地源热泵冰蓄冷

1、第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? 5 1 ?某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析毛佳妮徐玉党（华中科技大学）摘要从冷、热源选用的角度岀发，就武汉某火车站站房选用地源热泵与冰蓄冷空调系统联合运行方案 进行可行性分析，并与常规电制冷方案进行经济性比较。数据表明该类工程的初投资和运行成本能得到极大的降低。同时，借以展望推广此项空调节能技术在铁路沿线建筑中的应用前景。关键词铁路建筑地源热泵冰蓄冷优化控制可行性分析Feasibility analysis of GSHPS & ISACS for one rail way stationMao Jiani Xu Yuda

2、ng(Huazho ng Un iversity of Scienceand Tech no logy)ABSTRACT Based on the cold source & heatsource selection givesthe feasibility an alysisof GSH2 PS &i ce2storageair2c on ditio nin g systemin on erailway stati onof Wuha n. Comparedwith the tech n2 cal and economicaperformanceof the electric refrige

3、ration projects, the results show that the original in vestme nt an d operati on al cost of the systemca n be reduced. Besides, tries to prospectthe future d逢 velopme ntof the en ergyc on servationtech no logy.KEY WORDS railway station building ; ground source heat pump ; ice2storage; optimal con2 t

4、rol ; feasibility analysis 1994-2007(,hina Ac;dcmic Joumal Electrcmic Publishing Huusc, All rishis reserved, http www,cnki.ner第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? 5 1 ?图1该市全年的日干球温度S收稿日期:2006 211230通讯作者:毛佳妮,Email :maojiani 139. com我国铁路是能源消耗的重点行业，至今仍基本 沿用传统的供热、制冷方式。据北京、广州等已运 营的铁路枢纽线路的统计数据，空调系统的能耗约 占铁路系统总能耗的

5、 50 %。一方面，传统锅炉采 暖耗煤量大、供热效率低、环境污染严重；另一方 面,空调能耗高，造成供电紧张，加剧峰谷供电的不 平衡，影响电网设备的安全运转 。因此，改善电力 供应的紧张局面和电力负荷环境已成为当务之急当前，铁路建设方兴未艾，每年的投资巨大，在 全社会倡导“节能降耗，共建和谐社会”的大环境 下，对于如何降低铁路运营能耗的问题一直是人们 关注的焦点。因此亟需寻找一种空调节能技术应 用于铁路系统，以期达到经济、环保的要求。笔者 将从冷、热源选用的角度出发 ，对首次应用于铁路 站房建筑中的地源热泵与冰蓄冷空调系统的联合 运行方案的可行性加以讨论 。1设计依据1. 1气象条件该市地处我国

6、中原腹地，属亚热带北缘，气候 温和，雨量充沛，具湿润季风气候特征，冬寒夏热， 冬夏交替明显，冬夏长、春秋短，夏季多高温。全年 平均气温为16. 6 C ,年平均降雨量为 1 270 mm。 1.2站区建筑场地地质构造场区位于长江南复式背斜的次级褶皱背斜核部，地层自上而下依次为：1）人工填土，为杂填土，成分包括黏性土 、碎 石块、水泥砖块等，夹杂物含量不均，人为因素影响 大，厚0. 58. 2 m。2）黏土，棕红色，褐黄色，软硬塑，夹少量铁 锰结核，厚度1.414.8 m。3）粉土、粉砂 潢色、灰白色，中密密实，饱 和，主要矿物成分为石英、长石。厚度2. 3 14. 7 m。4）中砂，褐黄色间灰

7、白色，中密密实，饱和， 呈砂土状，灰黄色间灰白色，厚度4. 723. 6 m。5）粗砂、砾砂，褐黄色间灰白色，中密密实， 饱和，成分为石英质，砾径520 mm，厚度2. 3 22. 8 m。6）圆砾土，褐黄色，中密密实，饱和。7）泥质粉砂岩、泥岩，灰色，全弱风化。泥质砂岩全风化带呈砂土状，厚度大于13 m。1.3冷、热负荷计算该火车站站房的计算区域分为西侧主站房（13 776 m2）和东侧主站房（1 944 m2）。根据最新 列车时刻表预计该站的日旅客发送量，并利用鸿业空调软件ACS6. 0计算得出本工程东站房夏季空 调尖峰负荷为702 kW （15:00时刻），西站房夏季 空调尖峰负荷为5

