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某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析

来源：华佗小知识

第7卷　第5期　　　　制冷与空调　　　　　　　　　　　　　　　2007年10月　　　　　　REFRIGERATIONANDAIR-CONDITIONING50254

某火车站地源热泵冰蓄冷

空调系统的可行性分析

毛佳妮　徐玉党

(华中科技大学)

摘　要　从冷、热源选用的角度出发,就武汉某火车站站房选用地源热泵与冰蓄冷空调系统联合运行方案

进行可行性分析,并与常规电制冷方案进行经济性比较。数据表明该类工程的初投资和运行成本能得到极大的降低。同时,借以展望推广此项空调节能技术在铁路沿线建筑中的应用前景。关键词　铁路建筑　地源热泵　冰蓄冷　优化控制　可行性分析

FeasibilityanalysisofGSHPS&ISACSforonerailwaystation

MaoJiani　XuYudang(HuazhongUniversityofScienceandTechnology)ABSTRACT　Basedonthecoldsource&heatsourceselection,givesthefeasibilityanalysisofGSH2PS&ice2storageair2conditioningsysteminonerailwaystationofWuhan.Comparedwiththetechni2calandeconomicalperformanceoftheelectricrefrigerationprojects,theresultsshowthattheoriginalinvestmentandoperationalcostofthesystemcanbereduced.Besides,triestoprospectthefuturede2velopmentoftheenergyconservationtechnology.KEYWORDS　railwaystationbuilding;groundsourceheatpump;ice2storage;optimalcon2trol;feasibilityanalysis

　　我国铁路是能源消耗的重点行业,至今仍基本沿用传统的供热、制冷方式。据北京、广州等已运营的铁路枢纽线路的统计数据,空调系统的能耗约占铁路系统总能耗的50%。一方面,传统锅炉采暖耗煤量大、供热效率低、环境污染严重;另一方面,空调能耗高,造成供电紧张,加剧峰谷供电的不平衡,影响电网设备的安全运转。因此,改善电力供应的紧张局面和电力负荷环境已成为当务之急。

当前,铁路建设方兴未艾,每年的投资巨大,在全社会倡导“节能降耗,共建和谐社会”的大环境下,对于如何降低铁路运营能耗的问题一直是人们关注的焦点。因此亟需寻找一种空调节能技术应用于铁路系统,以期达到经济、环保的要求。笔者将从冷、热源选用的角度出发,对首次应用于铁路站房建筑中的地源热泵与冰蓄冷空调系统的联合运行方案的可行性加以讨论。

图1　该市全年的日干球温度

Ξ收稿日期:2006211230

　　　通讯作者:毛佳妮,Email:maojiani@139.com

　第5期　　　　　　　　　　　毛佳妮等:某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析　　　　　　　　　　　・51・1　设计依据1.1　气象条件

2　冷热源系统方案选择2.1　方案简介2.1.1　局限性分析

该市地处我国中原腹地,属亚热带北缘,气候温和,雨量充沛,具湿润季风气候特征,冬寒夏热,冬夏交替明显,冬夏长、春秋短,夏季多高温。全年平均气温为16.6℃,年平均降雨量为1270mm。1.2　站区建筑场地地质构造

场区位于长江南复式背斜的次级褶皱背斜核部,地层自上而下依次为:

1)人工填土,为杂填土,成分包括黏性土、碎石块、水泥砖块等,夹杂物含量不均,人为因素影响大,厚0.5～8.2m。

2)黏土,棕红色,褐黄色,软～硬塑,夹少量铁锰结核,厚度1.4～14.8m。

3)粉土、粉砂,黄色、灰白色,中密～密实,饱和,主要矿物成分为石英、长石。厚度2.3～14.7m。

4)中砂,褐黄色间灰白色,中密～密实,饱和,呈砂土状,灰黄色间灰白色,厚度4.7～23.6m。5)粗砂、砾砂,褐黄色间灰白色,中密～密实,饱和,成分为石英质,砾径5～20mm,厚度2.3～22.8m。

