蓄冷蓄热复叠耦合系统在区域能源项目中的应用研究 -美高梅app官方下载

无论是建筑领域，还是工业、农业和其他民用领域，在有合适的低品位热源的条件下，使用热泵替代锅炉或者电热炉来提供热能，满足建筑供暖、生活热水和各类工业生产过程的热量需求，将大大减少化石燃料的消耗，从而助力碳中和目标的实现。目前区域能源项目中的热源多数采用燃料锅炉制热或者直接利用夜间低谷电制热的电锅炉蓄热系统，以满足供热水温和大温差输送的要求，这些系统效率低、能耗大、供热成本高、碳排放量大。

本文以珠海某区域能源站为例，提出一种蓄冷蓄热复叠耦合系统，与常用的电锅炉谷电蓄热供热系统进行技术经济对比分析，说明其在区域能源项目中节能减排的优越性。

１蓄冷蓄热复叠耦合系统概述

１．１系统组成

蓄冷蓄热复叠耦合系统主要由双工况主机冰蓄冷系统（或水蓄冷）和高温（７０℃以上）水源热泵系统复叠耦合而成，在制冰的同时高效制备高温热水，蓄冰的同时用高温水蓄热。蓄冷蓄热复叠耦合系统示意图见图１。

１．２工作原理

１）双工况主机蓄冰，水源热泵蓄热：开启设备１．双工况离心机；２．乙二醇泵；３．乙二醇／水板式换热器；４．蓄冰槽；５．冷水一级泵；６．冷水二级泵；７．用户侧冷水板式换热器；８．冷却水泵；９．冷却塔；１０．高温水源热泵；１１．供热水泵；１２．保温热水箱；１３．用户侧热水板式换热器。

注：ｖａ～ｖｋ为电动阀；ｖｍ为压差旁通装置。

▲图１蓄冷蓄热复叠耦合系统示意图

１、２、４、８～１２和电动阀ｖｂ、ｖｇ、ｖｈ、ｖｋ，根据设备１０开机情况调节ｖｍ开度。

２）冰槽融冰供冷：开启设备６、７和电动阀ｖｄ、ｖｅ。

３）热水箱释热供热：开启设备１１～１３和电动阀ｖｉ、ｖｊ。

４）双工况机组与融冰联合供冷，水源热泵与热水箱释热联合供热：开启设备１～３、５～１３和电动阀ｖａ、ｖｃ、ｖｅ、ｖｇ、ｖｈ、ｖｊ，根据设备１０开机情况调节ｖｍ开度。

２能源站概况

该能源站位于珠海市，主要服务周边约２０７万m²建筑面积的商场、行政办公楼、商务办公楼、宾馆、数据机房、学校、新型产业园区等建筑，集中供应冷水和空调、生活热水。

供冷参数：供水温度２．５℃，回水温度１１．５℃，供回水温差为９．０℃。

供热参数：供水温度≥７０．０℃，回水温度≥５５．０℃，供回水温差≥１５．０℃。电能来源：电网供电，用电性质为大工业用电，电压２０ｋｖ，能源站要求双路供电，电压包括１０ｋｖ和３８０ｖ２种，电价如表１所示。

表１珠海市能源站峰谷平蓄冷电价

３冷热负荷分析

采用ｙｃ－ｒｅ４．０区域能源优化设计软件，以ｅｎｅｒｇｙｐｌｕｓ为模拟引擎，进行全年８７６０ｈ负荷模拟，得到全年负荷，如表２所示，夏季设计日和冬季设计日逐时冷热负荷分别如表３、４所示。由表２～４可见，该能源站的空调冷负荷为１４１７９５ｋｗ，全年供冷负荷为２４３８３２００３ｋｗ·ｈ；空调热负荷为２９３１ｋｗ，全年空调供热负荷为８３５８１７ｋｗ·ｈ；生活热水热负荷为２１３８ｋｗ，全年生活热水负荷为８７１８０９７ｋｗ·ｈ。