8、538 kW （15:00时刻），合计尖峰 冷负荷为6 240 kW（15:00时刻）拎指标191 W/ m2 , 设计日负荷为 95 530 kW?h;冬季东站房负荷为 483 kW，西站房为3 897 kW ,总热负荷为4 380 kW , 热指标134 W/ m2。夏季空调设计日逐时冷负荷 见图2。iiiiliio7 6 dcmic Joumal Electrcmic Publishing Huusc, All rishis reserved, http www,cnki.ner第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? 54 ?的部分负荷蓄冰模式，由基载机组承担夜间电

9、力低 谷段的冷负荷。系统采用地源热泵与冰蓄冷机组 的联合运行方案，其中蓄冰设备选用冰球蓄冰装 置，流程中设有板式热交换器，用以将蓄冰系统的乙二醇回路与通往空调负荷的冷冻水回路隔离开。在供冷、热期间，板式热交换器将蓄冰系统中循环 的乙二醇溶液温度调整到空调负荷所需要的温度，同时保证乙二醇仅在蓄冰循环中流动，而不流经各空调负荷回路，这样可减少乙二醇用量，并避免乙 二醇在空调负荷回路中的泄漏。空调系统夏季供 冷冷水温度为7/12 C，冬季供热热水温度为 45/ 40 C。3冰蓄冷冷负荷平衡策略J| -根据空调负荷和当地电价特点，冰蓄冷按照初 投资最优化原则，根据分量蓄冰的运行策略进行冰 蓄冷系统的设

10、计。蓄冰设计选用2台1 934 kW的 三工况螺杆式冷水机组用于制冰、供冷和供热，基载机组选用2台544. 1 kW的地源热泵螺杆式冷 水机组供冷和供热。系统在100 %，75 %，50 %和 30 %设计负荷情况下的逐时冷量分配情况分别见 图3图5所示。3.1100 %设计日冷负荷平衡策略由图3表明，在100 %设计冷负荷情况下，在电价高峰时段（22 ：0023 :00）只需开启1台三工 况主机供冷，而在电价谷时段（24 :005:00）依靠 基载主机供冷和三工况主机蓄冷，平时段（8:0021 :00）依靠三工况主机、基载主机全开和融冰共同 供冷,系统的融冰供冷率为15. 6 %。7 000

11、 6(XH5 000 斗000 10002 0001 0000T 000-2WW-3 00Hill时a 工况主（Uft序 号卫乱主机净3：机需挣图3100 %设计日冷负荷分配方案图3.2 75 %设计日冷负荷平衡策略由图4表明，在 75%设计冷负荷情况下，除在 电价高峰和谷段不用开三工况主机供冷，其余时段均依靠基载主机和融冰供冷外，平时段是三者全开 联合供冷，系统的融冰供冷率为21 %。图475 %设计日冷负荷分配方案图3.3 30 %设计日冷负荷平衡策略a在30 %设计负荷情况下,白天电价高峰时段 和平时段均不用开三工况主机供冷，由基载主机和融冰联合供冷，谷段完全依靠基载主机供冷，系统的融冰

12、供冷率为55 %。由于空调系统全年在 30 %75 %负荷情况下 运行的时间占全年空调时间的74 %，因此，根据分量蓄冰的负荷平衡策略进行冰蓄冷系统的设计是 合理的，符合初投资最优化原则。2 5002 0001 5001 000 禅 S00 M M _5fl0 瓷一1 QOT-1 5CK) -2 000T 500 -J000口 沖帯冷口 3工挺圭机貧尊 :K主肌擁呼时同沖图530 %设计日冷负荷分配方案图4室外土壤换热器设计4. 1地源热泵系统的最大吸热量和最大释热量本工程夏季冷负荷为6 240 kW，冬季热负荷为4 380 kW,地源热泵系统的最大吸热量为 3 370 kW，最大释热量 6

