蓄能式地源熱泵系統的應用

趙艷玲,張 麗

(1.河北省建筑材料工業設計研究院，石家莊 050051;2.北京華清榮益地能科技開發有限公司，北京 100176)

蓄能式地源熱泵系統的應用

趙艷玲1,張 麗2

(1.河北省建筑材料工業設計研究院，石家莊 050051;
2.北京華清榮益地能科技開發有限公司，北京 100176)

以北京某信息港項目為例，通過對蓄能式地源熱泵系統設計思路、系統能耗分析及運行費用測算，并對比常規能源系統方案，反映出蓄能式系統能明顯減少空調冷機的裝機容量和運行電費，取得可觀的經濟效益。

地源熱泵系統； 蓄能系統； 削峰填谷； 大溫差； 節能環保

工程位于北京市昌平新城沙河組團西北部地區中關村國家工程技術創新基地。建設內容包括四棟辦公樓，一棟配套綜合樓(含值班宿舍、會議、服務設施等)，一棟公共配套樓(主要為餐廳、泳池等附屬用房)。

計算總建筑面積244 800 m2；冬季空調熱負荷19 171 kW；夏季空調冷負荷23 890 kW。生活熱水負荷403.5 kW；泳池加熱負荷308.8 kW。

1 設計思路

1.1 能源及地質條件分析

目前該地區可利用的能源有天然氣、電。天然氣管道已接入本區，冬季可采用燃氣鍋爐供熱；電力可保證供應，電價已執行峰谷分時銷售電價，夏季可采用冷水機組供冷，或利用熱泵技術(水源或土壤源熱泵)冬季供熱、夏季供冷。

通過臨近工區換熱測試孔鉆井記錄，確定本區地層150 m內巖性顆粒較細，回灌困難，不適宜采用水源熱泵，宜采用地源熱泵。

天然氣價格：2.28元/Nm3；調查電價見表1。

表1 電力銷售價格表

1.2 設計思路及蓄能系統優勢分析

根據本工程建筑功能確定末端采用風機盤管空調系統，水系統采用7 ℃溫差輸送,2管制；生活熱水設循環管。

夏季建筑物空調冷負荷逐時變化數值較大，供暖季初期及末期熱負荷較低，這都造成空調系統主機配置的困難，機組按滿足最大負荷配置會長期運行在部分負荷區間，低負荷運行機組會頻繁啟停，甚至無法開機，運行效率低，不利于機組的運行維護。

蓄能系統所具有的調蓄功能，可使機組一直處在滿負荷運行的狀態，將多余的冷(熱)量儲存起來，負荷高峰時段由機組和蓄能系統聯合供冷、供熱，低負荷時機組通過蓄能系統分時間段啟動，滿負荷運行，有效地避免了低負荷運轉工況，保證機組運行穩定；大幅度提高運行效率，減少電耗。蓄能系統雖然初投資有所增加，但可以充分利用峰谷電價差，大大節省運行費用。本工程供熱、供冷宜采用水蓄能式地源熱泵系統。根據項目實際情況及能源分析，擬對蓄能式地源熱泵系統方案和常規能源系統方案進行比較。

2 系統方案設計比較

2.1 蓄能式地源熱泵系統方案

2.1.1 設備配置分析

地源熱泵系統主機按夏季冷負荷的70%配置。共配置7臺2 400 kW的地源熱泵機組，其中3臺蓄能機組，4臺普通機組。生活熱水配置2臺660 kW熱泵機組，一臺制取生活熱水，一臺用于泳池加熱。

2.1.2 能源站耗電容量分析

表2 蓄能式地源熱泵系統配電容量表

2.1.3 地埋換熱管系統設計

2.1.3.1 冬夏季地下換熱孔數的計算

熱泵機組土壤源側溫度參數冬季為8/4 ℃；夏季為30/35 ℃。根據地勘工區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。最大建筑熱負荷為19 171 kW，冷負荷為23 890 kW，熱泵機組運行模式如下：夏季日間，7臺地源熱泵結合蓄能槽為建筑提供冷負荷；夏季夜間，2臺熱泵機組供冷，三臺熱泵機組蓄能；冬季日間，6臺地源熱泵結合蓄能槽為建筑提供熱負荷；冬季夜間，2臺熱泵機組提供基載熱負荷，3臺熱泵機組蓄能。

可見夏季日間和冬季日間地下換熱孔負荷較大，需分別核算地埋孔數。

夏季日間：7臺地源熱泵機組運轉，滿負荷運行時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米為19 885.6×1 000/65=305 932.3 m，換熱孔數量為305 932.3/130=2 354個。

冬季日間：6臺地源熱泵機組運轉，滿負荷運行時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米為10 932.6×1 000/38=287 700 m，換熱孔數量為287 700/130=2 213個；