6)圆砾土,褐黄色,中密～密实,饱和。7)泥质粉砂岩、泥岩,灰色,全～弱风化。泥质砂岩全风化带呈砂土状,厚度大于13m。1.3　冷、热负荷计算

该火车站站房的计算区域分为西侧主站房(13776m2)和东侧主站房(1944m2)。根据最新列车时刻表预计该站的日旅客发送量,并利用鸿业空调软件ACS6.0计算得出本工程东站房夏季空调尖峰负荷为702kW(15:00时刻),西站房夏季空调尖峰负荷为5538kW(15:00时刻),合计尖峰冷负荷为6240kW(15:00时刻),冷指标191W/m2,设计日负荷为95530kW・h;冬季东站房负荷为483kW,西站房为37kW,总热负荷为4380kW,热指标134W/m2。夏季空调设计日逐时冷负荷见图2。

冰蓄冷技术是一种“日储能”系统,只适用于夏季空调季节,可起到削峰填谷的效应,但无法提供冬季的采暖;同样,地源热泵技术是一种“季节储能”系统,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。2.1.2　工程特点本工程空调冷负荷有2个特点,即空调逐时负荷主要随旅客发送量变化,峰谷差悬殊,使用常规空调会导致装机容量过大,且经常处于部分负荷下运行;空调日最大负荷出现在7月30日,全年温度不低于35.2℃的小时数为95h,仅占全年温度不低于28℃的总小时数(1395h)的6.8%,全年空调日负荷具有显著的不平衡性,可在非高温季节充分利用闲置设备进行制冷。

本工程地江二级阶地,地下约18m下部均为中砂、粗砂、砾砂和圆砾土层,厚度为30～50m,地下水为孔隙潜水,埋深1.4～7.5m。与发达的水系连通,具有良好的水文地质条件,不会因地源热泵系统全年总释热量和总吸热量不平衡引起岩土体温度的升高。

该市执行分时电价,峰谷电价比已经高达3.75:1。另外工程的夏季制冷负荷的需求量大于

冬季热负荷,如果将地源热泵技术与蓄冷技术相结合,既可利用地源热泵技术,同时满足制冷和采暖要求,又可采用蓄冷技术进行电网的削峰填谷,享受电价优惠,降低装机容量,提高设备利用率,这也符合国家普及公共建筑中具有显著节能、节地、节水、节材和环境保障效益的技术的要求,故本工程采用地源热泵与冰蓄冷系统的联合运行方案。2.2　冷热源设备的配置

本项目的冷、热负荷值大,夏季释热量大于冬季吸热量,但土壤热交换器的埋设面积有限,故土壤热交换器按照冬季吸热量埋设,夏季供冷采用结合冰蓄冷和闭式冷却塔并用的调峰形式,这样的系统配置不仅不会影响室外土壤热交换器的埋设面积,而且还能够降低系统运行费用。由于本工程夜间需要供冷,针对夜间电力低谷段冷负荷和满足贵宾候车室提前供冷要求的供冷方式,为节省初投资,本项目冰蓄冷空调系统的方式选用带基载机组

图2　夏季空调设计日逐时负荷变化图

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制　冷　与　空　调　　　　　　　　　　　　　　　　　第7卷　・52・的部分负荷蓄冰模式,由基载机组承担夜间电力低谷段的冷负荷。系统采用地源热泵与冰蓄冷机组的联合运行方案,其中蓄冰设备选用冰球蓄冰装置,流程中设有板式热交换器,用以将蓄冰系统的乙二醇回路与通往空调负荷的冷冻水回路隔离开。在供冷、热期间,板式热交换器将蓄冰系统中循环的乙二醇溶液温度调整到空调负荷所需要的温度,同时保证乙二醇仅在蓄冰循环中流动,而不流经各空调负荷回路,这样可减少乙二醇用量,并避免乙二醇在空调负荷回路中的泄漏。空调系统夏季供冷冷水温度为7/12℃,冬季供热热水温度为45/40℃。3　冰蓄冷冷负荷平衡策略

根据空调负荷和当地电价特点,冰蓄冷按照初投资最优化原则,根据分量蓄冰的运行策略进行冰蓄冷系统的设计。蓄冰设计选用2台1934kW的三工况螺杆式冷水机组用于、供冷和供热,基载机组选用2台544.1kW的地源热泵螺杆式冷水机组供冷和供热。系统在100%,75%,50%和30%设计负荷情况下的逐时冷量分配情况分别见图3～图5所示。3.1　100%设计日冷负荷平衡策略

