(huì)頻繁啟停，甚至無(wú)法開(kāi)機(jī)，運(yùn)行效率低，不利于機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)。

蓄能系統(tǒng)所具有的調(diào)蓄功能，可使機(jī)組一直處在滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，將多余的冷(熱)量?jī)?chǔ)存起來(lái)，負(fù)荷高峰時(shí)段由機(jī)組和蓄能系統(tǒng)聯(lián)合供冷、供熱，低負(fù)荷時(shí)機(jī)組通過(guò)蓄能系統(tǒng)分時(shí)間段啟動(dòng)，滿負(fù)荷運(yùn)行，有效地避免了低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況，保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定；大幅度提高運(yùn)行效率，減少電耗。蓄能系統(tǒng)雖然初投資有所增加，但可以充分利用峰谷電價(jià)差，大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。本工程供熱、供冷宜采用水蓄能式地源熱泵系統(tǒng)。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況及能源分析，擬對(duì)蓄能式地源熱泵系統(tǒng)方案和常規(guī)能源系統(tǒng)方案進(jìn)行比較。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)比較

2.1 蓄能式地源熱泵系統(tǒng)方案

2.1.1 設(shè)備配置分析

地源熱泵系統(tǒng)主機(jī)按夏季冷負(fù)荷的70%配置。共配置7臺(tái)2 400 kW的地源熱泵機(jī)組，其中3臺(tái)蓄能機(jī)組，4臺(tái)普通機(jī)組。生活熱水配置2臺(tái)660 kW熱泵機(jī)組，一臺(tái)制取生活熱水，一臺(tái)用于泳池加熱。

2.1.2 能源站耗電容量分析

表2 蓄能式地源熱泵系統(tǒng)配電容量表

2.1.3 地埋換熱管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.3.1 冬夏季地下?lián)Q熱孔數(shù)的計(jì)算

熱泵機(jī)組土壤源側(cè)溫度參數(shù)冬季為8/4 ℃；夏季為30/35 ℃。根據(jù)地勘工區(qū)地層單位鉆孔換熱量，夏季為65 W/m，冬季為38 W/m，孔深為130 m。最大建筑熱負(fù)荷為19 171 kW，冷負(fù)荷為23 890 kW，熱泵機(jī)組運(yùn)行模式如下：夏季日間，7臺(tái)地源熱泵結(jié)合蓄能槽為建筑提供冷負(fù)荷；夏季夜間，2臺(tái)熱泵機(jī)組供冷，三臺(tái)熱泵機(jī)組蓄能；冬季日間，6臺(tái)地源熱泵結(jié)合蓄能槽為建筑提供熱負(fù)荷；冬季夜間，2臺(tái)熱泵機(jī)組提供基載熱負(fù)荷，3臺(tái)熱泵機(jī)組蓄能。

可見(jiàn)夏季日間和冬季日間地下?lián)Q熱孔負(fù)荷較大，需分別核算地埋孔數(shù)。

夏季日間：7臺(tái)地源熱泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需向土壤釋放的最大熱量為19 885.6 kW，所需地埋換熱管的最大延長(zhǎng)米為19 885.6×1 000/65=305 932.3 m，換熱孔數(shù)量為305 932.3/130=2 354個(gè)。

冬季日間：6臺(tái)地源熱泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需從土壤提取的最大熱量為10 932.6 kW，所需地埋換熱管的最大延長(zhǎng)米為10 932.6×1 000/38=287 700 m，換熱孔數(shù)量為287 700/130=2 213個(gè)；

確定本工程按夏季日間匹配，共鉆鑿換熱孔2 354個(gè)，孔口位于地面以下1.6 m左右,鉆孔完成后不會(huì)對(duì)地面使用造成任何影響。

2.1.3.2 地埋孔間距確認(rèn)

合理確定鉆孔間距，是地源熱泵系統(tǒng)換熱器能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一。間距過(guò)大占用面積過(guò)多；過(guò)小則換熱管間的熱影響就越大，對(duì)換熱越不利。采用先進(jìn)的流體分析軟件，對(duì)不同間距的換熱管間的熱影響進(jìn)行模擬，得出結(jié)果如圖1所示。