表２能源站全年负荷汇总

4 技术方案

４．１冷源方案

该项目设计供冷能力为１４１７９５ｋｗ，采用电制冷冰蓄冷供冷方案。冷源采用９台单台制冷工况制冷量９６７２ｋｗ、制冰工况制冷量６３３１ｋｗ的双工况离心机和１台制冷量７０３４ｋｗ的基载离心机，最大蓄冰冷量４５５８０３ｋｗ·ｈ。白天联合供冷时采用主机上游、融冰供冷下游方式，双工况主机白天供／回水温度为４．５℃／１０．０℃，夜间制冰供／回水温度为－５．６℃／－２．０℃。

表３夏季设计日（７月２１日）负荷汇总ｋｗ

表４冬季设计日（１月２１日）负荷汇总ｋｗ

４．２热源方案

热源采用高温水源热泵蓄热与双工况主机冰蓄冷复叠耦合系统。高温水源热泵源侧接入制冷主机（基载和双工况主机）冷却水系统，吸收制冷机组低品位余热，制备高品位热水向用户供热。热水供水温度７０℃、回水温度５５℃，满足用户侧热水供水温度６０℃、回水温度５０℃的需求。

生活热水设计日热负荷较小，但需全年供应，为节省运行费用，考虑在夜间双工况主机制冰蓄冷期间，启动水源热泵利用低谷电制热，提取制冷机的冷凝废热，制备全天需要的生活热水。按夜间利用谷电８ｈ全蓄全供考虑，热泵小时供热量和储热水箱容积计算式分别为：

（２）式（１）、（２）中ｑｓｈ为生活热水系统热泵小时供热量，ｋｗ；ｃ为热损失系数，取１．１０～１．１５；ｑｓｚ为生活热水设计日总热负荷，ｋｊ；ｔｈ为设计日工作时间，ｓ；ｖｓ为生活热水储热水箱容积，m³；ｋ为用水安全系数，取１．２５～１．５０；ｃ为水的比热容，ｋｊ／（ｋｇ·℃）；δｔ为热水供回水温差，℃；ρ为水的密度，ｋｇ／m³。

将相关数据代入式（１）、（２）计算可得：ｑｓｈ＝２９８６ｋｗ，ｖｓ＝１６５７m³。

由于南方地区供暖年供热量较小，为了降低造价，供暖热源按避峰运行考虑，热泵仅在平、谷电价时段（１８ｈ／ｄ）运行，高峰电价时段停运，释能供热。

根据表４设计日供暖热负荷计算得到热泵小时供热量ｑｇｎ为４２９６ｋｗ，储热水箱容积ｖｎ为１２１９m³。

根据生活热水和供暖装机要求，分别选用２台单台制热量１５００ｋｗ和２台单台制热量２１５０ｋｗ的高温级热式水源热泵机组接入制冷机组的冷却水系统作为热源，采用ｒ１３４ａ制冷剂的高温级热式热泵机组制热ｅｅｒ可达４．６。每台机组配备１台热水泵提供输配动力，热泵启动期间停开部分冷却塔，以满足热泵的吸热需求，高效制热，同时降低冷却塔功耗。根据生活热水和供暖的储热容积需求，在天面设５个３４０m³和３个３９０m³的储热水箱，加上站内和市政供热管网总容积约６５m³，可提供总蓄热量４１４６５ｋｗ·ｈ。

４．３对比热源方案

根据ｇｂ５０７３６—２０１２《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第８．１．２条和ｇｂ５５０１５—２０２１《建筑节能与可再生能源利用通用规范》第３．２．３条的规定———空调供暖和集中热水供应系统只能在谷电时段采用电直接加热，本文对比方案采用电热水锅炉，在谷电时段制备全天需要的总用热量，为了降低输送能耗和蓄热设备投资，按供／回水温度９５℃／６０℃计算电热水锅炉功率和生活热水储热水箱容积：

式（３）、（４）中ｎｓ为生活热水系统电热锅炉功率，ｋｗ；ｍ为电能转为热能的效率，取０．９８；ｑｓｙ为生活热水设计日谷电基载总热负荷，ｋｊ。

将相关数据代入式（３）、（４）可得：ｎｓ＝３３５１ｋｗ，ｖｓ＝５７７m³。

同样地，计算得供暖热源系统电热锅炉功率ｎｎ为９８６４ｋｗ，储热水箱容积ｖｎ为１３９３m³。

根据生活热水热源装机功率，拟选用２台单台功率１７００ｋｗ的电热水锅炉作为热源，每台锅炉配备１台热水泵提供输配动力。在天面设２个２９０ｍ３的储热水箱，总蓄热量１９４２６ｋｗ·ｈ。

