冰蓄冷与水源热泵系统设计案例

2008年06月10 00:00:00 来源:中国制冷空调技术网

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


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