地源热泵联合冰蓄冷空调系统的研究设计

第２２卷第５期　制冷与空调　Ｖｂ１．２２　Ｎｏ．５　２００８年１０月　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｏｃｔ．２ｏ０８．８６￣８９　文章编号：１６７１．６６１２（２００８）０５－０８６－０４　地源热泵联合冰蓄冷空调系统的研究设计　王茂盛　（山东建筑大学热能学院济南　２５００１４）　【摘要】　介绍了国内外地源热泵与冰蓄冷空调系统的研究现状，技术优点以及存在的问题。提出地源热泵　联合冰蓄冷系统的设计原理与自动控制方案，对地源热泵联合冰蓄冷系统的优点进行了概述，并　以一工程为例，进行了初步的经济性分析。　【关键词】　地源热泵；冰蓄冷；自动控制；经济性　中图分类号　ＴＵ８３　文献标识码Ｂ　Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　ｗｉｔｈ　Ｉｃｅ－ｓｔｏｒａｇｅ　Ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｗａｎｇ　Ｍａｏｓｈｅｎｇ　（Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５００１４，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆｔｈｅ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ（ＧＳＨＰ）ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｉｃｅ－ｓｔｏｒａｇｅ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．ｈＴｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ’Ｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆｔｈｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇｐｏｉｎｔ　ｏｆｔｈｅ　ｈｔｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｔａｋｉｎｇ　ａｎ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｐ　ｏｒｊｅｃｔ　ａｓ　ｅｘａｍｐｌｅ．ｈｔｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｎａａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｉｌｌｕｓｒｔｔａｅｄ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ（ＧＳＨＰ）；Ｉｃｅ－ｓｔｏｒｇａｅ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｎａａｌｙｓｉｓ　０前言　势互补”，并对地源热泵联合冰蓄冷空调系统进行　目前地源热泵技术在北美和欧洲已经非常成　理论研究分析。　熟。冰蓄冷空调技术主要是将实际用电从电网高峰　向低谷时段转移，从而提高电网效率和节约能源，　１　地源热泵联合冰蓄冷空调系统　是电力部门峭０峰填谷”的最佳途径。目前世界发达　针对单一的空气源空调系统或地源热泵空调　国家都已经或正在使用冰蓄冷空调，我国目前实施　系统或是冰蓄冷空调系统，笔者提出地源热泵联合　推广的省市有北京、湖北、河南、湖南、江苏、浙　冰蓄冷空调系统，其优点在于　江、广东等，尤其是在以广东为中心的华南地区，　（１）以土壤为热源，由于全年土壤温度波动小，　每年使用空调的时间长达９—１０个月，使用冰　随着土壤深度的增加，土壤温度变化相对稳定，冬季　蓄冷空调无论在经济效益上，还是社会效益上，意　土壤温度比空气温度高，夏季又比空气温度低，所以　义更为重大。　热泵的供热供冷的ＣＯＰ值均高。据重庆大学刘宪　但这两种技术各有其局限性。