根据供暖热源装机功率，拟选用４台单台功率２５００ｋｗ的电热水锅炉作为热源，每台锅炉配备１台热水泵作为输配动力。在天面设４个３４０ｍ３的储热水箱，加上站内和市政供热管网总容积约６５ｍ３，可提供总蓄热量４６８８０ｋｗ·ｈ。

５技术经济对比分析

５．１冷热平衡及可靠性分析

区域供冷在过渡季和冬季负荷较低时通常采用全蓄全供运行模式，在夜间制冰时蓄满全天需要的用冷量。根据逆卡诺循环可推导得到复叠系统冷热同蓄运行时的冷热复叠提升率λｆ：

式中η为复叠换热效率，取０．９７；εｒ为高温热泵制热能效比，取４．６；εｂ为双工况制冷机蓄冰工况能效比，取４．２。

将相关数据代入式（５）可以算得λｆ＝１．５３。

由表４可见，生活热水和供暖设计日供热总负荷为９４１８４ｋｗ·ｈ，采用水水热泵制备全天需要的供热量，同时启动制冰系统制备约６１５５８ｋｗ·ｈ的冷量。由表４可见，冬季设计日冷负荷为２０６１２２ｋｗ·ｈ，可完全消纳制热产生的余冷。该能源站最大蓄冰冷量为４５５８０３ｋｗ·ｈ，水池有效容积约１３０００ｍ３，除了蓄冰的相变蓄冷量外，按０℃／１１．５℃水温差考虑，水池尚可蓄显热冷量１７３８７７ｋｗ·ｈ。站内及市政冷水管网总容积为３７６４ｍ３，按２．５℃／１１．５℃供回水温差考虑，可蓄冷量３９４００ｋｗ·ｈ。

管网和冰池最大可蓄冷量为６６９０８０ｋｗ·ｈ，可满足１１ｄ的冬季设计日负荷热泵供热运行需求，达到冷热平衡。

对比热源方案采用电热锅炉，能源站均设２路电源，而且供冷高峰与供热高峰期错开用电，只要电源有保证，就能保障供热的可靠性，可见设计热源方案与对比热源方案均能提供可靠的热源供应。

５．２配电系统对比分析

冷源总配电功率约２７２６９ｋｗ，设计热源方案中，由２台单台制热量１５００ｋｗ的热泵及其供热水泵作为生活热水热源，全年运行，需增加功率为６９７ｋｗ的配电设备；２台单台制热量２１５０ｋｗ的热泵及其供热水泵作为冬季空调热源，与大部分制冷设备错峰使用，可共用变配电设备，因此设计方案总体增加配电容量６９７ｋｗ即可。

对比方案热源增加设备配电功率约１３４９６ｋｗ，冬季供暖时，供暖设备与制冷设备错峰使用。

经冬季逐时冷负荷分析，冬季供暖期最大日冷负荷为３６７９１８ｋｗ·ｈ（见图２），按８ｈ全蓄全供考虑，最大耗电功率约１５１４３ｋｗ。因此，供暖热源的１００７４ｋｗ电热水锅炉可与制冷设备错峰共用变配电设备，对比方案总体需要增加配电容量３４２２ｋｗ，比设计方案多２７２５ｋｗ。

