2.7　樓宇冷熱源系統

2.7.1　概述

冷源主要應用于三個方面，即空氣調節、食品冷藏（肉、魚、禽等食品的低溫保溫儲存）和某些生產工藝需要的低溫環境，以保證生產過程的順利進行。冷源系統包括冷凍機組、冷凍水系統、冷卻水塔和冷卻塔組，投資與耗能大，故強調設計合理，運行節能。

采暖地區的熱源供熱大體有兩種方式，一種是集中供熱，其熱源來自熱電廠、集中供熱鍋爐廠等，另一種是由分散設在一個單位或一座建筑物的鍋爐房供熱（指熱水和蒸汽及一般用于生活熱水和空調）。智能樓宇需配備現代化的鍋爐房，作為空調、采暖、生活熱水供應，以及廚房、衛生等供熱的熱力站。鍋爐燃燒裝置能全自動啟動，程序控制，自動點火、燃燒監察聯鎖保護。鍋爐點火后，10min即可達到額定工作壓力，起動快、停爐方便、動作靈敏、噪聲小。

燃氣發動機驅動熱泵系統（GEHP）如圖2-45所示。燃氣發動機直接驅動熱泵的壓縮機，熱泵冷凝器的冷凝熱作為熱源供采暖或供熱水，蒸發器則作為冷源為建筑物供冷或制冰。GEHP由于有蒸發熱、冷凝熱、發動機排熱三種熱量可以利用，因此用它可以實現冷暖空調、冷凍、供熱水、除濕等多種功能。在冬季工況下，GEHP在室外氣溫低的時候可以充分利用發動機的排熱，其供熱能力和效率不受室外氣溫的影響。在低溫高濕度的場合，GEHP系統可利用發動機排熱供給循環熱水來維持室溫，也可以在室外熱交換器上設循環熱水盤管作除霜用，不需要逆循環。

2.7.2　樓宇冷熱源系統節能技術

（1）熱泵技術

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。現在我國主要利用的熱泵技術，按低位熱源分為：水源（海水、污水、地下水、地表水等）熱泵，地源（包括土壤、地下水）熱泵以及空氣源熱泵。地源熱泵系統分類見圖2-46。

熱泵可以從低溫熱源中提取熱量用于供熱。熱泵的供熱量遠遠大于它所消耗的機械能，所以說熱泵技術是一種低溫余熱利用的節能技術。其工作原理見圖2-47。

由于地源熱泵系統采取了特殊的換熱方式，使它具有普通中央空調和鍋爐不可比擬的優點。

①高效節能　與鍋爐供熱系統相比，土-氣/水型地源熱泵系統的轉換效率最高可達4.7，而鍋爐供熱只能將90％以上的電能或70％～90％的燃料內能轉換為熱量供用戶使用，因此它要比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量，運行費用為各種采暖設備的30％～70％。

由于土壤（水體）的溫度全年穩定在10～20℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.7，與傳統的空氣源熱泵（家用窗式和分體式空調、中央式風冷熱泵）相比，要高出40％以上，其運行費用僅為普通中央空調的50％～60％。夏季高溫差的散熱和冬季低溫差的取熱，使得（水）地源熱泵系統換熱效率很高。因此在產生同樣熱量或冷量時，只需小功率的壓縮機就可實現，從而達到節能的目的，其耗電量僅為普通中央空調與鍋爐系統的40％～60％。

②綠色環保　地（水）源熱泵系統在冬季供暖時，不需要鍋爐，無廢氣、廢渣、廢水的排放，可大幅度地降低溫室氣體的排放，能夠保護環境，是一種理想的綠色技術。

③同時供暖制冷　地（水）源熱泵系統可做到同時有的房間或區域制冷，有的房間或區域供暖，這對大型商業建筑尤其重要。采用傳統中央空調系統只有使用造價極其昂貴的四管空調系統才能做到，而土-氣型地源熱泵不需增加任何設備便可做到。

④系統可靠性強　每臺機組可獨立供冷或供熱，個別機組故障不影響整個系統的運行。機組的運行工況穩定，幾乎不受環境溫度變化的影響，即使在寒冷的冬季制熱量也不會衰減，更無結霜除霜之慮。

⑤使用壽命長　地（水）源熱泵機組為15年，而，家用空調設計壽命8年，燃氣鍋爐為10年。

⑥維護費用低廉　地（水）源熱泵系統不帶有室外安裝的設備，不設冷卻塔、屋頂風機，沒有室外設備，安裝維護費用。壓縮機工作穩定，不會出現傳統設備中制冷劑壓力過高或過低的現象。其維護費用大大低于傳統中央空調。

（2）冰蓄冷技術

冰蓄冷空調是利用夜間低谷負荷電力制冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，可以減少電網高峰時段空調用電負荷及空調系統裝機容量，它是一種“日儲能”系統，可以轉移大量的日間高峰電力到夜間低谷時段使用，充分利用電網的日夜電差價，具有削峰填谷、平衡電力負荷；改善發電機組效率、減少環境污染；減小機組裝機容量、提高電網用電負荷率、節省空調用戶的電力花費和改善制冷機組運行效率等特點。

2.7.3　應用實例

北京天創世緣大廈于2002年9月建成，其冷熱源系統采用國內首項冰蓄冷技術和水源熱泵技術的聯合運行系統。這種方式可避免冰蓄冷和熱泵兩種相對獨立技術的局限性——冰蓄冷技術只能應用于夏季空調季節，可以起到削峰填谷的效益，但無法提供冬季的采暖。同樣，水源熱泵技術雖然可以同時提供冬季采暖和夏季制冷，但卻無法在夜間電力低谷時段蓄得冷量，以起到削峰填谷的功效。

