高峰 ，黃世山 ，何官送 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

冷熱源作為暖通空調(diào)系統(tǒng)重要組成部分，其設(shè)計(jì)合理與否直接影響暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用效果、運(yùn)行等經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題[1]。地源熱泵技術(shù)是可再生能源利用的重要技術(shù)措施之一，具有清潔、高效、節(jié)能的特點(diǎn)。而蓄冷、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)，依據(jù)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)政策進(jìn)行錯(cuò)峰運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的“移峰填谷”，有利于社會(huì)的資源優(yōu)化配置，并能顯著降低用戶的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用[2]。

本項(xiàng)目根據(jù)建筑物冷熱負(fù)荷特點(diǎn)和當(dāng)?shù)啬茉礌顩r，集中應(yīng)用了地源熱泵、冰蓄冷空調(diào)、水蓄熱系統(tǒng)。將蓄冷、蓄熱與地源熱泵技術(shù)相互結(jié)合運(yùn)用在辦公樓的冷熱源設(shè)計(jì)中，力求通過(guò)最優(yōu)的方案達(dá)到節(jié)能、高效運(yùn)行的目的，設(shè)計(jì)中著重對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行策略的分析，保證系統(tǒng)節(jié)能性的體現(xiàn)。

1 工程概況

本項(xiàng)目地址位于安徽省池州市，為辦公建筑，地上25層，地下1層，建筑高度為92.1 m，建筑面積為31996 m2。負(fù)一層為地下車庫(kù)及設(shè)備用房，一層為業(yè)務(wù)大廳，二、三層為檔案間、報(bào)告廳、餐廳等，四至二十五層為辦公樓。當(dāng)?shù)責(zé)o市政熱源，當(dāng)?shù)毓╇姽居行钅茈妰r(jià)，采用蓄能措施擁有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，室外地質(zhì)條件利于換熱。但室外場(chǎng)地有限，可埋管區(qū)域較小，打孔深度僅能達(dá)到85 m左右。完全采用地源熱泵系統(tǒng)，無(wú)法滿足項(xiàng)目制冷量需求，需要增加制冷系統(tǒng)補(bǔ)充不足制冷量。當(dāng)?shù)亟o予蓄冷電價(jià)，需滿足“蓄冷量不低于總用冷量60%”的設(shè)計(jì)要求。本工程夏季空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷為2317kW，熱負(fù)荷1445kW。大樓除值班室及數(shù)據(jù)機(jī)房外無(wú)常規(guī)夜間負(fù)荷，員工加班的負(fù)荷按計(jì)算負(fù)荷的20%考慮。值班室采用分體空調(diào)，數(shù)據(jù)機(jī)房采用機(jī)房專用空調(diào)，檔案間、票據(jù)室采用變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)。

2 可行性分析及選型

2.1 地源熱泵與蓄冷、蓄熱系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的可行性

地源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冷暖兩供，但在冬夏季供冷、供熱量相差較大區(qū)域，容易產(chǎn)生土壤冷熱堆積，即地溫不平衡的問(wèn)題；隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，有可能使地溫不平衡的問(wèn)題加重，如果不采取任何措施來(lái)改善這種情況，則終將導(dǎo)致土壤源熱泵機(jī)組的癱瘓乃至失效[3]。冰蓄冷、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)具有削峰填谷、平衡電力負(fù)荷、利用夜間低溫環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但也具有初投資高、系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)維要求高等缺點(diǎn)。

設(shè)計(jì)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)在冬季作為高效能源，優(yōu)先使用，滿足大樓日間及夜間機(jī)載負(fù)荷的供暖要求，日間不足部分采用夜間蓄熱量供給，采用此方案冬季供暖節(jié)約高效。夏季優(yōu)先使用經(jīng)濟(jì)性最好的蓄冷系統(tǒng)，不足部分采用地源熱泵及雙工況制冷機(jī)組聯(lián)合供給，可有效解決地源熱泵冬夏季不平衡問(wèn)題，避免地下溫度場(chǎng)的“熱堆積”現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 冷熱源選擇

冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)室外場(chǎng)地埋管量確定地源熱泵機(jī)組容量，選取制冷量為450 kW螺桿式地源熱泵機(jī)組。按總用冷量的60%蓄冷要求，選取雙工況制冷機(jī)組，雙工況螺桿式制冷機(jī)組制冰工況冷量為1213 kW，制冷工況冷量為1871 kW。蓄冷裝置蓄冷量為10900 kW·h，蓄冰容量為230 m3。冬季電熱鍋爐供熱量為450 kW，蓄熱水槽蓄熱量3760 kW·h，有效容量 80 m3。

