江水源热泵和冰蓄冷离心式冷水机组绿色节能技术
引言
上海世博文化中心是世博园区永久性建筑之一，秉承了上海世博会“城市，让生活更美好”的绿色主题。设计按照3R(Reduce，Reuse & Recycle)原则，以“建筑、环境与人的和谐互动”作为核心理念，严格参照《绿色建筑评价标准》，采用了江水源热泵系统、冰蓄冷系统、可再生环保空调冷热源、高效低泄漏制冷剂、气动垃圾回收系统、空调凝结水与屋面雨水收集系统、程控型绿地节水灌溉系统等节能环保技术，实现了新能源利用、节地、节能、节水、资源回收和再利用的统筹安排，使得文化中心成为名副其实的绿色建筑，并于2009年11月获得国家“三星级绿色建筑设计标识”[1]。
工程概况
冷热源系统
世博文化中心在世博会期间为24小时运行，占地面积6.7万平方米，总建筑面积14万平方米，其中地上为单层的18,000座多功能剧场及环绕主场馆的周边六层建筑，地下为两层建筑。夏季空调最大设计冷负荷为14950kW(4250Rt)，冷负荷指标为119W/m2;冬季空调最大设计热负荷为9200kW，热负荷指标为74W/m2。
文化中心毗邻黄埔江边，根据水文资料，黄埔江水表层温度夏季为26~32℃，中下层水温只有15~22℃;冬季表层最低温度为3~8℃，中下层水温为10~15℃[2]。江水的温度特性使得黄浦江水成为水源热泵的理想热源，不过由于江水水质属于V类，水中杂质比较多，需要使用防腐措施，但是结合世博园区的水过滤系统恰好可以满足需求。
采用江水源作为空调系统冷热源，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移，可大幅降低用户的能源使用费用，减轻环保压力。
表 2 上海黄浦江表层水温实测数据 °C
考虑到本项目夏季冷负荷比冬季热负荷大很多，而夜间冷负荷需求又较小的特性，世博文化中心采用了江水源热泵和冰蓄冷空调相结合的方案。夏季夜间在满足冷负荷需求同时可以利用夜间低谷电力蓄冰，日间电力高峰时使用蓄冰的冷量和江水源热泵机组联合运行，实现日间的冷量供应。冬季江水源热泵制热可满足约55%总热负荷量，其余使用锅炉辅助制热。
该系统配置共采用了5台三级压缩离心式冷水机组，其中3台为650Rt的江水源双工况蓄冰离心式冷水机组，另2台为650Rt的江水源热泵离心式冷水机组。夏季供空调冷水6℃/13℃，采用了大温差小流量方案，进一步节省运行费用;冬季则提供40℃/45℃的空调热水。
三级压缩离心式冷水机组
本项目采用的三级离心式冷水机组，能提供超常压头和超常的负荷调节范围，不仅冬季可以提供高温热水，而且夏季也可以实现制冰工况与制冷工况的安全切换，这是常规的单级离心式冷水机很难完成的。另外与螺杆机组蓄冰相比，离心机具有单机制冷量大、效率高的优点，不仅能节省工程的初投资，而且还可以节约系统的运行费用，其投资回收年限远短于螺杆机。
世博文化中心采用的三级压缩式离心机组为电机与压缩机直接传动，无齿轮传动的损耗，机组运行可靠，且具有变流量补偿功能，其变流量范围更宽广，极其适合应用于大温差小流量系统，这样进一步节省了冷水系统整体运行能耗。
世博文化中心采用的三级压缩式离心机组使用了环境友好型制冷剂 R123。根据国标《制冷剂编号方法和安全性分类》新版GB/T 7778-2008的定义， R123和R134a都是环境友好型的制冷剂，都可以在美国绿色建筑协会的LEED评价标准中获得评分。但是R123采用负压运行，冷媒泄漏量小,从臭氧层破坏、温室效应、高效节能、短的大气寿命等几个方面综合评价，R123机组对环境的综合影响要比R134a机组小。
