地源热泵联合冰蓄冷空调系统研究.pdf

河 北 煤 炭2010年第4期 随着常规能源的紧缺，以及由于常规能源引起 的各类环境问题，使得人们越来越关注潜在的能源 危机。因此，必须采用节能新技术来降低能耗。而 我国建筑方面的能耗占总能耗中很大的一部分，其 中每年用于空调和采暖的能耗也占其中相当一部 分，在国内部分大城市的高峰用电量中，空调就占 了 30 ％以上。主要从节约能源、保护环境的角度 出发，将高效节能的地源热泵系统和冰蓄冷空调系 统联合起来，在夏季冷负荷大的地方采用地源热泵 联合冰蓄冷系统进行制冷，冬季采用热泵系统进行 采暖，该系统主要用于热负荷大的南方地区。 1地源热泵联合冰蓄冷空调系统研究思路 地源热泵技术是最近这些年快速发展的一种比 较成熟的供暖制冷技术。它能够冬天供热，夏天制 冷，一机两用。热泵空调系统具有高效节能、环境 污染小、运行稳定可靠、运行费用低等优点。同时 它使用的是可再生能源 - 地热，取之不尽，用之不 竭。在不同的地区，它还可以灵活多变地和其他设 备联合使用。 空调蓄冷技术，即是在电力负荷很低的夜间用 电低谷期，采用制冷机制冷，利用蓄冷介质的显热 或潜热特性，用一定方式将冷量存储起来。在电力 负荷较高的白天，也就是用电高峰期，把存储的冷 量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需 要。正是利用“谷值”电价之优惠，可减少大量电 费的支出；再者，冰蓄冷的大温差、低温送风的典 型特点，使其节省很多投资费用，而且同常规空调 相比，其投资费用不大，回收快的特点。因此，冰 蓄冷技术也倍受人们的关注。 由于热泵比较适宜应用在冬夏季节冷热负荷相 差不多的地方，冰蓄冷技术基本上应用于夏季空调 季节，因此，设计时将两者联合运行，可以应用在 南方冷负荷大于热负荷的地区。土壤源热泵系统具 有不受地下水量的影响，对地下水没有破坏或污染 作用，系统运行具有高度的可靠性和稳定性的特 点，但是，由于土壤源热泵系统初投资大，而且其 运行费用小的优点不够突出，很难为用户所接受。 将热泵机组和冰蓄冷空调系统联合起来，夜间利用 热泵机组制冰，这样也可以省去冰蓄冷装置中的制 冷机，进而减少设备初投资。 在冷负荷大于热负荷的地方，如果按照冷负荷 地源热泵联合冰蓄冷空调系统研究 张永新 1 ，王洪涛 2 ，肖静静 2 ，石钰杨 2，李克营2 （1 . 冀中能源 邯矿集团公司设计工程部，河北 邯郸056001；2 . 河北工程大学，河北 邯郸056001） 摘要文章从当前能源紧缺、环境污染的现状出发，介绍了节能的空调新技术。由于地源 热泵技术及冰蓄冷空调技术作为一种对环境污染很小的节能新技术，具有不可比拟的优点， 再者由于热泵比较适宜应用在冬夏季节冷热负荷相差不多的地方，冰蓄冷空调技术基本上应 用于夏季空调季节，因此，在南方冷负荷大于热负荷的地区，可以将两者联合起来运行。并 阐述了所设计的地源热泵联合冰蓄冷空调系统图，重点讨论了地源热泵和冰蓄冷装置的匹配 问题，并结合工程实例，提出优化控制方法，得出了优化控制结论。 