大学城冰蓄冷热泵式中央空调系统及多热源联合供热节能系统方案

大学城冰蓄冷热泵式中央空调系统及多热源联合供热节能系统方案一、项目概况本项目以广东某大学城某高校图书馆建筑为例，进行项目的方案的分析比较。大学城某高校图书馆总用地面积约25208平方米，总建筑面积为35625平方米，包括图书馆藏阅区、行政办公区、展示区、报告厅区域和地下停车库等功能区，可满足2000名人员同时阅览的使用要求。本工程为高层建筑，地上7层，地下1层，其中地上层高为298米（限高30米），地下层高50米。建筑主体结构为框架结构，体形系数009。图书馆地上一层进门处为内封闭式高大内庭，地上部分共七层，中央为7层通高的中庭空间，以引入自然柔和的天光。二、空调负荷计算1室外气象参数广州位于东经11317，北纬238，属于亚热带海洋性季风气候。夏季，干球温度342；湿球温度278；相对湿度65；夏季通风室外计算日平均温度306。2室内设计参数室内设计参数表3冷负荷计算本建筑的空调区得热量由以下各项构成通过围护结构传入的热量通过透明幕墙进入的太阳辐射热量人体散热量照明散热量设备、器具及其他内部热源的散热量食品或物料的散热量冷负荷计算采用工程简化算法，根据冷负荷计算结果，将所有房间的最大全冷负荷出现时刻的冷负荷、湿负荷、新风负荷列表，根据冷负荷汇总表，该建筑夏季的总冷负荷为1983KW，冷指标为98W/M2。4负荷分析按全年8760小时逐时负荷模拟结果，见下图（正值为冷负荷，负值为热负荷）。将逐时负荷按天求和，求出5至9月空调季每天总冷负荷，可得到如下图所示的逐日总冷负荷图综上，负荷分析如下在全年尺度来看，全年逐时负荷模拟数据，可看出全年8760小时中有2329小时有冷负荷，2246小时有热负荷，剩余的3285小时无负荷。其中，2329小时的冷负荷绝大多数来自空调季，然而非空调季也存在冷负荷。这是因为对于建筑内区来说室外空气状态对其影响较小。根据模拟结果，全年最大冷负荷1983KW出现在6月30日，最大热负荷2127KW出现在1月18日。冷负荷最大值并没有出现在通常认为的7月或8月是因为此建筑是高校图书馆，7、8月处于暑假期间，因此使用率较平时低很多（模拟中取7、8月人员数量为最大人员数量的50）。故而7、8月负荷并不是最大。统计空调季中每一天的总冷负荷（将逐时负荷按天求和，单位为KWH）。由图及数据表可以看出，全年最大日总冷负荷为18881KWH，出现在6月27日。可见，最大负荷小时并没有出现在最大总负荷日。出现最大逐时负荷的6月30日总负荷为18351KWH，两者相差不多。三、总体设计1设计要求利用广州市自然条件优势，结合大学城周边的污水/浅层地表水、浅层地热、地下水含水层情况，以“节能环保、经济适用、安全可靠”为原则，为大学城选取经济高效的冷热源装置并进行系统的设计，为大学城提供可靠的集中供冷和生活热水系统。2设计依据采暖通风与空气调节设计规范GB500192003采暖与卫生工程施工及验收规范GBJ24282给排水设计手册中国建筑工业出版社，1988年第一版建筑给水排水设计规范GB500152003工业管道工程施工及验收规范GBJ5023597安装工程质量检验评定手册1990年第一版管道工程安装手册1987年第一版3冷热源对比选择综合分析经济、环境、工程实际情况后，各方式对比如下冷热源具备的条件和特点是否选用吸收式制冷机组运行维护要求高，制冷量衰减较快，机组可靠性差不选择浅层地表水热泵夏季地表水温度较高，不利于制冷循环散热，还会造成河床微生物因地表水温度升高而富集不选择地源热泵打井费用高不选择污水源热泵大学城生活污水量大，无其他工业热源污水排放，温度稳定夏季供冷冬季供热空气源热泵工程简单、大学城气候条件适宜、制热效率高制取生活热水太阳能热水大学城日照充足，投入大，但节能高效提供生活热水，与空气源热泵联合使用冰蓄冷单位体积蓄冷量大与污水源热泵联合使用水蓄冷单位体积蓄冷量小，占用空间不选择4方案选择总体设计采用污水源热泵技术，附加空气源热泵以及太阳能供热技术，进行方案设计和比较。