天創世緣大廈總建筑面積170000m²，其中建筑物底商為大型商業設施，空調面積為40000m²，需安裝中央空調系統，以滿足夏季制冷和冬季采暖的要求，采用水源熱泵及蓄冰技術后，既可以達到上述要求，又要使得整個空調系統做到最大限度地節約能源和運行費用。

天創世緣夏季空調最大設計冷負荷為6050kW，冬季空調最大設計熱負荷為4000kW。系統首先考慮采用開采地下含水層中的恒溫的地下水在夏季來冷卻水-水熱泵機組的冷凝端，再通過水-水熱泵機組進行制冷。同時，冬季可利用地下含水層中的恒溫的地下水提供低位熱源，再由水-水熱泵設備提升至高位能源進行采暖使用。冬季由于采用了大量的地下水中的免費的能源，使得運行成本得到大大降低。

另外，根據天創世緣夏季制冷負荷情況的特點，夏季制冷負荷比較冬季采暖負荷大得多，因此如單純采用水-水熱泵系統，會使得所需的地下水用量較大，需開采水源井11口，受到具體鉆井條件的限制。考慮到天創世緣大廈的商業性質，在后夜電力低谷時段不需要空調，因此考慮蓄冰式空調方案，該系統利用夜間低谷電力蓄冷，日間電力高峰時段由所需得的冷量與水水熱泵機組聯合運行，向空調末端提供冷量。使得地下水在全日內得到平均的分配使用，因而只需鉆鑿水源井7口，3抽4灌，大大節約鉆鑿水源井量。同時，由于大量使用了后夜低谷電，代替了日間電力高峰時段的用電量，所以夏季運行費用也得到了大大降低。

該項技術充分利用了地下水是恒定的、可再生的能源的特點，并通過電力實現了冬季采暖、夏季制冷的兩項功能。被利用能量后的井水完全回灌回地下，對井水無污染、無浪費。整個水源熱泵及蓄冰空調系統冬季最大用電量為1407kW，并能滿足冬季采暖的需求；夏季日間最大用電量為1125kW，夜間最大用電量為815kW，日間蓄冰系統啟用，滿足日間空調的需求，整個系統削峰填谷效果明顯。

工程設計時根據北京天創世緣夏季24h空調負荷情況，夏季采用水源熱泵加蓄冰空調方案，選擇6臺580kW三工況水源熱泵主機（蒸發器冷凍水供、回水工況為6.8～10.5℃，再由蓄冰設備冷卻到4℃，空調系統供回水溫度為7～12℃），夜間蓄冰，日間與蓄冰設備聯合供冷。經過蓄冷系統選型軟件計算，得出該工程的系統的最佳配置，系統能量分配如下。

a.6臺三工況水源熱泵主機日間空調工況最大能量輸出：3480kW；

b.6臺三工況水源熱泵主機夜間制冰工況能量輸出：2262kW；

c.蓄冷設備夜間儲存的可利用冷量：18096kW·h；

d.蓄冷設備日間溶冰最大輸出能量：2570kW；

e.蓄冷設備削減制冷高峰時段負荷：42.5％。

采用水水熱泵及蓄冰夏季空調系統運行策略如下。

a.8:00～22:00：6臺水源熱泵機組空調工況運行。

b.8:00～20:00：蓄冰設備溶冰輸出，與水源熱泵聯合供冷。

c.23:00～7:00：水源熱泵機組制冰工況運行，8h向蓄冰設備蓄冷量。

6臺水源熱泵機組的冷卻水源由地下水提供，可代替冷卻水塔。

采用水-水熱泵及蓄冰冬季空調系統運行策略如下：6臺水源熱泵機組聯合運行，用地下水所提供的免費的自然可再生能源，提取其熱量，供應給整個大樓進行采暖，6臺機組總供熱量為4200kW。

根據方案設計，選用6臺水-水熱泵機組，共需15℃的地下水330m³/h，夏季作為冷卻水源，地下水最大供回灌溫度為15～26.3℃；冬季作為低位熱源，地下水供回灌溫度為7.2～15℃。故需打出水井3口，回灌水井4口，總出水量為330m³/h。

該系統總體投資1013萬元，與常規制冷系統相比較增加了約56萬元的投資，共打井7口，并可滿足冬夏的需求。冰蓄冷系統年經常運行費用比常規水-水熱泵系統節約40萬元。

冬季，水源熱泵運行費用與常規市政熱力進行比較，以冬季運行120天，每天運行12h計算，市政熱力費用為60元/m²（商場的層高均超過4m），則整個冬季運行費用為240萬元，與水源熱泵系統相比較，水-水熱泵系統冬季運行費用分三個階段分別進行計算，首先為初寒期和末寒期，約為40天，每天運行12h，負荷系數為0.6，則運行費用約為32萬元；然后為中寒期，約為60天，每天運行12h，負荷系數為0.8，則運行費用約為65萬元；最后為嚴寒期，約為20天，每天運行12h，負荷系數為0.95，則運行費用約為25萬元。故整個冬季水源熱泵運行費用為122萬元。比常規市政熱力系統節約118萬元。

水源熱泵加蓄冰系統與常規電制冷加熱力供暖系統相比，年運行費用可節約158萬元。雖然初次投資略有增加，但投資增加部分很快得以回收。該工程得到電力部門的支持，退還電力貼費240萬元，故實際工程總投資僅增加56萬元。如果不考慮此項費用，實際投資需增加296萬元。但是，年節約運行費158萬元，僅需兩年即可回收增加的初投資。