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蓄冰技术与水源热泵的结合

【关键词:工业设计】 
摘要: 冰蓄冷和水源热泵是两种截然不同的技术,两种技术如能结合在一起,将带来更大的节能效益。本文介绍了冰蓄冷技术与水源地泵技术在北京天创世缘工程中的应用,本工程已于2002年9月和11月分别进行了夏季和冬季工况的调试。并与常规冷热源系统进行了技术经济比较。

关键词: 冰蓄冷 水源热泵 节能

冰蓄冷和水源热泵技术均起源于欧美等发达国家,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。我国从20世纪90年代开始推广这项技术,目前已有一些建成的工程项目。由于电力部分实行了电力峰谷差价,使得用户可以得到一定的运行费用省。由于我国电网峰谷差日益加大,在华北地区的峰谷差已达到40%,并有进一步加大的趋势,因而使电力负荷侧的管理难度也日益加大。近年来,每逢七月下旬和八月上旬的夏季高温时节,这一情况就尤为突出,为了解决这一难题,大力推广蓄冰技术势在必行。

水源热泵技术是可再生能源的开发和利用技术,可以将低位能源搬运到高位能源的技术,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供我们使用,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。

在过去的几十年里,这两项技术得到了蓬勃地发展,在欧美等国家得以广泛地应用,在我国近年来也发展迅速,方兴未艾。

但是,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。

对于普通的建筑物,尤其是大型商业建筑,其制冷负荷往往大于采暖负荷,而这两项技术的结合,即可利用水源热泵技术同时满足制冷和采暖的需求,又可采用蓄冰技术进行电网的削峰填谷。即使用户使用到了廉价的采暖方式,又解决了污染问题,还为电网的昼夜平衡作出了贡献,可谓一举多得。

在汲取了国外大量先进技术的同时,我国第一个水源热泵与蓄冰技术相结合的工程----天创世缘已经于2002年9月在北京顺利完工。天创世缘的成功,标志着这两项技术已经可以成功地嫁接在一起,是国内首项联合运行系统,为首都的蓝天工程、华北电网负荷侧的管理起到了重要的示范意义。

天创世缘北京市朝阳区大屯路,总建筑面积170,000 m2,其中建筑物底商为大型商业设施,空调面积为40,000 m2,需安装中央空调系统,以满足夏季制冷和冬季采暖的要求,采用水源热泵及蓄冰技术后,即可达到上述要求,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。

天创世缘夏季空调最大设计冷负荷为6050KW,冬季空调最大设计热负荷为4000KW。系统首先考虑采用开采地下含水层中的恒温的地下水在夏季来冷却水水热泵机组的冷凝端,再通过水水热泵机组进行制冷。同时,冬季可利用地下含水层中的恒温的地下水提供低位热源,再由水水热泵设备提升至高位能源进行采暖使用。冬季由于采用了大量的地下水中的免费的能源,使得运行成本得到大大降低。

另外,根据天创世缘夏季制冷负荷情况的特点,夏季制冷负荷比较冬季采暖负荷大得多,因此如单纯采用水水热泵系统,会使得所需的地下水用量较大,需开采水源井11口,5抽7回灌,因此受到具体钻井条件的限制。考虑到天创世缘大厦的商业的性质,在后夜电力低谷时段不需要空调,因此考虑蓄冰式空调方案,该系统利用夜间低谷电力蓄冷,日间电力高峰时段由所需得的冷量与水水热泵机组联合运行,向空调末端提供冷量。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7口,3抽4灌,大大节约钻凿水源井量。同时,由于大量使用了后夜低谷电,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。

该项技术充分利用了地下水恒定的、可再生的能源,并通过电力这一清洁能源,实现了冬季采暖、夏季制冷的两项功能。被利用能量后的井水完全回灌回地下,对井水无污染、无浪费。整个水源热泵及蓄冰空调系统冬季最大用电量为1407KW,可满足冬季采暖的需求;夏季日间最大用电量为1125KW,夜间最大用电量为815KW。日间蓄冰系统启用,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小时负荷曲线如下:

根据北京天创世缘夏季24小时空调负荷情况,夏季采用水源热泵加蓄冰空调方案,本工程选择六台580kw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,日间与蓄冰设备联合供冷。经蓄冷系统选型软件计算,得出该工程的系统的最佳配置,系统能量分配如下:

* 六台三工况水源热泵主机日间空调工况最大能量输出:3480 kw

* 六台三工况水源热泵主机夜间制冰工况能量输出:2262kw

* 蓄冷设备夜间储存的可利用冷量: 18096 kwh

* 蓄冷设备日间溶冰最大输出能量:2570 kw

* 蓄冷设备削减制冷高峰时段负荷:42.5%

采用水水热泵及蓄冰夏季空调系统运行策略如下:

8:00 - 22:00 :六台水源热泵机组空调工况运行。

8:00 - 20:00 :蓄冰设备溶冰输出,与水源热泵联合供冷。

23:00 - 7:00 :水源热泵机组制冰工况运行,8小时向蓄冰设备蓄冷量。

六台水源热泵机组的冷却水源由地下水提供,可代替冷却水塔。

采用水水热泵及蓄冰冬季空调系统运行策略如下:

六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,六台机组总供热量为4200kw,。

根据方案设计,选用六台水水热泵机组,共需15℃的地下水330m3/h,夏季作为冷却水源,地下水最大供回灌温度为15—26.3℃;冬季作为低位热源,地下水供回灌温度为15—7.2℃。故需打出水井3口,回灌水井4口,总出水量为330m3/h。