（1）技术参数（污水常规数据）内容参数冬季水温1016夏季水温2224污水水质PH7设计污水温差冬季3、夏季5（2）系统运行参数名称夏季空调，系统制冷冬季采暖，系统制热污水循环24进水，29出水，温差5，水量538M3/H10进水，7出水，温差3，水量6034M3/H中介循环27进水，32出水，温差5，水量538M3/H4进水，7出水，温差3，水量6034M3/H末端循环7供水，12回水，温差5，水量448M3/H45供水，40回水，温差5，水量483M3/H（3）工艺流程采用闭式污水源热泵系统，污水先将热量或冷量传递给清洁水（起中介导热作用，又称中介水），中介水再进入热泵机组进行冷热量转换。全系统分为三个子系统污水开式子系统中介水闭式子系统末端循环水子系统。污水源热泵工艺流程图末端泵中介泵末端设备一级污水泵取水井污水换热器热泵机组污水干渠防阻机二级污水泵（4）主要设备系统主要设备及其选型表序号设备名称型号及规格性能数量备注1热泵机组单台制热量170KW制热功率38KW单台制冷量150KW制冷功率29KW2台非标内切型2污水换热器单台换热面积130M2单台换热量340KW1组专用01型3一级污水泵单台流量38M3/H，扬程22米，功率4KW3两用一备4中介水循环泵单台流量38M3/H，扬程24米,功率4KW3台两用一备5末端循环水泵单台流量25M3/H，扬程35米，功率55KW3台两用一备6定压补水装置单台流量2M3/H，扬程21米，功率075KW1个7软化水箱V1M31个8高位水箱V05M31个9快速除污器处理水量50M3/H1个DN5010快速除污器处理水量50M3/H1个DN5011管路、辅材、阀门、保温等1套12控制系统、电控柜及电缆1套13保温储水箱30吨1个循环加热生活热水（5）污水源热泵空调系统关键技术污水源热泵空调系统是利用污水流量大，水质稳定，常年温度在13至25等特点，以污水作为冷、热源进行制冷、制热循环的一种空调系统。由于污水成分很复杂，会造成换热器表面结垢、阻塞甚至是腐蚀的现象，使得换热器的传热效率降低，流体的流动阻力加大，降低换热器的使用寿命，有时甚至使换热器无法工作。在污水利用过程中，经常出现的水质问题是结垢、腐蚀、生物生长、淤塞和起泡，这些问题都是由污水中的污染物引起。为了保证污水的水质不影响污水源热泵系统的应用，主要从以下几个方面考虑。控制结垢通过长时间对污水源热泵系统的监测，系统经过一段时间的运行，换热器表面会形成一层软垢，通常的稳定期在15天左右，而控制软垢的增长可提高换热器内污水流速来进行抑制软垢的增长。另一种方法是定期清洗换热器，通过实践记录，采暖季过后或制冷期过后可定期进行清洗。防止腐蚀如果总溶解固体TDS的数值高就提高了水的电导性，这就造成了高的腐蚀性。另溶解的气体和高氧化状态下的金属离子也能造成腐蚀。可以加入二氧化碳，通过提高重碳酸盐碱度而调节PH值阻垢剂如铬酸盐、聚磷酸盐、锌离子和聚硅酸盐能够减少污水的潜在腐蚀性。另外，热泵换热器采用抗腐蚀性强的海军铜管作为换热器的换热管，从材质上解决污水具有的腐蚀性。减少淤塞通过阻止颗粒性物质的形成和沉降能够控制淤塞。智能污水防阻机过滤网孔径2MM，只有小于2MM的杂质才可进入热泵系统，换热直径18MM，完全可避免换热管淤积的情况。污水源热泵比燃煤锅炉环保，污染物的排放比空气源热泵减少40以上，比电供热减少70以上。它节省能源，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定，其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40左右，其运行费用仅为普通中央空调的5060。同时国家对污水源热泵系统的应用给予很大政策、资金扶持。国家规定利用污水源热泵系统给予50元/M2的补助。（6）设计方案简述常规方案污水源热泵中央空调及生活热水供应系统节能方案冰蓄冷污水源/浅层地表水源热泵中央空调系统太阳能空气源热泵热水系统四、设计方案1常规方案污水源热泵中央空调及生活热水供应系统（1）系统运行模式制冷模式在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13以下的冷风的形式为房间供冷。制热模式在供暖状态下，管路切换至生活热水供应系统，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒R22的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35以上热风的形式向室内供暖。