本工程空調(diào)水管路為兩管制閉式循環(huán)、一次泵變流量系統(tǒng)?？照{(diào)冷凍水設(shè)計(jì)參數(shù)為：地源熱泵供回水溫度為7℃/12℃，地源側(cè)供回水溫度為30℃/35℃。蓄冷系統(tǒng)供回水溫度：6℃/12℃，供水溫度可調(diào)?？照{(diào)熱水設(shè)計(jì)參數(shù)為：地源熱泵供回水溫度為45℃/40℃，地源側(cè)供回水溫度為10℃/5℃；蓄熱溫度為95℃，蓄熱系統(tǒng)供回水溫度：50℃/40℃。

3 設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行策略

3.1 設(shè)計(jì)方案

在夏季工況時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)與蓄冰裝置換熱器、雙工況制冷機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行；在冬季工況時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)冷凝器側(cè)與蓄熱裝置換熱器并聯(lián)運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)聯(lián)合供冷供暖。系統(tǒng)流程圖如下圖所示。

3.2 冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行策略

在地源熱泵與蓄冷、蓄熱聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中存在著多種運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換，比一般冷熱源系統(tǒng)都要復(fù)雜[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電動(dòng)閥門(mén)切換，可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式。夏季時(shí)采用蓄冰槽融冰優(yōu)先的運(yùn)行策略，在用電低谷時(shí)段（夜間）：機(jī)載機(jī)（地源熱泵機(jī)組）單獨(dú)供冷、雙工況制冷機(jī)組蓄冷；在用電高峰時(shí)段（白天）：蓄冷裝置換熱器單獨(dú)供冷優(yōu)先，不足時(shí)，蓄冷裝置換熱器與地源熱泵系統(tǒng)、雙工況制冷機(jī)組聯(lián)合供冷。冬季時(shí)采用地源熱泵供熱優(yōu)先的策略，夜間：電熱鍋爐按需蓄熱；日間：地源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)供熱優(yōu)先，不足時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)與蓄熱裝置換熱器聯(lián)合供熱。

3.2.1 夏季設(shè)計(jì)工況日運(yùn)行策略

冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

設(shè)計(jì)工況日是夏天最熱的時(shí)候，夜間用電低谷時(shí)段（22:00～8:00）雙工況制冷機(jī)組采用制冰模式，蓄冷量為10900kW·h。夜間地源熱泵機(jī)組作為基載主機(jī)運(yùn)行，承擔(dān)夜間負(fù)荷。日間（8:00～19:00），這段時(shí)間是用冷高峰期，蓄冷裝置換熱器與雙工況制冷機(jī)組聯(lián)合供冷，優(yōu)先使用蓄冰冷量。（20:00～22:00）時(shí)間段為夜間負(fù)荷，地源熱泵機(jī)組單獨(dú)供冷。

3.2.2 夏季非設(shè)計(jì)工況日運(yùn)行策略

隨室外空氣溫度變化，日冷負(fù)荷減小。以節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)為目標(biāo)，按照蓄冰裝置優(yōu)先供冷的原則運(yùn)行。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷降到設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%時(shí)，系統(tǒng)依然在夜間用電低谷時(shí)段滿負(fù)荷制冰，日間采用蓄冷裝置換熱器與地源熱泵機(jī)組聯(lián)合供冷。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷降到設(shè)計(jì)日的60%時(shí)，日間負(fù)荷可全部由融冰滿足。另需依據(jù)上一年度冬季地源熱泵供暖總量計(jì)算夏季地源熱泵供冷量，保證冬夏季冷熱量平衡。

3.2.3 冬季運(yùn)行策略

冬季設(shè)計(jì)工況日時(shí)，夜間用電低谷時(shí)段（22:00～8:00）蓄熱鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，日間采用地源熱泵與蓄熱裝置換熱器聯(lián)合供暖。非設(shè)計(jì)工況日時(shí)，根據(jù)第二日負(fù)荷預(yù)測(cè)情況，按需蓄熱，日間依然采用地源熱泵與蓄熱裝置換熱器聯(lián)合供暖。當(dāng)熱負(fù)荷降至450 kW時(shí)，采用地源熱泵單獨(dú)供暖。并適時(shí)檢查室外溫度變化，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方案。

4 結(jié)語(yǔ)

蓄能和地源熱泵技術(shù)作為兩種獨(dú)立空調(diào)技術(shù)，雖有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也有一定局限性。因此，將地源熱泵與蓄能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，不僅利用了地源熱泵高效率、低污染的優(yōu)點(diǎn)，而且還利用蓄能技術(shù)削峰填谷的作用，降低了運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也解決了地源熱泵因冬夏季取熱量、排熱量不同對(duì)地溫造成的影響[5]。但由于系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)自控及運(yùn)維人員的管理要求高，需要注重運(yùn)行階段的調(diào)試。目前，該項(xiàng)目已完工，正在運(yùn)行調(diào)試中。