可見(jiàn)在鉆孔間距達(dá)到 4～6 m以后，鉆孔間距的增加對(duì)地埋管換熱器總長(zhǎng)度的影響基本沒(méi)有變化，故鉆孔間距在4～6 m 較為合理，設(shè)計(jì)取5×5 m。

2.1.4 土壤熱平衡分析

根據(jù)儲(chǔ)量法計(jì)算淺層巖土體靜熱儲(chǔ)，并評(píng)價(jià)系統(tǒng)年度運(yùn)行條件下冷熱負(fù)荷與靜熱儲(chǔ)之間的均衡關(guān)系?？紤]生活熱水熱泵機(jī)組及工區(qū)建筑平面布置情況，本項(xiàng)目在建筑物周?chē)层@鑿換熱孔2 439個(gè)，實(shí)際占地面積為60 975 m2，地質(zhì)體厚度按150 m計(jì)算，則

Qr=C×A×d(tr-t0)

式中，Qr為地質(zhì)體中儲(chǔ)存的熱量，J；A為計(jì)算區(qū)面積，m2；d為地質(zhì)體厚度，m；tr為地質(zhì)體溫度，℃；t0為計(jì)算基礎(chǔ)溫度，℃；C為地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容，J/(m3·℃)；(包氣帶C=ρrCr(1-φ)+ρgCgφ；飽水帶C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ；其中ρr為熱儲(chǔ)巖土密度，kg/m3；Cr為熱儲(chǔ)巖土比熱容，J/(kg·℃)；ρg為空氣密度，kg/m3；Cg為空氣比熱容，J/(kg·℃)；ρw為水密度，kg/m3；Cw為水比熱容，J/(kg·℃)；φ為巖石孔隙度)

表3 包氣帶參數(shù)(以下參數(shù)均根據(jù)不同巖性的經(jīng)驗(yàn)值或?qū)嶒?yàn)值加權(quán)求平均得)

C=1.91×103×1.17×103×(1-0.41)+1.293×1.006×103×0.41=1.33×106J/(m3·℃)

Qr1=1.33×106×60 975×22×1=1.78×1012J

表4 飽水帶參數(shù)(以下參數(shù)均根據(jù)不同巖性的經(jīng)驗(yàn)值或?qū)嶒?yàn)值加權(quán)求平均得)

C=1.91×103×1.17×103×(1-0.24)+1.0×103×4.2×103×0.24=2.706×106J/(m3·℃)

Qr2=2.706×106×60 975×128×1=21.12×1012J

則：Qr=Qr1+Qr2=1.78×1012+21.12×1012=22.9×1012J

可見(jiàn)地質(zhì)體150 m以內(nèi)溫度變化1 ℃可釋放或吸收的熱能為22.9×1012J。根據(jù)建筑最大冷熱負(fù)荷及熱泵性能系數(shù)和能效比計(jì)算：

夏季最大放熱量：Qh=最大冷負(fù)荷×(1+1/EER)=23 890×(1+1/5.49)=28 241.5 kW

冬季最大吸熱量：Qc=最大熱負(fù)荷×(1-1/COP)=(19 171+403.5+308.8) ×(1-1/4.3)=15 259.1 kW

夏季考慮節(jié)假日實(shí)際制冷天數(shù)為70 d，空調(diào)系統(tǒng)每天運(yùn)行8 h，全負(fù)荷使用系數(shù)取0.8；冬季采暖天數(shù)120 d，考慮節(jié)假日實(shí)際采暖天數(shù)為80 d，空調(diào)系統(tǒng)每天正常運(yùn)行8 h，全負(fù)荷使用系數(shù)取0.75，其余時(shí)間為值班采暖(包括節(jié)假日的40 d)，全負(fù)荷使用系數(shù)取0.2。則：

夏季向土壤的排熱總量為：

Q1=運(yùn)行時(shí)間×全負(fù)荷系數(shù)×單位時(shí)間排熱量=70×8×0.8×3 600×1 000×28 241.5=45.55×1012J

冬季從土壤提取的總熱量為：

Q2=運(yùn)行時(shí)間×全負(fù)荷系數(shù)×單位時(shí)間取熱量=(80×(0.75×8+16×0.2)+40×24×0.2)×3 600×1 000×15 259.1=50.98×1012J

