摘 要

摘　要：介绍地源热泵与水蓄能的优势，分析地源热泵一水蓄能复合空调系统的运行原理及优势。结合工程实例，探讨了地源热泵—水蓄能复合空调系统的运行方案、设备配置和节能

摘　要：介绍地源热泵与水蓄能的优势，分析地源热泵一水蓄能复合空调系统的运行原理及优势。结合工程实例，探讨了地源热泵—水蓄能复合空调系统的运行方案、设备配置和节能分析。

关键词：地源热泵  水蓄能  蓄能槽  复合空调系统

Discussion on Composite Air Conditioning System with Ground Source Heat Pump and Water Energy Storage

Abstract：The advantages of ground source heat pump and water energy storage are introduced．The operation principle and superiority of composite air eonditioning system with ground source heat pump and water energy storage are analyzed．Combined with a project example，the operation scheme，equipment configuration and energy-saving analysis of composite air eonditioning system with ground source heat pump and water energy storage are discussed．

Keywords：ground source heat pump；water energy storage；energy storage tank；composfle air conditioning system

 

1　概述

近年来，随着霍辩的不断发展和人们对低碳环保的重视，地源热泵凭借独特的优势得到越来越广泛的应用。如今地源热泵的研究已经比较成熟，但其仍面临着取能蓄能难以平衡，不能有效利用电力峰谷差价的问题^[1]。水蓄能装置可以有效利用电力的峰谷差价，但其应用具有一定的局限性^[2]。基于以上考虑，将地源热泵和水蓄能技术相结合，形成地源热泵一水蓄能复合空调系统，本文对该系统进行研究。

2　地源热泵和水蓄能的优势

2．1　地源热泵

热泵可根据与环境换热介质的不同分为空气源热泵和地源热泵。地源热泵中水和地热是优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般地源热泵的制冷(供热)性能高于空气源热泵^[3]。与空气源热泵比较，地源热泵有独特的优势：

①污染小

地源热泵的污染物排放量比空气源热泵减少38％以上，比电供暖减少70％以上，它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种理想的绿色空调。

②维护简单

运动部件比常规系统少，因而减少了维护工作量。系统安装在室内，可免遭损坏，延长寿命。

③节省空间

没有冷却塔、锅炉房和其他设备，节省了占地面积，产生附加经济效益，并改善了外部形象。

④运行效率高

地源热泵消耗lkW·h电，用户可以得到4.3～5.0kW·h的热量或5.4～6.2kW·h的冷量。与空气源热泵相比，其运行效率要高出20％～60％。

2．2　水蓄能

蓄能按蓄能介质不同主要分为水蓄能、冰蓄能。与冰蓄能相比，水蓄能具有以下优势^[4-5]：

①系统效率比较高

水蓄冷比常规制冷机组制冷用电节省l0％以上，冰蓄冷的用电最则高于常规空调33％左右。蓄能槽可实现夏季蓄冷、冬季蓄热，做到蓄冷、蓄热两用，而冰蓄冷不可能做到。

②系统造价、运行电费比较低

水蓄能运行成本低，响应速度快。冰蓄冷造价比水蓄冷高很多，目前国内运行的冰蓄冷系统基本都采用约l／3削峰运行(即高峰用电时段空调系统负荷的1／3由蓄能装置负担)，如不采用削峰运行，将大量增加工程造价。而水蓄冷系统可以全削峰运行。

③适用性强

水蓄能可以使用常规制冷机组，适用于常规供冷系统的扩容和改造。水蓄能可以用于新建项目和改造项目。对于改造项目，只需在原系统中添加水蓄能所需的管路即可，对原有系统没有任何影响。而冰蓄冷只适用于新建项目。

3　地源热泵一水蓄能复合空调系统

3．1　运行原理

在电力低谷时段，利用地源热泵机组向蓄能槽蓄冷(蓄热)，将冷量(热量)储存在蓄能槽中，电力高峰时段释冷(释热)。若负荷需求较小，则仅由水蓄能装置供冷(热)；若负荷需求较大，则由地源热泵机组和水蓄能装置联合供冷(热)或仅由地源热泵机组供冷(热)。地源热泵一水蓄能复合空调系统见图1，流程如下。

