某办公建筑冷热源系统节能设计

高峰 ，黄世山 ，何官送 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

冷热源作为暖通空调系统重要组成部分，其设计合理与否直接影响暖通空调系统的使用效果、运行等经济性等问题[1]。地源热泵技术是可再生能源利用的重要技术措施之一，具有清洁、高效、节能的特点。而蓄冷、蓄热空调系统，依据当地电价政策进行错峰运行，可实现用电负荷的“移峰填谷”，有利于社会的资源优化配置，并能显著降低用户的空调运行费用[2]。

本项目根据建筑物冷热负荷特点和当地能源状况，集中应用了地源热泵、冰蓄冷空调、水蓄热系统。将蓄冷、蓄热与地源热泵技术相互结合运用在办公楼的冷热源设计中，力求通过最优的方案达到节能、高效运行的目的，设计中着重对复杂系统运行策略的分析，保证系统节能性的体现。

1 工程概况

本项目地址位于安徽省池州市，为办公建筑，地上25层，地下1层，建筑高度为92.1 m，建筑面积为31996 m2。负一层为地下车库及设备用房，一层为业务大厅，二、三层为档案间、报告厅、餐厅等，四至二十五层为办公楼。当地无市政热源，当地供电公司有蓄能电价，采用蓄能措施拥有价格优势。

经现场热响应试验，室外地质条件利于换热。但室外场地有限，可埋管区域较小，打孔深度仅能达到85 m左右。完全采用地源热泵系统，无法满足项目制冷量需求，需要增加制冷系统补充不足制冷量。当地给予蓄冷电价，需满足“蓄冷量不低于总用冷量60%”的设计要求。本工程夏季空调计算冷负荷为2317kW，热负荷1445kW。大楼除值班室及数据机房外无常规夜间负荷，员工加班的负荷按计算负荷的20%考虑。值班室采用分体空调，数据机房采用机房专用空调，档案间、票据室采用变频多联空调系统。

2 可行性分析及选型

2.1 地源热泵与蓄冷、蓄热系统联合应用的可行性

地源热泵系统可实现冷暖两供，但在冬夏季供冷、供热量相差较大区域，容易产生土壤冷热堆积，即地温不平衡的问题；随着运行时间的增加，有可能使地温不平衡的问题加重，如果不采取任何措施来改善这种情况，则终将导致土壤源热泵机组的瘫痪乃至失效[3]。冰蓄冷、蓄热空调系统具有削峰填谷、平衡电力负荷、利用夜间低温环境等优点，但也具有初投资高、系统复杂、运维要求高等缺点。

设计时，地源热泵系统在冬季作为高效能源，优先使用，满足大楼日间及夜间机载负荷的供暖要求，日间不足部分采用夜间蓄热量供给，采用此方案冬季供暖节约高效。夏季优先使用经济性最好的蓄冷系统，不足部分采用地源热泵及双工况制冷机组联合供给，可有效解决地源热泵冬夏季不平衡问题，避免地下温度场的“热堆积”现象发生。

2.2 冷热源选择

冷热源系统设计中，根据室外场地埋管量确定地源热泵机组容量，选取制冷量为450 kW螺杆式地源热泵机组。按总用冷量的60%蓄冷要求，选取双工况制冷机组，双工况螺杆式制冷机组制冰工况冷量为1213 kW，制冷工况冷量为1871 kW。蓄冷装置蓄冷量为10900 kW·h，蓄冰容量为230 m3。冬季电热锅炉供热量为450 kW，蓄热水槽蓄热量3760 kW·h，有效容量 80 m3。

本工程空调水管路为两管制闭式循环、一次泵变流量系统。空调冷冻水设计参数为：地源热泵供回水温度为7℃/12℃，地源侧供回水温度为30℃/35℃。蓄冷系统供回水温度：6℃/12℃，供水温度可调。空调热水设计参数为：地源热泵供回水温度为45℃/40℃，地源侧供回水温度为10℃/5℃；蓄热温度为95℃，蓄热系统供回水温度：50℃/40℃。

3 设计方案及运行策略

3.1 设计方案

在夏季工况时，地源热泵系统蒸发器侧与蓄冰装置换热器、双工况制冷机组并联运行；在冬季工况时，地源热泵系统冷凝器侧与蓄热装置换热器并联运行；实现联合供冷供暖。系统流程图如下图所示。

3.2 冷热源系统运行策略

在地源热泵与蓄冷、蓄热联合运行系统中存在着多种运行工况的转换，比一般冷热源系统都要复杂[4]。系统设计采用电动阀门切换，可实现多种运行模式。夏季时采用蓄冰槽融冰优先的运行策略，在用电低谷时段（夜间）：机载机（地源热泵机组）单独供冷、双工况制冷机组蓄冷；在用电高峰时段（白天）：蓄冷装置换热器单独供冷优先，不足时，蓄冷装置换热器与地源热泵系统、双工况制冷机组联合供冷。冬季时采用地源热泵供热优先的策略，夜间：电热锅炉按需蓄热；日间：地源热泵系统单独供热优先，不足时，地源热泵系统与蓄热装置换热器联合供热。

3.2.1 夏季设计工况日运行策略

冷热源系统设计流程图

设计工况日是夏天最热的时候，夜间用电低谷时段（22:00～8:00）双工况制冷机组采用制冰模式，蓄冷量为10900kW·h。夜间地源热泵机组作为基载主机运行，承担夜间负荷。日间（8:00～19:00），这段时间是用冷高峰期，蓄冷装置换热器与双工况制冷机组联合供冷，优先使用蓄冰冷量。（20:00～22:00）时间段为夜间负荷，地源热泵机组单独供冷。

3.2.2 夏季非设计工况日运行策略

随室外空气温度变化，日冷负荷减小。以节省运行电费为目标，按照蓄冰装置优先供冷的原则运行。当空调负荷降到设计负荷的80%时，系统依然在夜间用电低谷时段满负荷制冰，日间采用蓄冷装置换热器与地源热泵机组联合供冷。当空调负荷降到设计日的60%时，日间负荷可全部由融冰满足。另需依据上一年度冬季地源热泵供暖总量计算夏季地源热泵供冷量，保证冬夏季冷热量平衡。

3.2.3 冬季运行策略

冬季设计工况日时，夜间用电低谷时段（22:00～8:00）蓄热锅炉满负荷运行，日间采用地源热泵与蓄热装置换热器联合供暖。非设计工况日时，根据第二日负荷预测情况，按需蓄热，日间依然采用地源热泵与蓄热装置换热器联合供暖。当热负荷降至450 kW时，采用地源热泵单独供暖。并适时检查室外温度变化，及时调整运行方案。

4 结语

蓄能和地源热泵技术作为两种独立空调技术，虽有各自的优点，但也有一定局限性。因此，将地源热泵与蓄能技术结合起来，不仅利用了地源热泵高效率、低污染的优点，而且还利用蓄能技术削峰填谷的作用，降低了运行费用，同时也解决了地源热泵因冬夏季取热量、排热量不同对地温造成的影响[5]。但由于系统复杂，对自控及运维人员的管理要求高，需要注重运行阶段的调试。目前，该项目已完工，正在运行调试中。