地源热泵技术虽　英教授科研组的测定，与空气源热泵相比，地源热泵　然可以供热供冷，但无法在夜间电力低谷时蓄冷，　ＣＯＰ值平均提高３０％左右，因而可以大大空调系统　进而“削峰填谷”。冰蓄冷技术虽然可以起到峭０峰　的耗电量，也为用户节省了运行费用：　填谷”的作用，却无法在冬季供暖。基于以上考虑，　（２）在室外气温处于极度状态时，用户对冷（热）　文章将这两项新技术嫁接到一起，“取长补短，优　量的需求量处于高峰期，由于土壤温度有延迟，这时　作者简介：王茂盛（１９８５～），男，硕士。　收稿日期：２００８．０５．２３　第２２卷第５期　王茂盛：地源热泵联合冰蓄冷空调系统的研究设计　・８７・　它的温度并不处于极端状态，它可以提供较小的冷　步拉大峰谷电价比，与国际通行峰谷电价比例靠拢，　以鼓励利用低谷电。随着“峰谷电价”的全面　实行，地源热泵户型蓄冰空调将会有更为广阔　的市场前景。　凝温度和较高的蒸发温度，提高机组的制冷（制热）　能力，尽可能满足用户要求；　（３）土壤源热泵的埋地盘管不需要除霜，减少　了结霜和除霜的损失及复杂的除霜控制，从而降低　了户型空调机组的造价；　３地源热泵联合冰蓄冷空调系统的设计与　（４）土壤源热泵不需要风机，可以减少噪声和　热风污染，而且运行情况好于空气源热泵，有较高的　可靠性，为用户的使用带来很大的方便；　（５）土壤源热泵的主机，可安装在贮藏室或车　库内，完全不影响建筑外观；　（６）也正是由于土壤温度的延迟作用，因而可　以提高户型空调单机的制冷量，再加上夜间蓄　冰，可减少白天机组制冷量，使机组压缩机容量减小，　降低机组造价，同时还可以适应更多的单相电用户　的需要；　（７）夏季，即便是在夜间，土壤源热泵的冷凝温　度也低于空气源热泵，因而可以减小制冷系统运行　时的压缩比，这为地源热泵联合冰蓄冷空调系统利　用低谷电蓄冰创造了极为有力的条件。　２地源热泵联合冰蓄冷空调系统的应用前　里　尿　地源热泵联合冰蓄冷空调系统有着较大的市　场前景：　（１）小型别墅逐年增多，地源热泵联合冰蓄冷　空调系统是富裕起来的城乡居民家庭空调的首选　机型，这部分居民占我国人口的比例不大，但绝对　数不小：　（２）城市绿化面积扩大，也为一些低层住户和　小型商业，办公用户提供了使用地源热泵联合冰蓄　冷空调系统的条件；　（３）工矿企业的办公、计量、化验、检测等　附属用房也具有使用地源热泵联合冰蓄冷空调系　统的条件；　（４）据国外资料介绍，在定负荷运行情况下，　蓄冷空调比非蓄冷空调年节能率为１３％。因此，蓄冷　空调将得到国家重视和推广，并有可能获得国家补　助，以降低用户的投资；　（５）为解决电力负荷不均的问题，我国将进一　控制　在地埋管地源热泵机组的选择上，根据不同区　域建筑物的基本状况进行设备的选择。但是在我国　的南方地区，建筑物夏季的冷负荷一般大于冬季的　冷负荷，而热泵机组往往都是制热量大于制冷量　（通常情况下热泵机组的制热量是制冷量的１．１～　１．３倍）。因此在机组选择的时候，如果按照冷负荷标　准选择机组，则会导致机组的制热能力大大超出建　筑物的热负荷需求，造成机组投资和运行的浪费：　而若按照热负荷标准选择，则会出现夏季制冷量不　够，故可以按照冬季热负荷标准进行选择，以冰蓄　冷空调系统作补充。这样不仅可以降低地热换热器　的初投资，而且还可以实现地源热泵机组的间歇运　行，有利于土壤温度场的有效恢复。此外，冰蓄冷技　术只能应用于夏季空调季节，起到“削峰填谷”的　作用，但却无法在冬季供暖：而地源热泵技术虽然　可以供暖制冷，但却无法在夜间电力低谷时蓄冷，　起到平衡电网负荷的功效。因此，地源热泵和冰蓄　冷技术的联合运行，既可使用户使用到冬季廉价的　地热能资源，又可使用户使用到具有良好舒适性的　冰蓄冷空调制冷。这样既减轻了采用常规能源带来　的环境压力，还为平衡电网负荷做出了贡献，可谓　一举多得。　地源热泵与冰蓄冷空调联合运行系统主要由　以下系统构成：室内供热系统、三工况热泵机组工　质循环系统、冰蓄冷空调系统和地热换热系统。在　夏季电力低谷时段，启动热泵机组制冷工况蓄冰，　将冷量储存在蓄冰槽中，白天用电高峰时段释冷。　如果日间冷负荷需求较小，单独采用冰蓄冷空调制　冷：若日间冷负荷需求较大，开启三工况热泵机组　制冷工况，由地源热泵机组和冰蓄冷联合制冷。在　冬季，采用地源热泵系统供给室内采暖。