（2）系统特点大学城生活类污水温度比较稳定，与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高4060，因此要节能和节省运行费用4050左右。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量，高效节能、无环境污染、稳定可靠。热泵系统可供暖、制冷、可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。本设计中考虑闭式系统，便于对水质的处理和控制，拟采用通过塑料盘管或者板式换热器作为换热器的系统形式。设备选型污水源源热泵机组，单台制冷量918KW，制热量1166KW；额定制冷工况压缩机功率176KW，额定制热工况261KW。（3）经济性计算初投资水源热泵系统初投资与常规冷水机组投资相比增加了从污水中换热的设备以及水质处理、冬季防冻等设备，并且初期安装调试费用也比常规机组要高。其初投资见表。污水源热泵系统初投资表由模拟结果知，全年总冷负荷为1658921KWH，修正后的总热负荷为685667KWH。污水源热泵机组消耗的电能计算夏季水温为22，可查得EER463冬季水温为9，可查得EER36考虑到平时运行情况，认为机组运行过程中EER值取为样本的80，因此季节性EER值夏季4630837，冬季360829。经计算，污水源热泵全年运行耗电量为按照本工程的情况，空调运行时间济南的加权平均电价为092元/KWH。因此地表水源热泵机组的运行费用为693238092638万元水泵的运行费用包括湖水泵、冷却水泵的运行费用。其中，冷却水泵与湖水泵输入功率为每台18KW，热水泵输入功率为3KW。冷却水泵与湖水泵在采暖季及供冷季运行，夏季负责冷却冷凝器，冬季给蒸发器做热源。两套泵均为两用一备，每天运行14小时，全年运行4116小时。4116（18232）092159万元因此采用地表水源热泵系统全年总运行费用为797万元。2节能方案冰蓄冷污水源热泵中央空调系统太阳能空气源热泵热水系统（1）峰谷分时电价政策根据峰谷电价具体执行办法，其中110KV一般工商业用电（高校用电一般归在这一类），符合以下电价标准。广州市峰谷分时电价表单位元/千瓦时高峰平段低谷时段8001200120017000008001700210021002400价格111206670329按工程经验，一般在高峰低谷电价差距达到4倍或以上时，蓄冷系统具有经济优势。在建筑负荷方面看来，白昼与夜晚用冷负荷并差距较大，而且在空调季内有很多时间是处在部分负荷运行，采用蓄冷系统不仅有利于节约电费，而且能够减小主机功率的配置、节约初始投资。（2）冰蓄冷污水源热泵中央空调系统系统设计第一步设计日逐时负荷计算及分析根据模拟结果列出设计日全楼总负荷（空调系统运行的821时之外的负荷记为0）见下图。冰蓄冷设计日逐时负荷图由此可见夜间22点之后至早上7点之前建筑内没有人员，空调系统不运行，负荷为零。早上7点至晚上21点之间有负荷，早上7点有负荷存在，这部分是因为考虑了夜间通风的负荷。早上8点开始由于室外气温逐步升高，负荷逐渐增大，直至16点达到全天最大的1452KW。下午16点之后负荷开始逐步减小。考虑排风热回收之后，设计日全天总负荷为13992KWH。第二步蓄冰装置选型及冷负荷计算蓄冷装置选用内融冰式冰盘管蓄冰槽，其优点是蓄冷率大且释冷速度稳定。根据本建筑负荷特点，结合建筑空间以及投资回报期综合分析，考虑采用部分蓄冷。初步选定蓄冰率为全天总负荷的30左右。根据冰蓄冷设计日逐时负荷，这样的蓄冰量可以在整个供冷季中有三分之一左右的天数实现全天融冰供冷而不必开启冷水主机。设计日全天总负荷Q013992KWH，考虑12的安全余量，总负荷Q16790KWH。初选蓄冰量QSQ305037KWH由于图书馆建筑没有夜间负荷，因此不考虑设置基载主机。第三步冰蓄冷运行策略设计冰蓄冷系统部分蓄冷的运行策略,采用的优化控制（预测控制）的运行策略根据预测的建筑物负荷、蓄冰装置的容量及特性、当地电价结构等参数，运用最优化方法，得出各时刻制冷主机及蓄冰装置应分担的负荷，指导系统稳定运行。运行中，蓄冷时间设定在23点至7点之间的8小时的电价低谷期。根据蓄冰量5037KWH初步双工况螺杆式水冷机组，制冷量为630KW。