▲图２冬季逐日冷负荷

５．３造价分析

该项目设计热源方案和对比热源方案投资估算见表５。

表５热源方案投资估算

５．４年运行费用分析

５．４．１设计热源方案运行费用分析

由表２可见，该项目冬季供暖总热负荷为８３５８１７ｋｗ·ｈ。根据负荷模拟统计得到能源站全年逐日空调热负荷，如图３所示，空调热源系统夜间最大蓄热量为３４４００ｋｗ·ｈ。可见模拟计算所得绝大多数供热日负荷均小于系统最大蓄热量，可采用全蓄全供模式运行。经统计，全年系统最大蓄热量可覆盖的日供热负荷总量为８１７８３６ｋｗ·ｈ，全年系统最大日蓄热量不能覆盖的日供热负荷总量为１７９８１ｋｗ·ｈ，这部分热量利用系统在平价电时段运行制备。按热源系统ｅｅｒ＝４．３（仅考虑水源热泵和循环水泵功耗）计算，冬季供暖热源年用电量约１９４３７６ｋｗ·ｈ，其中谷价电时段用电量１９０１９４ｋｗ·ｈ，平价电时段用电量４１８２ｋｗ·ｈ。按表１电价计算，供暖热源全年谷价电费为３４１３４元，平价电费为２６５５元，总电费为３６７８９元。

▲图３全年逐日空调热负荷

由表２可见，该项目生活热水全年用热量为８７１８０９７ｋｗ·ｈ。按热源系统ｅｅｒ＝４．３（仅考虑水源热泵和循环水泵功耗）计算，生活热水热源年用电量为２０２７４６４ｋｗ·ｈ，按低谷电价计算，生活热水热源年电费约为３６２９１６元。

５．４．２对比热源方案运行费用分析

由表２可见，该项目冬季供暖总热负荷为８３５８１７ｋｗ·ｈ。按热源系统ｅｅｒ＝０．９７４（仅考虑电锅炉和循环水泵功耗）计算，供暖热源年用电量约为８５８１２８ｋｗ·ｈ，按蓄能低谷电价计算，可得供暖热源年电费约为１５３６０５元。

由表２可见，该项目生活热水全年用热量为８７１８０９７ｋｗ·ｈ。按热源系统ｅｅｒ＝０．９７４（仅考虑电锅炉和循环水泵功耗）计算，生活热水热源年用电量为８９５０８１８ｋｗ·ｈ，按低谷电价计算，生活热水热源年电费约为１６０２１９６元。

５．５全寿命周期成本对比

因供水温度相同，生活热水和供暖热源系统并网运行，为了细化经济分析，把２种方案的２个热源系统的造价和运行成本均分开对比分析，并按当前碳交易市场价（５９元／ｔ）计算年碳排放费用，进行全寿命周期（２０ａ）成本对比分析，结果如表６所示。

表６ 热源系统全寿命周期主要成本对比分析

从表６可见，生活热水热源设计方案比对比方案节省电量６９２．３万ｋｗ·ｈ／ａ，降低碳排放２５９５ｔ／ａ，节省初投资约１６５万元，全寿命周期内总成本节省约１６１万元／ａ，经济性和节能减排的优势都比较显著。设计供暖热源方案比对比方案节省电量６６．４万ｋｗ·ｈ／ａ，降低碳排放２４９ｔ／ａ，但造价比对比方案高约１１５万元，全寿命周期内总成本增加约１．８万元／ａ，可见设计方案比对比方案减少了耗电量，降低了碳排放，但全寿命周期成本略高。

整体上，该项目采用设计方案既减少初投资，又节省运行费用；设计方案比对比方案每年节电约７５８．７万ｋｗ·ｈ／ａ，减少碳排放约２８４４ｔ／ａ，全寿命周期内总成本降低１５９万元／ａ。

６结语

综上所述，在同时供冷供热的区域综合能源项目中，采用蓄冷蓄热复叠耦合系统既能提供大温差的低温冷水，又能提供大温差的高温热水，蓄冷系统既可以与蓄热系统联合运行，又可解耦独立运行，效率不受影响，既减少用电量，又增加调峰填谷的能力，既减少初投资，又节省运行费用，是一种经济又环保的区域综合能源方案。

对于南方地区，冬季供暖季节较短，年用热量较小，年总能耗较小，在应用水源热泵系统或冷热回收系统时，应考虑冷热平衡、系统保障性问题。冷热不平衡时，应设备用设备，保证供应。另外，蓄能本身并不能降低能耗，如片面追求运行费用的节约而增大蓄热量，会导致初投资增加，回收期过长。因此，在设计用能量较小的蓄能方案时，不应一味提高蓄能量，应从全寿命周期成本节约出发，评估经济性，采用减少装机容量的部分蓄能或避峰运行的分量蓄能方案，提高全寿命周期的经济性。

(作者：彭汉林）