联合运行　原理图如下图所示：　制冷与空调　２００８焦　地源热泵＋冰蓄冷三联供系统原理图　广一一一一一一一一一一１广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一］广一一一’　室外换热系统　ｌ　ｌ　Ｉｌ　ｌ　机膀设＃毫１分　　ＩＩ末端设鲁甫ｆ分　ｉ『】　　；　ｌＩ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　　ｊ３囤　０　¨　柚－曼＾　。醒器　・。－　Ｌ——．．　．．．．．．．—．．．．．．．．．ｊ　Ｌ…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｊ　Ｌ．．．．．。．．Ｊ　图１　地源热泵联合冰蓄冷系统原理图　在地源热泵联合冰蓄冷系统中都存在几种运　行工况的必要转换，相对一般空调系统都比较复　杂，为使之达到预期的效果都需要增设必要的自动　控制。　Ｏ　０　哪　部分负荷蓄冰系统的控制，除了保证蓄冰工况　●日　可以让冷机白天供电高峰时停止运行，只在夜间的　低谷期蓄存下冷量即可。或保留一定数量的蓄冰，　供晚高峰使用，将是优化控制中的一种策略，根据　分析，按照目前北京电价结构来说，采用优化控制　比采用制冷机优先控制，可以节省运行电费２５％以　上。　总之，为使空调蓄冰系统给用户带来较大的经　闭　与供冷工况之间的转换操作以及空调供水或回水　０　蝇　温度控制以外，主要应解决热泵主机和蓄冰装置之　嘶　．．　州　间的供冷负荷分配问题。常用的控制策略有三种，　即：制冷主机优先，蓄冰槽优先和优化控制。　济性，又能保证更灵活的供冷需求，且具有更大的　安全性，应进行优化控制，为此，应配置较完善的　参数检测与控制系统。　热泵机组优先。热泵机组优先就是尽量使制冷　主机满负荷供冷。只有当空调冷负荷超过热泵机组　的供冷能力时，方启用蓄冰槽，使其承担不足部分。　这种控制策略实施简单，运行可靠，但是，蓄冰槽　使用率颇低，不能有效地削减峰值用电，节约运行　费用。　蓄冰槽优先。蓄冰槽优先就是尽量发挥蓄冰槽　的供冷能力，只有在蓄冰槽不能完全负担时，方启　动热泵机组，以解决不足部分。这种控制策略既要　保证弥补最大负荷时制冷主机供冷能力的不足，　４地源热泵联合冰蓄冷空调系统的经济性　分析　本工程建筑面积近２１．６万ｍ２，夏季空调最大设　计冷负荷１６４０２ｋＷ，冬季空调最大设计热负荷　１　３３９２ｋＷ，其中冷源部分拟采用地源热泵联合冰蓄　冷系统，冷水供／回水温度７＂Ｃ／１２＂Ｃ，主要建筑功能　包括科研、办公、餐饮等。根据北京市供电局最新　的调整，北京市季节性分时电价在７、８、９三个月中，　峰值电价上调１０％，低谷电价下调２０％，以鼓励冰蓄　冷空调系统的使用，同时可以向有关部门申请补贴；　高低压配电设备投资６００￣Ｊ（ｋＶＡ）。　根据山东建筑大学地源热泵研究所研究的地　热之星软件分析，可以初步得出地埋管量，以及根　据加拿大ＲＥＴＳｃｒｅｅｎ软件分析地源热泵系统的经济　性，与常规系统的经济性可得以下数据：　又要最大限度的利用蓄冰槽，因此，实施颇为复杂，　需要对空调供冷荷进行一定的予测。优化控制。优　化控制就是根据电价，最大限度的发挥蓄冰槽　作用，使用户支付的电费最少。这种控制策略对于　非典型设计日具有颇大的经济性。在春秋季白天可　以只用蓄冰量供冷完全可以满足要求，或对建筑物　内的内外区空调，在过渡季往往外区已经可以停止　供冷时，内区空调还需要相当大的冷负荷存在，也　第２２卷第５期　王茂盛：地源热泵联合冰蓄冷空调系统的研究设计　・８９・　表１经济性比较　５结论　业出版社。１９９３．　地源热泵联合冰蓄冷空调系统的运行是经济　【２】乃仁，方肇洪．地埋管地源热泵技术【Ｍ＝１．北京：高等　的，并且具有明显的节能潜力。此外，这两项技术的　教育出版社。２００６．　强强联合不仅在一定程度上解决了污染问题，而且　【３】秘文涛，张建一，陈天及，等．一种新型的地源热泵与冰　还为平衡电网负荷做出了贡献。相信只要扬长避　蓄冷空调联合运行系统【Ｊ】．流体机械，２００６．　短、优化设计，地源热泵与冰蓄冰空调联合构建的　【４】张晋阳，端木琳，舒海文．三工况热泵机组利用冰蓄冷　复合式新型能源系统将具有广阔的发展前景。　进行空调运行的经济评价方法【Ｊ】．制冷空调，２００４．　【５】‘霍小平．空调自控系统设计．　．中国电力出版　参考文献：　社。２００４．　【１ｌ】　陆耀庆．实用供热空调设计手册　．北京：中国建筑工