冰蓄冷系统的运行策略按照100、75、50、25四种典型负荷日制定，如下如下图所示A100设计负荷日蓄冷策略（负值代表蓄冷槽充冷）B75设计负荷日蓄冷策略（负值代表蓄冷槽充冷）C50设计负荷日蓄冷策略（负值代表蓄冷槽充冷）D25设计负荷日蓄冷策略（负值代表蓄冷槽充冷）第四步双工况主机选型机组的蒸发温度能适应蓄冰温度的要求，其容量和调节范围能满足负荷变化。制冷效率要高，初投资和运行费用要低。采用的制冷剂要符合环保要求，操作、管理简单，维修保养方便，自动化程度高。系统如图所示第五步经济性计算初投资计算冰蓄冷系统初投资（不计空调末端投资及安装成本）冰蓄冷系统初投资表运行费用计算系统运行费用由工程常用概算方法计算。即分别计算100负荷日，75负荷日，50负荷日，25负荷日的两种系统的运行费用。然后由模拟结果将空调季153天按其全天总冷负荷大小分段。在模拟结果的空调季153天中，6月30日的总冷负荷最大，达到18351KWH。整个空调季有21天总负荷落在18351KWH的75100区间内，46天达到18351KWH的5075区间内。同样，有49天为2550，37天为25以下。认为在每个负荷区间内，每天运行费用相近。于是，根据算出的四种典型日运行费用和四个区间的天数即可算出全年运行费用。进而可算出两种系统年运行费用差值。根据计算（详细计算表见附表），冰蓄冷系统供冷季运行费用198万元。回收期计算根据前两节的结果及前文计算出的常规系统，冰蓄冷系统比常规冷水系统初投资增加44万元，年运行费用节省86万元。可知其静态投资回收期为51年。这一回收期在可接受范围内，冰蓄冷方案可行。（3）太阳能空气源热泵热水系统太阳能空气源热泵热水系统，太阳能和空气源热泵互为辅助热源，主要组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组，其他辅助设备与常规的中央热水系统相同，包括太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器等。通过控制系统实现太阳能、空气能以及辅助能源的切换，不仅最大限度的利用能源、减少消耗，而且解决了阴雨天气和冬季低温环境下，太阳能资源不足时，做到全天候生活热水供应，设计水温为60。设计计算设计小时耗热量计算36024HRLRTCMQKQ式中设计小时耗热量（W）M用水计算单位数（人数或床位数），M500；热水用水定额,120/（人D）；RQRQC水的比热，C4187（J/KG）；热水温度，60；RTRT冷水温度，4；LL热水密度，0983KG/LR小时变化系数，484；HKHK设计小时热水量R163QRHLHTQ式中设计小时热水量，L/H；RH设计小时耗热量，W；设计热水温度，55；RTRT设计冷水温度，4；LLR热水密度，R0986KG/L太阳能热水系统根据当地太阳能资源、气候条件及屋面的造型选用横排联箱。系统运行方式为定温直流温差循环的运行方式，并且提供与热泵接口为热泵提供预热水。太阳能集热系统获取有效热量主要受两个因素的影响，一是太阳能集热器本身的热性能质量，二是安装的太阳能集热器总面积。太阳能集热系统主要由太阳能集热器、集热器支架、循环管路、循环泵、阀门、过滤器、储热水箱等组成。集热器由太阳能采暖专用真空管和特制的采暖联箱组成，本集热器实现了承压运行、超低温差传导、防垢、防冻、防漏、抗风功能，真空管经过特殊加工处理，即使玻璃管损坏系统也不会漏水，能够照常运行。集热器及支架设计安装合理，且功能与景观完美结合，不破坏建筑物美观，并可起到屋顶隔热层作用。集热器采集的热量以水为载体，通过循环管路储存于储热水箱中。水箱有两个，一个是热水水箱，主要用于生活热水和洗浴热水，另一个是膨胀水箱，主要用于采暖和制冷。水箱与集热器采用高位集热器低位水箱安装方式，强制循环，停机排空的运行方式，实现太阳能的采集和系统防冻，大大提高了对太阳能的采集效率和系统安全性。太阳能热水设备选取热水器详细参数如下热水器详细参数L/MMDW/MMH/MMDNL1总面积采光面积真空管根数真空管规格M长度（22901516110156034717616582100空气源热泵热水系统本系统利用了空气源热泵机组的优点，它不但冬季可以给太阳能采暖提供热能补充，还可以独立完成夏季制冷的需求，实现一机多用，充分利用能源，降低投资成本。进入夏季制冷时必须先将系统进行冬夏季行环管路转换，将生活水箱和膨胀水箱独立使用，太阳能集热器为用户提供热水。