该系统总体投资1013万元,比常规制冷系统相比较,增加了约56万的投资,共打井7口,并可满足冬夏的需求。以下是投资比较表:

>蓄冰及水源热泵系统主要设备及打井投资表 设 备型号生产厂家数量耗电量(KW)单价 (万)总价 (万)三工况主机LWP1800法国CIAT6175*6¥55.0/台¥330.0蓄冷球STL-AC00法国CIAT330 m3-¥0.6/ m3¥198.0蓄冷槽STL-AC国内制造1-¥60.0/台¥60.0冷冻泵 广州一泵437×3¥1.5/台¥6.0负载泵 广州一泵445×3¥2.0/台¥8.0板式换热器 ALFA-LAVAL2 ¥40.5/台¥81.0自控系统 德国SIEMENS1 ¥40.0/套¥40.0乙烯乙二醇100%国内生产30吨-¥0.7/吨¥14.0打井费(含井泵)  737×3¥18.0/口¥126.0系统安装费    ¥150.0¥150.0总计  1250¥1013.0

注:1、主要设备全部采用合资或进口产品。

2、水泵设置为一台水泵对应两台主机,并设有一台备用泵。

常规空调系统投资表 设备主要技术参数数量总耗电量 (KW)总价(万)离心制冷机制冷量:450 RT4320×4¥400末端水泵流量:300m3/h 扬程:25m537×4¥7.5冷却水泵流量:350m3/h 扬程:22m545×4¥10.0自控系统 1 ¥40.0冷却水塔350m3/h411×4¥60.0安装冷却水塔建筑改造费  ¥100.0系统安装费  ¥100.0总计  1652¥717.5

注:1、常规系统主要设备全部选用合资或国产设备。

2、由于冷却水塔扰民的问题,无法放置在裙楼顶部,故需对原有的建筑进行改造,以放置冷却水塔,经业主方审核,其对建筑的改造费用约为100万元。

3、水泵为四用一备。

常规系统与水水热泵+蓄冰系统总体投资(机房主要设备和机房电力报装)比较:

两种系统投资比较表 (万元)  常规系统水水热泵+蓄冰系统空调设备¥717.0¥1013电力贴费(2000KVA)¥240.0(1500KVA)可减免总投资¥957.0¥1013

注:1、采用蓄能系统可减小电力设备容量,包括变压器、配电柜等,其费用未作统计。

2、由于本工程电力贴费在建设时期已经向供电局交纳,采用蓄冰系统后,经电力部门审核,已批准将电力贴费退还给业主,以资鼓励。

3、在建设初期,如考虑采用此方案,还可以减少市政热力的投资。

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4.3:1。因此,采用冰蓄冷系统,可以大大降低空调系统经常运行费用。

现阶段,峰谷分时电价如下表:  起始时间电价(元)高峰段8:00~11:0018:00~23:000.995平段7:00~8:0011:00~18:000.633低谷段23:00~7:000.230

将常规系统与蓄冰系统全年运行费用相比较,以100%负荷、80%负荷、60%负荷、40%负荷为基数,进行分析比较:可得全年运行电费比较柱状图及运行电费表。

常规系统与蓄冰系统机房年运行电费比较

天数常规系统 (万元)蓄冰系统 (万元)100%负荷1016.013.080%负荷6075.056.060%负荷4036.028.040%负荷4025.015.0总计150152.0112.0

冰蓄冷系统年经常运行费用可以比常规水水热泵系统节约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/㎡(商场的层高均超过4米),则整个冬季运行费用为240万元,与水源热泵系统相比较,水水热泵系统冬季运行费用可分三个阶段分别进行计算,首先为初寒期和末寒期,约为40天,每天运行12个小时,负荷系数为0.6,则运行费用约为32万元;然后为中寒期,约为60天,每天运行12个小时,负荷系数为0.8,则运行费用约为65万元;最后为严寒期,约为20天,每天运行12个小时,负荷系数为0.95,则运行费用约为25万元;故整个冬季水源热泵运行费用为122万元。比常规市政热力系统节约118万元。

本水源热泵加蓄冰系统与常规电制冷加热力供暖系统相比,年运行费用可节约158万元。 虽然初次投资略有增加,但投资增加部分很快可以回收。

本工程得到电力部门的支持,退还电力贴费240万元,故实际工程总投资仅增加56万元。如果不考虑此项费用,实际投资需增加296万元。但是,年节约运行费158万元,仅需两年即可回收增加的初投资。

目前,北京地区正处于经济高速发展阶段,环境保护问题尤为严重,消除燃煤锅炉污染的工作任重道远。采用水源热泵技术,是解决冬季清洁供暖的重要措施。水源热泵技术的基本原理可以理解为将夏季的热能储存在地下,供冬季使用;将冬季的“冷”能储存在地下供夏季使用。是一种“季节储能”系统。

冰蓄冷技术是一种“日储能”系统。它可以转移大量的日间高峰电力到夜间低谷时段使用,充分利用电网的日夜电差价,因而是用户的最佳选择。如普及结合水源热泵和蓄冰空调技术到北京市的商业建筑上,将对华北地区整个电网的结构性调整将起到重要作用;同时可取代大量的燃煤锅炉,对北京地区的环境治理也将起到重要作用。因此,水源热泵技术与蓄冰技术的结合必然具有广阔的经济前景和重大的社会效益。
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