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

2.1.3.2 地埋孔間距確認

合理確定鉆孔間距，是地源熱泵系統換熱器能否可靠運行的關鍵之一。間距過大占用面積過多；過小則換熱管間的熱影響就越大，對換熱越不利。采用先進的流體分析軟件，對不同間距的換熱管間的熱影響進行模擬，得出結果如圖1所示。

可見在鉆孔間距達到 4～6 m以后，鉆孔間距的增加對地埋管換熱器總長度的影響基本沒有變化，故鉆孔間距在4～6 m 較為合理，設計取5×5 m。

2.1.4 土壤熱平衡分析

根據儲量法計算淺層巖土體靜熱儲，并評價系統年度運行條件下冷熱負荷與靜熱儲之間的均衡關系。考慮生活熱水熱泵機組及工區建筑平面布置情況，本項目在建筑物周圍共鉆鑿換熱孔2 439個，實際占地面積為60 975 m2，地質體厚度按150 m計算，則

Qr=C×A×d(tr-t0)

式中，Qr為地質體中儲存的熱量，J；A為計算區面積，m2；d為地質體厚度，m；tr為地質體溫度，℃；t0為計算基礎溫度，℃；C為地質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為熱儲巖土密度，kg/m3；Cr為熱儲巖土比熱容，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(以下參數均根據不同巖性的經驗值或實驗值加權求平均得)

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(以下參數均根據不同巖性的經驗值或實驗值加權求平均得)

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

可見地質體150 m以內溫度變化1 ℃可釋放或吸收的熱能為22.9×1012J。根據建筑最大冷熱負荷及熱泵性能系數和能效比計算：

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

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

夏季考慮節假日實際制冷天數為70 d，空調系統每天運行8 h，全負荷使用系數取0.8；冬季采暖天數120 d，考慮節假日實際采暖天數為80 d，空調系統每天正常運行8 h，全負荷使用系數取0.75，其余時間為值班采暖(包括節假日的40 d)，全負荷使用系數取0.2。則：

夏季向土壤的排熱總量為：

Q1=運行時間×全負荷系數×單位時間排熱量=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=運行時間×全負荷系數×單位時間取熱量=(80×(0.75×8+16×0.2)+40×24×0.2)×3 600×1 000×15 259.1=50.98×1012J

全年熱泵機組從土壤的取熱量Q=Q2-Q1=5.43×1012J，而地質體中150 m內溫度變化1 ℃可釋放或吸收的熱能為22.9×1012J，因此地源熱泵運行一年地質體溫度變化約為0.24 ℃。考慮地下水流動對地層散熱的影響，以及熱泵系統的間歇期，均有利于地層溫度的恢復。總體上地埋管系統對地層溫度的影響不大。

2.1.5 運行費用測算

表6 蓄能式地源熱泵系統生活熱水全年運行費用表

2.2 常規燃氣鍋爐結合冷水機組比較方案

2.2.1 方案分析及設備配置

冬季采用真空燃氣鍋爐，供水溫度為50/60 ℃，供暖及供應生活熱水；夏季采用離心式冷水機組供冷，夏季生活熱水由燃氣鍋爐提供。

配置5臺4 900 kW的離心式冷水機組； 5臺4 000 kW的燃氣鍋爐。

2.2.2 能源站耗電容量

表7 常規能源系統配電容量表

2.2.3 運行費用測算

表8 常規能源系統運行費用表

表9 常規能源系統生活熱水全年運行費用表

2.3 綜合比較分析

表10 蓄能式地源熱泵系統與常規能源系統綜合對比表

經比較,常規能源系統方案初投資低、不需鉆鑿地埋孔；但需建設燃氣調壓站，且鍋爐排煙產生大氣污染物；冷水機組COP值低于地源熱泵機組；冷卻塔布置影響項目整體布局。蓄能式地源熱泵系統方案主要設備配置僅系統負荷的70%，減少了總配電量，且有效利用了峰谷電價差，運行費用大大減少；運行中無污染；但需建造一個6 800 m3蓄能水池，蓄能池土建投資較大。

通過經濟效益分析，蓄能式地源熱泵系統靜態回收期為3～4年。

3 結 語

通過方案對比分析，可見蓄能式地源熱泵系統可實現用電負荷的“移峰填谷”，緩解高峰電力壓力，運行費用明顯降低，節能環保，且投資回收期短，運行管理簡便,是值得提倡和推行的清潔能源方案。

[1] 方貴銀. 蓄能空調技術[M]北京：機械工業出版社， 2006.

[2] 于 航. 空調蓄冷技術與設計[M].北京：化學工業出版社， 2007.

[3] 馬最良，姚 楊，姜益強.暖通空調熱泵技術[M].北京：中國建筑工業出版社， 2008.

[4] 張士領.包頭市某地源熱泵工程設計[J].暖通空調， 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-)，高級工程師.E-mail:jiancaisj@263.net