热水供应系统系统生产的热水能通过热水供应系统为用户提供生活日常用热水，系统采用恒温恒压装置保证用水终端水的温度和压力，不会出现供水不足或断水现象，采用自动循环保温装置保证供水管路和用水终端时刻有舒适温度的热水，即使较长时间不用热水也能保证用热水时即开即热。系统图经济性分析初始投资太阳能热水器（万元/平方米）034空气源热泵热水器（万元）217水箱（万元）25控制器价格（万元）2泵（万元）2阀门（万元）2换热器（万元）0间接工质价格（万元）0锅炉（万元）18总投资（万元）244运行参数分析能量当量热值（MJ/M3）3762锅炉效率085燃料价格（元/M3）39年平均日照时间（H）255515年设备费万元015年人工费（万元）5415年燃料费（有太阳能系统，万元）36515年燃料费（不含太阳能系统，万元）940总耗费（含太阳能系统，万元）397总耗费（不含太阳能系统，万元）9454节能效果比较总需热量QCMT1000KCAL/KG20T555K1000000KCAL供热方式热泵机组太阳能燃气热水炉燃油热水炉电热热水炉使用能源电天然气轻柴油电能源燃烧值860KCAL/度9000KCAL/M310200KCAL/KG860KCAL/度热效率400807095燃料单价08元/度32元/M375元/KG08元/度每天燃料总价（元）3234441050323每年燃料总价（元）75905（按235天使用热能机组，130天使用太阳能）162060383250117895安全性能安全可靠有漏气、火灾、爆炸等安全隐患有漏油、火灾、爆炸等安全隐患电热管易老化、有漏电隐患噪音小中大小环境影响状况环保、无任何污染有燃烧气体排放污染严重，一些城市已禁止使用无任何污染不同方式优越性占地面积小室外安装、无需专用机房全自动控制无人值守安全专用燃气炉房需燃气炉工人年检审批专用锅炉房需锅炉工人年检审批自动控制无人值守使用各种能能每年的费用热泵热水机组加太阳能每年比燃气热水炉节约（16206075905）元86155元/年；热泵热水机组每年比燃油热水炉节约（38325075905）元307345元/年；热泵热水机组每年比电热热水炉节约（11789575905）元41990元/年；五、自动控制系统本系统采用微电脑自动控制，能自动识别阳光有无及强弱，监测水箱水温和室内温度，实现太阳能集热系统和采暖系统温差循环，采暖实施分室分时段控制；水位自动控制；热水系统自动循环保温，恒温恒压给水；实时功能状态显示；另特为有峰/谷电价地区的用户设计了谷电应用功能，使辅助能源在谷电时间段内充分蓄能，享受优惠电价，减少运行费用。为保证系统运行可靠及用户人身安全，设置了多种保护措施，如漏电保护、过载短路保护、干烧保护、水流保护、逆序保护、缺相保护、超温保护、高压保护、低压保护、频繁启动保护等，用户可放心使用。控制系统人机界面可以显示各种设置点参数及各设备运行情况，自动检测系统故障并显示故障代码，以方便查询和检修。通过全智能化的控制功能，即充分有效地采集利用了可再生能源又最大限度地节约了能源，同时保证了系统的稳定性、可靠性和安全性。六、国家和地方的相关政策国家经贸委20002015年新能源和可再生能源产业发展规划要点指出“积极推广地热采暖和地热发电技术”，“要积极推动地热的综合利用”。夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ1342001第607条具备有地面水资源（如江河、湖水等），有适合水源热泵运行温度的废水等水源条件时，居住建筑采暖、空调设备宜采用水源热泵。当采用地下井水为水源时，应确保有回灌措施，确保水源不被污染，并应符合当地有关规定；具备可供地热源热泵机组埋管用的土壤面积时，宜采用埋管式地热源热泵。”夏热冬暖居住建筑节能设计标准JGJ752003水源热泵（地表水、地下水、封闭水环路式水源热泵）应用水作为机组的冷（热）源，可以应用河、湖及海水，地下水，废水等。至于地热源（大地耦合式）热泵，从原理上看，其实也是水源热泵的一种，只是将水通过埋设在土壤中的、一种传热效果较好的塑料管来吸取土壤热量（制热时）及排出热量（制冷时）到土壤中。与空气源热泵相比，它的优点是出力稳定，效率高，当然也没有除霜问题。当有地下水、河湖水及其他水资源或土壤热源可利用时，可大大降低运行费用。但水源热泵必需有一个水系统，如果采取打井取用地下水，必须确保有（真正的