北京 | 用友软件园地源热泵及冰蓄冷项目

来源:国家能源局 作者:全国可再生能源供暖典型案例汇编 标签: 地热供暖 多能互补 能源局征集案例        收藏 0   

2022
10/31
08:30
国家能源局
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导读

热泵技术与蓄能技术强强联合,既可利用热泵技术同时满足制冷和采暖的特性,又可采用蓄能技术进行电网的削峰填谷,既使用户使用到了廉价的采暖、空调方式,又解决了污染问题,还为电网的昼夜平衡做出了贡献,可以大幅度降低空调系统日间电力高峰时期的用电负荷。

一、项目基本情况
       用友软件园位于中关村永丰产业基地西南端,东临永丰路,南面是永丰南环路,西靠西滨河路,北与北清路接壤。 用友软件园总建筑面积约 47.3 万平方米。
       分两期建设,一期建筑面积 18.5 万平方米,已经建设完毕,二期建筑面积 28.8 万平方米。一期空调系统采用了地源热泵+冰蓄冷技术,冬季燃气锅炉调峰,夏季冷水机组调峰;为了进一步降低系统的初投资和运行费用,二期空调系统在一期的基础上做了多项优化,仍然为复合式系统,采用了地源热泵+水蓄冷、热, 逆流风机盘管,大温差供水,二级泵等。 
二、设计思路
       用友软件园的建设目标为国际一流的生态环保软件园。建筑物的冷、暖空调系统是园区的重要设施之一,也是影响园区生态环境的重要因素。所以清洁、低耗能源是软件园规划的需求。
       热泵技术与蓄能技术强强联合,既可利用热泵技术同时满足制冷和采暖的特性,又可采用蓄能技术进行电网的削峰填谷,既使用户使用到了廉价的采暖、空调方式,又解决了污染问题,还为电网的昼夜平衡做出了贡献,可以大幅度降低空调系统日间电力高峰时期的用电负荷。
       因此,本系统采用热泵技术和蓄能技术相结合的方式,使得该系统不但具有削峰填谷的功能,还可以一机三用(三工况热泵机组 制热工况、制冷工况和制冰工况),使用清洁的电能和地下免费的可再生能源,既为系统提供了稳定的冷、热源,又解决了燃煤的污染问题和燃油、燃气的高能耗问题。不但符合国家的环保政策,也符合用户的根本利益。
       系统主要设备包括:三工况热泵机组、燃气锅炉、水冷离心式冷水机组、蓄冰设备,冷却塔、板式换热器和屏蔽泵等等,系统设计时,从系统功能出发相同功能不同设备间互为补充,夏季由冷却塔和地下土壤换热器互为备用,冬季由燃气锅炉和热泵机组互为备用,从而保障了系统的安全性和可靠性。
三、系统设计方案
       根据软件园冬季空调设计热负荷总量 13391kW,按照复合式系统的设计思路和设计原则,以一期规划冬季设计日最高热负荷的 60%为标准,选用法国 CIAT 三工况地源热泵机组 4 台,单台机组制热量为 1676 kW,同时选用 4 台燃气锅炉,单台制热量 2100kW,即可满足设计日热负荷的调峰要求。地源热泵机组通过土壤换热器循环液系统,从土壤中得到低品位的热能。 
冬季热负荷延续图 
       夏季设计最大冷负荷为 15784kW(4489RT)。整个软件园存在建筑形式多样、使用功能各异、机房设备运行散发大量热能等因素,空调冷负荷比较复杂。各时段负荷分布如下图所示: 
       根据上述负荷分布图可以看出本项目的冷负荷结构:负荷主要集中在 8: 00—21:00,13 小时运行期间电力高峰断为 6 小时,电力平断为 7 小时。从总体上看全天负荷存在极其明显的变化,空调系统相当适宜设计成蓄冷系统。  根据本项目特点,为节省初投资,本项目冰蓄冷系统的方式选用负荷均衡的部分蓄冰,由于夜间有部分供冷负荷,故单独设置机载冷机(离心式冷水机组)。冰蓄冷系统采用温差可以较大的主机上游的串联系统,同时蓄冰设备选用法国CIAT 生产的冰球蓄冰装置。由于乙二醇水溶液的温度较低,可以保证板式换热器为系统提供 5℃出水的同时有较高的效率和较低的初投资。在典型设计日空调冷负荷由三工况热泵机组、机载冷机和蓄冰设备共同承担,非典型设计日通过优化控制来满足冷负荷需求并将系统耗电量降低到最小。 
       该系统三工况热泵机组与蓄冰设备联合供冷时,乙二醇溶液首先经过热泵机组在空调工况下降温以保持较高效的工作,再经冰槽的冷却使乙二醇溶液的温度进一步降低,这样板式换热器的进出口处乙二醇溶液的可以达到较大的温差,从而使在相同的负荷条件下,串联系统乙二醇溶液的流量较小,因此在相同的条件时串联系统的乙二醇循环泵小于并联系统,使串联系统的设备投资和运行费用都优于并联系统。而且串联方式管路简单运行可靠。 
四、主要设备配置
       根据以上软件园夏季供冷需求的实际情况,由离心式冷水机组承担基载负荷, 联合三工况热泵机组和蓄冰设备实现夏季空调供冷,配置 2 台美国 McQuay 公司 生产的离心式冷水机组 WSC126MBGN2F/E4212/C4212,单台制冷量为 1200RT,由 与之配套独立设置的冷却塔系统散热;配置 4 台法国 CIAT 公司生产的三工况LWP4200 型三工况热泵机组+蓄冰设备,承担主力制冷负荷,三工况热泵机组夜间蓄冰,日间以空调工况与蓄冰设备联合供冷,该部分空调冷却散热热能,通过 地下土壤换热器循环液系统,传输到地下,由地下水的径向流动和地层热传导散 热,配置 440m3 法国 CIAT 公司生产的 AC.00 型高效蓄冷球,总蓄冷量为 7040RTH。 
五、土壤换热器系统
       土壤换热器采用地下埋管(即埋置地下热交换器)的方式来实现,埋管方式多种多样。目前普遍采用的有垂直埋管和水平埋管两种基本的配置形式(如图所示)。 
  