关键词地源热泵系统 ；冰蓄冷空调系统； 设计方案； 优化设计 中图分类号 TB66文献标识码B文章编号1007- 1083（2010 ）04- 0062- 03 Research on the systemofunderground source heat pump combined ice storage cold air- condition ZHANG Yong- xin，WANGHong- tao，XIAOJing- jing，SHI Yu- yang，LI Ke- ying 62 2010年第4期河 北 煤 炭 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，若按照热负荷标准选择，则会出现夏季制冷量 不够的现象，因此，利用地源热泵联合冰蓄冷空调 系统，冬季只让热泵工作，夏季热泵和冰蓄冷空调 共同运行，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。 2设计方案及工作原理 系统由以下三部分组成冰蓄冷空调系统、地 热换热系统和室内供热系统。在供暖工况时，开启 阀门 E，F，阀门 A，B，C，D 关闭，如图 1，只 有热泵运行，根据冬季热负荷选择热泵机组，该系 统能满足冬季热负荷的需求。在夏季制冷工况时， 可以只开启 E，F 阀门利用热泵系统进行制冷；可 以只开启 C，D 阀门进行冰蓄冷制冷；也可以同时 开启阀门 C，D 和 E，F，进行冰蓄冷和地源热泵 联合运行状态。在夜晚，只开启阀门 A，B，蓄冰 槽开始进行蓄冰，热泵机组变作为冰蓄冷装置的压 缩冷凝机组，节约了一套机组装置；在夏季的白 天，冷负荷需求大时，热泵机组和冰蓄冷装置共同 承担冷量，蓄冰槽进行融冰，通过融冰释放冷量， 供用户端使用。 在地源热泵联合冰蓄冷空调系统中，制冷工况 条件下，运行模式有先开热泵机组，冷负荷满足 不了时再开启冰蓄冷系统；先开启冰蓄冷系统，冷 负荷满足不了时再开启热泵机组。通过以上的分 析，可知该装置在夏季可通过以上三种情况运行， 这就存在怎样确定热泵主机和蓄冰装置之间的供冷 负荷的先后顺序和分配问题，才能使其效率最高。 冰蓄冷部分的冷水机组（制冰机 ）的基本组成 如图 2 所示。冷水机组（制冰机）由制冷压缩冷凝 机组、蒸发器、蓄冰槽和控制系统组成。 3优化控制系统 解决热泵主机和蓄冰装置之间的供冷负荷分配 的问题，常用的控制策略有三种，即热泵机组优 先，蓄冰槽优先和优化控制。热泵机组优先就是优 先让热泵机组满负荷运行，当所需求的冷负荷量超 过热泵机组所能提供的冷量时，启动冰蓄冷装置； 蓄冰槽优先也就是优先利用冰槽融冰来负担冷负 荷，当所需求的冷负荷超过冰槽融冰所能提供的冷 量时，启动热泵装置；优化控制是一种较完善的参 数检测与控制系统。可以通过提出一经济性目标函 数，在一定的约束条件下，使该目标函数达到极 值。常采用的优化控制的数学模型如式 （1），确定 优化的目标是使 M最小 MΣ〔R（qrk） I（qik） 〕（1） 优化的约束是O≤qrk≤qrkmax O≤qik≤qikmax qrkqikqk 式中qrk 热泵运行期间内的冷负荷，kW； qrkmax 热泵机组满负荷运行时的冷负荷， kW； qik 冰蓄冷运行期间内的冷负荷，kW； qikmax 蓄冰槽满负荷运行时的冷负荷， kW； qk 所需求的冷负荷，kW。 4工程实例与经济分析 某商场空调工程，包括地下超市和地上三层百 货商场，地下超市空调面积为 12765 m2，空调负荷 1940 kW，供暖热负荷为 593 kW。地上三层百货商 图 2 冷水机组 压缩冷 凝机组 蓄冰槽 冷水 FCUFCUFCU 器侧 冷凝 器侧 蒸发 热泵机组 板式换热器 蓄冰槽 D C B A E F 图 1 地源热泵联合冰蓄冷空调系统 （ 夏季工况 ） 63 河 北 煤 炭2010年第4期 和高级技工人员的“传、帮、带”作用，加快建设 一支高素质、能驾驭新技术的机电专业人才队伍， 促进机电工作走上良性循环、健康发展的轨道。 （2） 提高采区机电人员的整体素质 。