冰蓄冷与水源热泵系统设计案例
一引言
冰蓄冷[1-5]和水源热泵技术[6]均起源于欧美等发达国家，中国从20世纪90年代开始推广这两项技术。冰蓄冷技术主要为了平衡电网的昼夜峰谷差，在夜间电力低谷时段向蓄冰设备蓄得冷量，在日间电力高峰时段释放其蓄得的冷量，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是电力部门“削峰填谷”的最佳途径。水源热泵技术是可再生能源的开发和利用技术，它可以大量利用自然界可再生的能源，如地下水、地热水、土壤、江河湖水、工业废水等其中储存的大量低位的能源，通过少量的电能，将其转化成高位的能源，其能效转化比可达到4：1，即消耗1kW的电能可以得到4kW的热量，其中另外3kW的热量来自免费的能源。采用水源热泵技术，可以大幅度降低用户的能源使用费用，同时也大量取代燃煤锅炉，解决了环保的压力，非常适宜在北京地区推广。改革开放以来中国电力需求增长非常迅速，尤其是北京地区夏季一天内用电高峰与低谷差距在不断拉大，电网运行的不均匀情况日趋严重。据统计，高峰用电量中空调用电就占了30％以上，使得电力系统峰谷差急剧增加，电网负荷率明显下降，这极大影响了发电的成本和电网的安全运行。解决这一问题的最好办法是推广使用冰蓄冷空调。冰蓄冷空调系统能够转移电力高峰电量，平衡电网峰谷差，做到“削峰填谷”，因此可以减少新建调峰电厂投资，提高现有发电设备和输变电备的使用率；可以减少新建火力发电厂带来的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡，有利于整个社会的优化资源配置；峰谷电价的差额使用户的运行电费大幅下降；还可以推迟或减少发电装机容量，减少环境污染治理费用；减少电网调峰次数、降低发电成本等，因此推广使用冰蓄冷空调是一项利国利民的双赢举措。
二设计实例
北京大红门服装城三期工程位于北京市丰台区南苑路，总建筑面积63800m，为大型服装批发早市，每天营业时间为上午5：00～10：00，空调面积为40000m。需安装中央空调系统[5]，以满足夏季制冷和冬季采暖的要求，空调运行时间为每天上午5：00～10：00。采用水源热泵和冰蓄冷技术后，既可达到上述要求，又可使得整个空调系统做到最大限度地节约能源和运行费用。
北京大红门服装城三期工程夏季空调最大设计冷负荷为5000kW，冬季空调最大设计热负荷为3000kW。根据该工程夏季制冷负荷比冬季采暖负荷大得多的特点，如单纯采用水源热泵系统，会使得所需的地下水用量较大，需开采水源井10口，4抽6回灌，因此受到具体钻井条件的限制。考虑到该工程商业的性质，在后半夜电力低谷时段不需要空调，因此采用冰蓄冷式空调方案，该系统利用夜间低谷电力蓄冷，日间电力高峰时段由所蓄得的冷量与水源热泵机组联合运行，向空调末端提供冷量。这样，使得地下水在全日内得到平均的分配使用，因而只需钻凿水源井5口，2抽3回灌，大大节约钻凿水源井量。同时，由于大量使用了后半夜低谷电，代替了日间电力高峰时段的用电量，所以夏季运行费用也得到了大大降低。整个水源热泵及冰蓄冷空调系统冬季最大用电量为964kW，可满足冬季采暖的需求；夏季日间最大用电量为642kW，夜间最大用电量为490kW。日间冰蓄冷系统启用，满足日间空调的需求，整个系统“削峰填谷”效果明显。夏季建筑物24小时负荷曲线如图1所示。
根据北京大红门服装城夏季24小时空调负荷情况，夏季采用水源热泵加冰蓄冷空调方案，本工程选择2台1260kW三工况水源热泵主机(蒸发器冷冻水供、回水工况为6.8℃／10.5℃，再由蓄冰设备冷却到4℃，空调系统供回水温度为7℃／12℃)，夜间蓄冰，日间与冰蓄冷设备联合供冷。经冰蓄冷系统选型软件计算，得出该工程系统的最佳配置，系统能量分配如表1，设备负荷分配情况如图2所示。