水 平 埋 管 垂 直 埋 管 
       水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠,将 HDPE 管水平的埋置于沟渠中,并填埋的施工工艺。 
       垂直埋管是在地层中垂直钻孔,然后将地下热交换器(HDPE 管)以一定的方式置于孔中,并在孔中注入填充材料的施工工艺。 
       地下热交换器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。水平埋管占地面积较垂直埋管大,效率较垂直埋管低。 
六、系统经济技术分析
       系统总投资约为:¥5000 万,合每平方米造价为:270 元/m2。 
       北京市建筑的空调供冷期为 140 天(从 6 月初到 10 月中)来计算,地源热泵冰蓄冷空调系统每年夏季空调运行电费约为 261.5 万元。运行电费汇总见下表: 
地源热泵冰蓄冷系统夏季运行电费 
       北京市建筑的冬季采暖期为 120 天(从 11 月中到次年 3 月中)来计算,水源热泵系统每年冬季采暖运行电费约为 323.3 万元。运行电费汇总见下表: 
 
地源热泵冰蓄冷系统冬季运行电费 
七、存在的问题和建议
       通过以上的计算及分析,本项目全年空调、采暖运行费用约为 585 万元,合32 元每平方米,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初投资和运行费用上都有相当的优势;另外,地源热泵冰蓄冷系统具有高效节能、环保清洁、安全、稳定、便于管理、节省占地空间以及舒适等优点,也是其它空调系统所无法比拟的。 
       本项目的能源利用系统设计中还存在一些不足的地方,如:没有将太阳能这 种清洁且廉价的能源形式有机地利用;在一期冬季空调系统中没有应用蓄热技术, 这样冬季空调系统的运行费用会偏高一些;等等。 
 
 
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