由图3表明,在100%设计冷负荷情况下,在电价高峰时段(22:00～23:00)只需开启1台三工况主机供冷,而在电价谷时段(24:00～5:00)依靠基载主机供冷和三工况主机蓄冷,平时段(8:00～21:00)依靠三工况主机、基载主机全开和融冰共同供冷,系统的融冰供冷率为15.6%。

图4　75%设计日冷负荷分配方案图

3.3　30%设计日冷负荷平衡策略

在30%设计负荷情况下,白天电价高峰时段

和平时段均不用开三工况主机供冷,由基载主机和融冰联合供冷,谷段完全依靠基载主机供冷,系统的融冰供冷率为55%。

由于空调系统全年在30%～75%负荷情况下运行的时间占全年空调时间的74%,因此,根据分量蓄冰的负荷平衡策略进行冰蓄冷系统的设计是合理的,符合初投资最优化原则。

图5　30%设计日冷负荷分配方案图

4　室外土壤换热器设计

4.1　地源热泵系统的最大吸热量和最大释热量

本工程夏季冷负荷为6240kW,冬季热负荷

为4380kW,地源热泵系统的最大吸热量为3370kW,最大释热量6070kW。4.2　土壤源换热器埋管方式

图3　100%设计日冷负荷分配方案图

目前埋管可使用的场区面积为19850m2,同时结构和桥梁基础均采用钻孔灌注桩基础,桩径为Φ1000mm和Φ1200mm的工程桩共396个,平均桩长36m,所以本次设计土壤源换热器采用垂直地埋管换热器,分为工程桩内埋设换热器、钻孔埋设单U型管和W型管换热器3种形式。5　技术经济比较

比较对象:地源热泵+冰蓄冷和水冷机组+燃气锅炉方式。其中:燃气价格按3.28元/米3(标准)

3.2　75%设计日冷负荷平衡策略

由图4表明,在75%设计冷负荷情况下,除在电价高峰和谷段不用开三工况主机供冷,其余时段均依靠基载主机和融冰供冷外,平时段是三者全开联合供冷,系统的融冰供冷率为21%。

　第5期　　　　　　　　　　　毛佳妮等:某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可行性分析　　　　　　　　　　　・53・计算,非蓄能空调电价按0.936元/千瓦时计算,蓄能空调电价按非普工业用电分时电价计算,热泵蓄能运行按平均电价0.705元/千瓦时计算,冬夏季平均按60%负荷计算,各种水泵的输入功率取电机额定功率的86%,未计算冷却塔的补水费用,夏

名称

　地源热泵机组　地源热泵机组　(带蓄冰工况)　蓄冰设备　乙二醇泵　乙二醇泵　冷热水循环泵　冷热水循环泵　冷却水泵　冷却水泵　闭式冷却塔　板式换热器　地埋换热器　合计

规格

季制冷期约为180天,冬季制热期约为90天。

5.1　设备造价比较

由于末端各系统一样,安装工程造价相差不大(地埋管换热器的安装已计入),故造价差别主要在机房的主要设备上。

数量/台

表1　地源热泵冰蓄冷机房主要设备表

造价/万元

　　　　　制冷量:544kW

　　　　　制热量:666kW;输入功率:151kW　　　　　制冷冷量:1934kW;　　　　　冷量:1257kW;　　　　　制热量:2273kW;输入功率:523kW　　　　　STL2AC2145

　　　　　L=340m/h,H=17m,N=30kW　　　　　L=580m3/h,H=21m,N=45kW　　　　　L=100m3/h,H=32m,N=18.5kW　　　　　L=450m3/h,H=32m,N=45kW　　　　　L=120m3/h,H=36m,N=30kW　　　　　L=450m3/h,H=36m,N=45kW　　　　　L=250m3/h,N=7.5kW　　　　　换热量:2700kW3