 

①负荷较大时

a．负荷只由热泵机组单独负担：阀门Ml、Cl、C3、C8开启，其余阀门关闭。空调回水经阀门Ml、Cl、C8进热泵机组被冷却(加热)后，经阀门C3供给用户使用。

b．负荷由热泵机组和水蓄能装置联合负担：

提供热负荷：阀门C1、C3、C5、C6、C8开启，Ml、M2调节流量，C2、C4、C7关闭。空调回水一部分经M2、C6进入蓄能槽被加热，之后经C5与通过Ml的部分回水相汇，通过Cl、C8进热泵机组再次被加热，经阀门C3后供给用户使用。

提供冷负荷：阀门C2、C3、C5、C6、C8开启，M1、M2调节流量，Cl、C4、C7关闭。空调回水一部分经Ml、C5进入蓄能槽被冷却，之后经C6与通过M2的部分回水相汇，通过C2、C8进热泵机组再次被冷却，经阀门C3后供给用户使用。

②负荷较小时

负荷只由水蓄能装置单独负担。

提供热负荷：阀门Cl、C3、C5、C6、C7开启，M1、M2调节流量，C2、C4、C8关闭。空调回水经阀门M2、C6进入蓄能槽被加热后，经阀门C5与通过M1的部分回水相汇，再通过Cl、C7、C3后供给用户使用。

提供冷负荷：阀门C2、C3、C5、C6、C7开启，M1、M2调节流量，Cl、C4、C8关闭。空调回水经阀门Ml、C5进入蓄能槽被冷却后，经阀门C6与通过M2的部分回水相汇，再通过C2、C7、C3后供给用户使用。

③蓄能

为蓄能槽蓄热时：阀门Ml、C2、C4、C5、C6、C8开启，Cl、C3、C7、M2关闭。热泵机组提供的50℃热水经阀门C4、Ml、C5后进入蓄能槽放热，水温降低，之后经阀门C6、C2、C8回到热泵机组中加热。

为蓄能槽蓄冷时：阀门M2、Cl、C4、C5、C6、C8开启，C2、C3、C7、Ml关闭。热泵机组提供的4℃冷水经阀门C4、M2、C6后进入蓄能槽放冷，水温升高，之后经阀门C5、Cl、C8回到热泵机组中冷却。

3．2　优势

地源热泵—水蓄能复合空调系统不仅有地源热泵和水蓄能的优点，还有其独特的优势。结合水蓄能技术，可以根据冷、热负荷中的较小者选择热泵机组，不足负荷由水蓄能装置承担。这能大大减小系统的装机容量，降低造价。

地源热泵—水蓄能复合空调系统不仅能减少热泵机组低效运行的时间，提高效率，实现热泵机组的间歇运行，减少磨损消耗，延长热泵机组的寿命，而且可以有效利用电力的峰谷差，降低一次能源的消耗，有着较好的经济性和可行性。这样不仅符合消费者节约能源、降低消费的经济性要求，也符合环保要求。近年来可再生能源法的颁布、政府的支持将使这项技术成为今后空调系统发展的热点。

4　工程应用实例

4．1　工程概况

地源热泵—水蓄能复合空调系统在某公共客运站建筑中得到了应用，其建筑面积为20000m²，空调夏季冷负荷为2065kW，冬季热负荷为1666kW。

4．2　运行方案

本系统采用的地源热泵为地下水地源热泵。电力低谷时段(23：00—次日07：00)，利用地源热泵向蓄能槽蓄冷(蓄热)；峰值时段(07：00—11：00)，仅由蓄能槽向空调末端供冷(供热)，此时不开启地源热泵机组；平谷时段(11：00—18：00)，由地源热泵机组和蓄能槽联合向空调末端供冷(供热)；18：00—23：00，系统停止运行。