采区机 电人员，要认真学习专业知识，全面提高自身的综 合素质，集中优势的机电检查力量，加强机电设备 的管理，对煤矿高瓦斯地区进行地毯式的逐台设 备、逐线、逐面地全面检查，不折不扣地按 煤 矿安全规程 和有关规定检查，安全检查要不留 情面，该停的坚决依法停下来，决不手软。要用铁 脸面、铁心肠、铁手腕去严格执法。 4结语 机电管理特别是采掘机电管理是一项复杂艰巨 的工作，现场管理由业务能力强的专业人员组成的 队伍，对每个头面进行“专家会诊” ，对供电线路 进行认真核算，找出供电系统、存在的主要问题， 提出科学合理的系统优化方案。要做好机电管理， 必须从搞好安全、防止事故的角度进行定位，把工 作方向和着力点放在提高安全检查水平，防止瓦斯 事故，引导生产力发展，要高度重视机电设备投入 和技术创新工作，不断推进技术创新和升级。要结 合实际，通过点检、机电小分队等检查工作，落实 “一通三防”对机电管理的要求，改变浮夸作风， 针对该矿高瓦斯区域现状，大力开展自查互查，查 出问题要有处理结果，大家共同努力，就能杜绝事 故，实现安全生产。 作者简介王勇 （1971 - ），男，河北井陉人，工程师， 冀中能源股份公司东庞矿运输区区长。 （收稿日期2010- 06- 09；编辑毛志国） （ 上接第 61 页 ） 场空调面积 9873 m2；空调冷负荷为 1840 kW，供 暖热负荷为 568 kW。空调设计总负荷为 3780 kW， 供暖负荷为 1161 kW。该工程采用的是常规空调系 统，初投资为 1071 万元，设备的功率为 1039 kW， 年运行费用为 129.53 万元 （空调系统运转时间是 130 d，每天运转 12 h）。 若满足夏季冷负荷，完全由冰蓄冷空调系统来 提供冷量。冰蓄冷系统初期投资比常规的空调系统 约高 19.5 ，年电耗费用约低 45 ，使用空调蓄 冰系统投资的回收期为 1.79 a。那么，该工程冰蓄 冷设备的初投资为 1279.845 万元，年运行费为 71.24 万元。 若满足夏季冷负荷，完全由热泵系统来提供冷 量。地源热泵初投资按 260 元 / m2，则该工程热泵 系统的初投资为 1101.98 万元。Mancini 等 （1996 ） 通过对加拿大和美国的 12 个地源热泵系统的调 查，得出在满足同样舒适性标准的前提下，土壤源 热泵系统的其年运行能耗可仅为常规空调系统的 50 。则其年运行费用为 64.765 万元。 经研究证实先开热泵机组，热泵机组全天运 行到中午 12 时时开启冰蓄冷系统，联合冰蓄冷运 行满足高峰期冷负荷，该系统的运行效率最高，所 用设备投资费用及运行费用最少。 5结论 （1） 地源热泵联合冰蓄冷空调系统在冷负荷 大的地方，能起到明显节能的效果。 （2） 夜间利用热泵机组为蓄冰槽进行蓄冰， 地源热泵与冰蓄冷空调系统的联合运行可公用机 组，这样，节约了初投资和占地空间。 （3） 地源热泵系统和冰蓄冷空调系统在一定 程度上都能解决环境污染问题，缓解能源紧缺的状 况，联合运行，能使其优越性得到更充分发挥。 （4） 地源热泵联合冰蓄冷空调系统的运行是 经济的，并且具有明显的节能潜力。 （5） 对地源热泵联合冰蓄冷空调系统进行优 化控制是很必要的，它可以解决热泵机组和蓄冰装 置之间的供冷负荷的匹配问题。 参考文献 [1 ]王茂盛 . 地源热泵联合冰蓄冷空调系统的研究设计 [J ]. 制冷与空调，2008 . 作者简介张永新 （1966 - ），男，山东诸城人，工程 师，冀中能源邯矿集团公司设计工程部副主任工程师兼水 暖室主任。 （收稿日期2010- 07- 13；编辑毛志国） 64