13、070 kW。4.2 土壤源换热器埋管方式目前埋管可使用的场区面积为19 850 m2，同时结构和桥梁基础均采用钻孔灌注桩基础，桩径为O1 000 mm和1 200 mm的工程桩共 396个，平 均桩长36 m，所以本次设计土壤源换热器采用垂 直地埋管换热器，分为工程桩内埋设换热器、钻孔埋设单U型管和W型管换热器3种形式。5技术经济比较比较对象：地源热泵+冰蓄冷和水冷机组 +燃 气锅炉方式。其中:燃气价格按3. 28元/米3（标准）计算，非蓄能中央空调电价按0. 936元/千瓦时计算，蓄能空调电价按非普工业用电分时电价计算，热泵蓄能运行按平均电价 0. 705元/千瓦时计算，冬夏 季平均按60

14、%负荷计算，各种水泵的输入功率取电 机额定功率的86%，未计算冷却塔的补水费用，夏 季制冷期约为180天，冬季制热期约为90天。5. 1设备造价比较由于末端各系统一样，安装工程造价相差不大 （地埋管换热器的安装已计入），故造价差别主要在 机房的主要设备上。迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal Elcttronic Publishing Hau sc. All rights resorted,hnp :-1/ www, ，第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? # ?迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal E

15、lcttronic Publishing Hau sc. All rights resorted,hnp :-1/ www, ，第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? # ?表1地源热泵冰蓄冷机房主要设备表名称规格数量/台造价/万元制冷量:544 kW地源热泵机组制热量:666 kW;输入功率：151 kW272制冷冷量:1 934 kW ;地源热泵机组制冰冷量:1 257 kW ;%片 咯%诗二協（带蓄冰工况）制热量:2 273 kW ;输入功率:523 kW2232蓄冰设备十 口f*1 $jp r* -：-11，=11 STL2AC21452246乙二醇泵L = 34

16、0 m3/ h , H = 17 m , N = 30 kW36. 3乙二醇泵L = 580 m3/h,H = 21 m, N = 45 kW27. 8冷热水循环泵L = 100 m3/h,H = 32 m, N = 18.5 kW32. 7冷热水循环泵L = 450 m3/ h , H = 32 m , N = 45 kW37. 68冷却水泵L = 120 m / h , H = 36 m , N = 30 kW33. 6冷却水泵L = 450 m3/ h , H = 36 m , N = 45 kW37. 68闭式冷却塔L = 250 m3/ h , N =7. 5 kW250板式换热器换

17、热量:2 700 kW262地埋换热器450合计1 147. 76表2常规冷水机组+燃气锅炉方案主要设备表名称规格数量/台造价/万元制冷量:3 000 kW ;离心式冷水机组输入功率:524 kW2412制冷量:309 kW螺杆式冷水机组输入功率:60 kW121燃气锅炉制热量:2 200 kW ;2120冷热水循环泵L =578 m3/ h , H = 32 m , N = 75 kW37. 68冷热水循环泵L =61 m3/ h, H = 32 m, N = 15 kW21. 6冷却水泵L =704 m3/ h , H = 36 m , N = 90 kW315. 9冷却水泵L =74 m

18、3/ h, H = 36 m, N = 18. 5 kW21. 9冷却塔L =601 m3/ h , N = 5. 5 x4 kW242冷却塔L = 84 m3/ h N = 3 75 kW12. 8合计624. 88迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal Elcttronic Publishing Hau sc. All rights resorted,hnp :-1/ www, ，第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? # ?迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal Elcttronic Publishin