4．3　设备配置

①水源热泵机组

有水源热泵机组3台，其中1台制冷功率为183kW，制热功率为274kW，命名为大热泵机组。另外2台制冷功率为l26.9kW，制热功率为l97kW，命名为小热泵机组。

②蓄能槽

按照峰值时段完全消峰的蓄能原则设计蓄能槽，容积为600m³，与水源热泵机组以串联方式为系统供冷、供热。夏季蓄能槽的蓄冷温度为4℃，平均出水温度为l2℃，总蓄冷量为5587kW·h；冬季蓄能槽的蓄热温度为50℃，平均出水温度为40℃，总蓄热量为6983kW·h。另外，循环泵的功率为11kW。

③控制系统

通过控制水源热泵机组、辅助设备和阀门的启停和调节，使系统能够实现各种工况的转换，并监视系统各设备的工作状态和运行参数。

4．4　经济性分析

①地源热泵一水蓄能复合空调系统运行电费

低谷时段(23：00—次日07：00)电价为0.35元(kW·h)，开启1台大热泵机组，以蓄冷(热)工况运行8h；峰值时段(07：00—11：00)电价为1.50元／(kW·h)，由蓄能装置单独为空调末端供冷(热)，热泵机组不启动；平谷时段(11：00—18：00)电价为0.80元／(kW·h)，由3台热泵机组和蓄能装置联合为空调末端供冷(热)。供暖期为120d，供冷期为90d。

地源热泵—水蓄能复合空调系统的运行电费计算公式见式(1)、(2)。式(1)中的下标i表示供暖期(i=1)或供冷期(i=2)，j表示低谷(j=1)、平谷(j=2)或峰值(j=3)时段，k表示热泵机组(k=1)或循环泵(k=2)。

Eijk=Piktjknjk 　　　　          　(1)

Yi=(Ei1y1+Ei2y2+Ei3y3)ti         　 (2)

式中Eijk——i期间第k种设备在每天第j时段的耗电量，kW·h／d

Pik——i期间第k种设备的功率，kW

tjk——第k种设备在每天第j时段的运行时间，h／d

njk——在第j时段运行的相同功率的第k种设备的数量

Yi——i期间的运行电费，元

Ei1、Ei2、Ei3——i期间每天低谷、平谷、峰值时段的耗电量，kW·h／d

y1、y2、y3——低谷、平谷、峰值时段的电价，元／(kW·h)

ti——i期间的运行时间，d

根据公式(1)、(2)计算得地源热泵—水蓄能复合空调系统的运行电费，见表1。

 

②无水蓄能装置时的运行电费

当无水蓄能装置时，地源热泵机组只在峰值和平谷时段运行，每天运行时间为11h。按式(1)、(2)计算无水蓄能装置时的运行电费，结果见表2。

 

③年运行电费比较

通过以上计算可知，无水蓄能装置时的系统年运行电费为139×10⁴元，地源热泵—水蓄能复合空调系统的年运行电费为84×10⁴元，每年可节约55×10⁴元。此工程可以减少高峰用电量，增加低谷用电量，有效平衡了电网峰谷差，节能效果显著。

 

参考文献：

[1]秘文涛，张建，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，2007，35(8)：72-75．

[2]赵海国．地源热泵水蓄能系统在大型公建中的应用[J]．建设科技，2007(18)：50-51．

[3]侯靖贤，刘坚，熊占野．地源热泵空调系统[J]．上海电力，2005(6)：607-610．

[4]梁兆旺．水蓄冷及冰蓄冷空调系统技术经济分析[J]．山东建筑工程学院学报，1998，13(1)：58-61．

[5]闫学冲．中央空调水蓄冷技术的应用分析[J]．建筑节能，2008(8)：13-15．

 

本文作者：张君美  刘伟  于芳  宋晓帆

作者单位：天津大学建筑设计规划研究总院

  天津城建大学