全年熱泵機(jī)組從土壤的取熱量Q=Q2-Q1=5.43×1012J，而地質(zhì)體中150 m內(nèi)溫度變化1 ℃可釋放或吸收的熱能為22.9×1012J，因此地源熱泵運(yùn)行一年地質(zhì)體溫度變化約為0.24 ℃?？紤]地下水流動(dòng)對(duì)地層散熱的影響，以及熱泵系統(tǒng)的間歇期，均有利于地層溫度的恢復(fù)?？傮w上地埋管系統(tǒng)對(duì)地層溫度的影響不大。

2.1.5 運(yùn)行費(fèi)用測(cè)算

表6 蓄能式地源熱泵系統(tǒng)生活熱水全年運(yùn)行費(fèi)用表

2.2 常規(guī)燃?xì)忮仩t結(jié)合冷水機(jī)組比較方案

2.2.1 方案分析及設(shè)備配置

冬季采用真空燃?xì)忮仩t，供水溫度為50/60 ℃，供暖及供應(yīng)生活熱水；夏季采用離心式冷水機(jī)組供冷，夏季生活熱水由燃?xì)忮仩t提供。

配置5臺(tái)4 900 kW的離心式冷水機(jī)組； 5臺(tái)4 000 kW的燃?xì)忮仩t。

2.2.2 能源站耗電容量

表7 常規(guī)能源系統(tǒng)配電容量表

2.2.3 運(yùn)行費(fèi)用測(cè)算

表8 常規(guī)能源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用表

表9 常規(guī)能源系統(tǒng)生活熱水全年運(yùn)行費(fèi)用表

2.3 綜合比較分析

表10 蓄能式地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)能源系統(tǒng)綜合對(duì)比表

經(jīng)比較,常規(guī)能源系統(tǒng)方案初投資低、不需鉆鑿地埋孔；但需建設(shè)燃?xì)庹{(diào)壓站，且鍋爐排煙產(chǎn)生大氣污染物；冷水機(jī)組COP值低于地源熱泵機(jī)組；冷卻塔布置影響項(xiàng)目整體布局。蓄能式地源熱泵系統(tǒng)方案主要設(shè)備配置僅系統(tǒng)負(fù)荷的70%，減少了總配電量，且有效利用了峰谷電價(jià)差，運(yùn)行費(fèi)用大大減少；運(yùn)行中無(wú)污染；但需建造一個(gè)6 800 m3蓄能水池，蓄能池土建投資較大。

通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益分析，蓄能式地源熱泵系統(tǒng)靜態(tài)回收期為3～4年。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)方案對(duì)比分析，可見(jiàn)蓄能式地源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的“移峰填谷”，緩解高峰電力壓力，運(yùn)行費(fèi)用明顯降低，節(jié)能環(huán)保，且投資回收期短，運(yùn)行管理簡(jiǎn)便,是值得提倡和推行的清潔能源方案。

[1] 方貴銀. 蓄能空調(diào)技術(shù)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2006.

[2] 于 航. 空調(diào)蓄冷技術(shù)與設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.

[3] 馬最良，姚 楊，姜益強(qiáng).暖通空調(diào)熱泵技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2008.

[4] 張士領(lǐng).包頭市某地源熱泵工程設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào)， 2014,44(6)：83-86.

Application of Accumulator Ground Source Heat Pump System

ZHAO Yan-ling1,ZHANG Li2

(1.Hebei Building Materials Industry Design and Research Institute,Shijiazhuang 050051,China;
2.Beijing Huaqing Rongyi Earth Energy Technology Development Co, Ltd, Beijing 100176,china)

Take the information port project of beijing as an example, based on the accumulator ground source heat pump system design, system analysis of energy consumption and operation cost,and compared with conventional energy system,the energy storage system can decrease the capacity of air conditioning cold machine and electricity.

ground-source heat pump system； energy storage system； peak load shifting; large temperature difference; energy conservation and environmental protection

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.014

2014-11-17.

趙艷玲(1968-)，高級(jí)工程師.E-mail:jiancaisj@263.net