2232333322

2322466.37.82.77.683.67.6850624501147.76

表2　常规冷水机组+燃气锅炉方案主要设备表

名称

　离心式冷水机组　螺杆式冷水机组　燃气锅炉

　冷热水循环泵　冷热水循环泵　冷却水泵　冷却水泵　冷却塔　冷却塔　合计

规格

　　　　　　　制冷量:3000kW;

　　　　　　　输入功率:524kW　　　　　　　制冷量:309kW　　　　　　　输入功率:60kW

　　　　　　　制热量:2200kW;

　　　　　　　L=578m3/h,H=32m,N=75kW　　　　　　　L=61m3/h,H=32m,N=15kW　　　　　　　L=704m3/h,H=36m,N=90kW　　　　　　　L=74m3/h,H=36m,N=18.5kW　　　　　　　L=601m3/h,N=5.5×4kW

　　　　　　　L=84m/h,N=3.75kW数量/台

212323221造价/万元

412211207.681.615.91.9422.8624.88

5.2　运行费用分析5.2.1　市政条件

根据该市执行的分时电价,峰段电价为1.269元/千瓦时,平段电价为0.705元/千瓦时,

　运行季节夏季(180天)冬季(90天)

　　　　项目地源热泵+冰蓄冷

地源热泵机组(制热和提供部分热水需求)

谷段电价为0.3384元/千瓦时。峰谷电价差达到了0.931元/千瓦时,常规空调电价0.936元/千瓦时。5.2.2　年运行费用比较

　　　　费用/万元

制冷期运行费用:11565×180=208系统满载总功率:机组为523×2=1046kW泵为(45+45+30)×2×0.86=206kW每日满载运行时间为11.2小时每天运行费用:(1046×11.2+206×24)×0.705=11745元/天制热期运行费用:11745×90=106

314

表3　地源热泵+冰蓄冷方案的年运行费估算表

年运行费用合计

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制　冷　与　空　调　　　　　　　　　　　　　　　　　第7卷　・54・表4　常规冷水机组+燃气锅炉机房年运行费估算表

运行季节

夏季(180天)

项目

离心式冷水机组

　　　　费用/万元系统满载总功率:机组为524×2=1048kW泵为(75+90+15)×2=360kW制冷机组满载运行时间为9.1小时每天运行费(元/天):9.1×1048×0.936+360×0.86×24×0.936=15726制冷期运行费用:15726×180=283系统满载总功率:机组为257×2=514kW冷热水循环泵为75×2=150kW

制冷机每日满载运行时间为11.5小时每天运行费用(元/天):11.5×514×3.28+150×0.86×24×0.936=22286制热期运行费用:22286×90=201

484

冬季(90天)溴化锂机组+燃气锅炉+冷热水循环泵设备参数补充:燃气锅炉制热量为2200

kW,耗气量为257Nm3/h

年运行费用合计

5.3　两种方式的经济性比较

表5　经济性比较

经济项目

机房设备投资增加投资年运行费增加运行费每平方米运行费

地源热泵+冰蓄冷1148523314-17094

行策略问题进行了一些尝试性的探讨,尚存在一定

万元

冷机+燃气锅炉62504840145

的缺陷和不足,还有一些工作需要加以改进和完善,但希望能为铁路沿线建筑空调节能技术的应用推广起到抛砖引玉的作用。

参考文献

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调,1998,28(3):47.

[2]　汪训昌.关于蓄冷空调工程设计思路的探讨.暖通空

　　通过以上的计算及分析可以得到以下结论:

1)随着工艺的不断成熟和国家电价等扶持力度的加大,冰蓄冷系统应用于铁路沿线建筑将成为现实的同时,还需要加深对基于负荷预测的冰蓄冷优化控制策略的认识。

2)该站房采用地源热泵与冰蓄冷系统的联合运行方案的初投资虽高,但全年的运行费用较低,较常规电制冷+燃气锅炉空调采暖系统增加的初投资,可以通过系统运行费用的节省在3.1年内收回。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运行费用上都有相当的优势,故无论从节能和环保角度考虑,该站的空调系统采用地源热泵与冰蓄冷系统的联合运行方案是可行的。6　结束语

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笔者对地源热泵与冰蓄冷空调系统的联合运

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