2台水源热泵机组联合运行，用地下水所提供的免费的自然可再生能源，提取其热量，供应给整个大楼进行采暖，两台机组总供热量为3000kW系统流程图示意如图3所示。
根据方案设计，选用两台水源热泵机组，共需l5℃的地下水200m／h，夏季作为冷却水源，地下水最大供回灌温度为15℃～25℃；冬季作为低位热源[6]，地下水供回灌温度为15℃～5℃。故需打出水井2口，回灌水井3口，总出水量为200m／h。
该系统总体投资1013万元，比常规制冷系统[5]相比较，增加了约56万的投资，共打井5口，并可满足冬夏的需求。表2、表3为本工程中冰蓄冷系统实际投资与常规空调系统投资比较。
该系统总体投资1013万元，比常规制冷系统[5]相比较，增加了约56万的投资，共打井5口，并可满足冬夏的需求。表2、表3为本工 程中冰蓄冷系统实际投资与常规空调系统投资比较。
夏季，由于北京地区电网采用了峰谷电价政策，高峰电价与低谷电价已达到4：1。因此，采用冰蓄冷系统，可以大大降低空调系统常年运行费用。表4为本工程的冰蓄冷系统与常规系统年消耗电费的比较，从表4可知，冰蓄冷系统年运行费用可以比常规空调系统节约40万元。
冬季，水源热泵运行费用与常规市政热力进行比较，以冬季运行120天，每天运行12小时计算，市政热力费用为60元／m3(市场的层高均超过4m)，则整个冬季运行费用为240万元。水源热泵系统冬季运行2台，冬季商业负荷系数按0.7计，运行费用约为
(378+37+37+30)×2×5×120×O.678元／(kW·h)=28万元，比常规市政热力系统节约212万元。
本水源热泵加冰蓄冷系统与常规电制冷空调加热力供暖系统相比，年运行费用可节约252万元。虽然初次投资略有增加，但投资增加部分很快可以回收。
三结论
通过以上北京大红门服装城空调系统的设计实践与数据分析，可以得出：
(1)对于大型商业建筑而言，夏季制冷适宜采用冰蓄冷空调代替常规电制冷中央空调，冬季取暖适宜采用水源热泵系统代替常规市政热力供暖系统，这样不但可以实现电网的“削峰填谷”，还可以大大降低运行成本，而且又解决环境污染问题。
(2)水源热泵系统耗能量折算至标准煤为9.16kg／(m·年)，常规市政热电厂供热系统耗能量折算至标准煤为13.96kg／(m·年)，本工程可节约能量(折算至标准煤)为306240kg／年。
(3)这两种相对独立的技术都具有一定的局限性，冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节，可起到削峰填谷的效益。但冰蓄冷技术无法提供冬季的采暖，对于具有采暖需求的用户来讲，该项技术就显得无能为力。同样，水源热泵技术虽然可以同时提供冬季采暖和夏季制冷，但却无法在夜间电力低谷时段蓄得冷量，以起到“削峰填谷”的功效。而把二者有机结合起来，可实现优势互补，同时满足制冷和采暖的需求，具有巨大的经济效益和节能效益，可谓一举多得，符合节约型社会的可持续发展要求。
(4)冰蓄冷与水源热泵技术作为新型的节能环保技术，在北京及其它地区有着广阔的发展前景，应大力推广使用。
参考文献
1严德隆，张维君．空调蓄冷应用技术．北京：中国建筑工业出版社，1997
2吴喜平．蓄冷技术和蓄热电锅炉在空调中的应用．上海：同济出版社．2000
3胡仰耆译．蓄冰设计指南．美国ASHRAE出版，2001
4朱孝春．民用建筑制冷空调设计资料集——蓄冷空调．北京：中国建筑工业出版社，2004
5俞炳丰．中央空调新技术及其应用．北京：化学工业出版社，2005
6[美]制冷空调工程师协会．地源热泵工程技术指南．北京：中国建筑工业出版社，2003