19、g Hau sc. All rights resorted,hnp :-1/ www, ，第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? # ?5.2运行费用分析5.2.1 市政条件根据该市执行的分时电价政策，峰段电价为1. 269元/千瓦时，平段电价为 0.705元/千瓦时， 谷段电价为0.338 4元/千瓦时。峰谷电价差达到 了 0. 931元/千瓦时，常规空调电价0. 936元/千瓦5.2.2年运行费用比较迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal Elcttronic Publishing Hau sc. All rights resorted

20、,hnp :-1/ www, ，第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? # ?迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal Elcttronic Publishing Hau sc. All rights resorted,hnp :-1/ www, ，第5期毛佳妮等：某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析? # ?表3地源热泵+冰蓄冷方案的年运行费估算表运行季节夏季（180天）冬季（90天）项目费用/万元年运行费用合计地源热泵+冰蓄冷制冷期运行费用：11 565 X180 =208地源热泵机组（制热和提供部分热水需求）系统满载总功率：机组为

21、 523 X2 = 1 046 kW泵为（45 + 45 + 30） X2 X0. 86 = 206 kW每日满载运行时间为11.2小时每天运行费用：（1 046 X11. 2 + 206 X24） X0. 705 = 11 745 元/ 天 制热期运行费用：11 745 X90 = 106314迸;1994-2007 (hina Acadiimic Jcuinal Elcttronic Publishing Hau sc. All rights resorted,hnp :-1/ www, ，? 55 ?制冷与空调第7卷表4常规冷水机组+燃气锅炉机房年运行费估算表运行季节项目费用/万元夏季（

22、180天）离心式冷水机组系统满载总功率：机组为 524 X2 = 1 048 kW泵为（75 +90 + 15） X2 = 360 kW制冷机组满载运行时间为9. 1小时每天运行费（元/天）：9. 1 X1 048 X0. 936 + 360 X0. 86 X24 X0. 936 = 15 726 制冷期运行费用:15 726 X180 =283冬季（90天）溴化锂机组+燃气锅炉+冷热水循环泵系统满载总功率：设备参数补充:燃气锅炉制热量为2 200机组为257 ；= 514 kW日、3冷热水循环泵为 75 X2 = 150 kWkW，耗气量为257 Nm?/ h制冷机每日满载运行时间为11.

23、5小时.14 I.ri每天运行费用（元/天）:11. 5 X514 X3. 28 + 150 X0. 86 X24 X0. 936 =22 286制热期运行费用:22 286 X90 = 201年运行费用合计484 1994-2007 China Acadwnic Jcumal Electronic PublishingAll rights reserved, hrtp7/wwt*-,enki.nci.? # ?制冷与空调第7卷 1994-2007 China Acadwnic Jcumal Electronic PublishingAll rights reserved, hrtp7/wwt

24、*-,enki.nci.? 56 ?制冷与空调第7卷5.3两种方式的经济性比较表5经济性比较万元经济项目地源热泵+冰蓄冷冷机+燃气锅炉机房设备投资1 148625增加投资5230年运行费314484增加运行费-1700每平方米运行费94145通过以上的计算及分析可以得到以下结论：1）随着工艺的不断成熟和国家电价等政策扶持力度的加大，冰蓄冷系统应用于铁路沿线建筑将 成为现实的同时，还需要加深对基于负荷预测的冰 蓄冷优化控制策略的认识。2）该站房采用地源热泵与冰蓄冷系统的联合运行方案的初投资虽高，但全年的运行费用较低 较常规电制冷+燃气锅炉空调采暖系统增加的初 投资，可以通过系统运行费用的节省在3. 1年内收回。可以看出，采用地源热泵+冰蓄冷空调系统较 其他任何系统在运行费用上都有相当的优势，故无论从节能和环保角度考虑，该站的空调系统采用地源热泵与冰蓄冷系统的联合运行方案是可行的 。6结束语笔者对地源热泵与冰蓄冷空调系统的联合运行策略问题进行了一些尝试性的探讨，尚存在一定的缺陷和不足，还有一些工作需要加以改进和完 善，但希望能为铁路沿线建筑空调节能技