江水源冰蓄冷系统
本项目中的冰蓄冷系统采用了3台三级压缩离心式冷水机组，单台空调工况(6℃/13℃)制冷量为2286kW(650Rt)COP=5.1，制冰工况(-2.3℃/-5.6℃)制冷量为1498kW(426Rt)COP=4.4;蓄冰装置总蓄冰量为32000kWh(9098Rth)，占设计日空调总冷量的20%。载冷剂采用体积比为25%的乙二醇溶液。
冰蓄冷系统在控制上采用了成熟的分量蓄冰，设计采用主机优先的运行策略，部分负荷时可融冰优先运行。
空调冷却水直接使用分级过滤处理后的江水，减少了污垢，提高了换热效率。同时，机组换热器中采用铜镍合金管，加强了防腐功能，并配备自动清洗装置，提高了机组长期运行的可靠性和性能稳定性。
江水源热泵系统
本项目的江水源热泵系统采用了2台2286kW(650t)三级压缩离心式热泵冷水机组，夏季江水设计温度为30℃/35℃，提供6℃/13℃的空调冷水，COP=5.1;冬季江水设计温度为6.77℃/3
℃，提供40℃/45℃的空调热水，COP=4.1。从以上参数可以看出机组制冷能效并不突出，其节能优势在于供热工况。由于冬季大部分运行时间均优于设计工况，全年综合考虑其节能效果明显。
为了减少换热损失和避免水系统污染，考虑到热泵机组换热器的特点，热泵机组采用阀门切换方式而双工况机组则不切换(见表3)。
表 3 江水源机组水源切换方式
系统集成
江水源热泵机组在夏季和冰蓄冷机组联合供冷，约占设计冷负荷的40%;冬季由于江水温度较低，为保证供热品质，采用热泵机组和锅炉联合供热，热泵机组供热量约为设计负荷的55%。
设计日负荷平衡表见图1 和 图2。
图 1 夏季设计日100%负荷平衡表
图 2 冬季设计日100%负荷平衡表
能效评价
为分析联合运行的经济性，将本项目与常规方案(离心式冷水机组与锅炉供热)进行对比。
表 4 冷热源方案基本配置
常规方案中，夏季采用离心式冷水机组供冷，冷冻水7/12℃，冷却水32/37℃,COP5.1;冬季使用燃气锅炉供热，热水40/45℃。
两方案均采用同品牌水冷离心机组，初投资比较见下表。
表 5 初投资比较 (万元)
在计算年运行费用时，根据设备的部分负荷性能计算在各负荷率下的逐时负荷，进而得到各负荷下的逐时费用，从而计算出全年运行费用。计算时尽量保证机组满负荷运行，再以其他机组配合运行。方案一和方案二夏季和冬季运行费用见图4。
图 3 全年运行费用比较 (万元)
系统与常规系统[冷水机组(冷却塔)+ 燃气锅炉]相比，夏季运行节电约202500kWh，相当于节煤82吨;冬季节煤约139吨，节能效果明显。
总结初投资和运行费用，方案总体比较结果如下：
表 6 方案总体比较 (万元)
综上所述，江水源热泵和冰蓄冷离心式冷水机组联合运用方案与常规系统相比，尽管蓄冰槽和江水处理设备的初投资较大，但由于运行费用节省，在5年内的时间就可以回收投资差额。而在机组的15年设计运行年限内，方案二比方案一节省运行费用3380多万元，节能效果显著。
结论
空调冷热源系统和系统设备与技术对建筑能耗水平和绿色建筑等级有重要影响。上海世博文化中心针对负荷特点和周边环境合理利用了江水源热泵和冰蓄冷技术，采用了单机制冷量大，效率高的三级压缩离心式冷水机组，使得空调系统在节能和节约运行费用方面表现优异，减少了中心空气调节器冷热源系统的综合能量电功率损耗比，缓解了城市局部区域的“热岛”效应。采用三级离心式机组的江水源热泵和冰蓄冷技术的联合系统可以在5年内回收投资差额。如何进一步节省初投资和运行费用，提高系统全年应用效率需要继续研究实践。
