郝秀
（中机意园工程科技股份有限公司）
摘 要 以某汽车制造车间为例，介绍地源热泵系统、水蓄能系统相结合的应用。介绍了地源热泵系统及水蓄能的相关概念，地源热泵系统及水蓄能的设计方案、设备选型，对蓄能系统运行控制策略进行分析，总结两项技术相结合带来的可观效益。
关键词 地源热泵；蓄能技术；设计方案；地埋管；运行策略
Analysis of design scheme of ground source heat pump and water storage system in an automobile manufacturing workshop
Hao Xiu
（Zhongji Yiyuan Engineering Technology Co. Ltd）
ABUSTRACT Taking an automobile manufacturing workshop as an example，the application of
ground source heat pump system combined with water storage system is introduced.This
paper introduces the related concepts of the ground source heat pump system and water
storage，the design scheme and equipment selection of the ground source heat pump system
and water storage，analyzes the operation and control strategy of the energy storage system，
and summarizes the considerable benefits brought by the combination of the two
Technologies.
KEY WORDS ground source heat pump；energy storage technology；design scheme；buried
pipe；operation strategy
当今社会，能源紧缺，各个行业的发展都要基于节约能源的基础上。在时代迅速发展的同时，国家提出节约能源的号召。在建筑工程行业，体现在大力推进绿色建筑，可再生能源的发展。地源热泵与水蓄能技术是可再生能源的一种，两者结合，提高空调系统能效比降低能耗，同时减少环境污染，为社会发展带来举足轻重的作用。
1 工程概况
某汽车轻卡基地项目，包括骏铃轻卡、帅铃轻卡制造项目；建筑面积280000m2，其中骏铃轻卡总装车间、帅铃轻卡总装车间、技术中心需要设置空调，空调夏季冷负荷9 048kW，空调冬季热负荷5 860kW。
2 地源热泵及蓄能技术介绍
2.1 地源热泵
地源热泵技术属可再生能源利用技术。地球表面土壤和水源是个巨大的能量集热体，它正是利用了土壤的恒温能量作为冷热源[1]，提取一定的温度差进行能量转换，夏季作为冷源，冬季作为热源为成为空调的能源端。
地源热泵的环境效益显著。地源热泵技术利用过程当中，只是进行了热量交换，水质几乎没有发生变化，不会引起区域性的水体或土壤的污染。可以说地源热泵是一种清洁能源方式。
2.2 蓄能技术
近年来随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对舒适的环境需求越来越大，从而对空调的需求量越来越大.据统计，在大中型城市中，用电量的高峰时段即开启空调时段，空调用电量占其高峰用电量的35％以上。使得电力系统峰谷负荷相差加大，电网不能满负荷运行，效率下降，使得电网不得不实行拉闸限电，严重影响社会的高速发展。
蓄能技术主要为了电网的“削峰填谷”，在夜间用电负荷较低的情况下进行蓄能，在日间用电峰值时段释放其储存能量，从而平衡电网的峰谷差[2]。基于政府的政策，蓄能技术本质上是一项省钱不省电的技术。
3 设计方案
3.1 冷热源配置
空调夏季冷负荷9 048kW，冬季热负荷5 860kW；冷热源系统采用3台2 129kW电动螺杆（地源）热泵机组，夏季：机组冷冻水供回水温度为7/12℃；地源水供回水温度为30/35℃；冬季：机组供热供回水温度为45/40℃；地源水供回水温度10/5℃。各冷水机组采用一对一冷冻水泵、冷却水泵，各类型水泵备用1台。夜间利用热泵机组谷电蓄能，夏季：机组冷冻水供回水温度为4/9℃，冷却水供回水温度为35/30℃；冬季：机组供热供回水温度为55/50℃。为保证地埋管换热器热平衡，配置2台冷却塔与两台地源热泵机组对应。空调水系统采用两管制闭式循环，同程系统，补水定压采用自动定压膨胀供水装置。水处理采用微晶循环水旁流处理器。空调水系统补水采用软化水，设一台8t/h全自动软化水处理设备，软化水采用不锈钢水箱贮存。
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图1 地源热泵系统流程图
3.2 地埋管换热系统
由专业单位对土壤进行“热物性”响应实验，得到“热物性”响应实验报告。地质状况：0~-8m粘性土层夹粉质粘土；-8.0m~-45.0m粉质粘土；-45.0m~-50.0m中风化和强风化砂岩层-；-50.0m~-81.5m中风化砂岩层、少量沙及砾石。根据采样分析计算，土壤综合导热系数为λ=1.44w/m.k，地埋管地下温度为17.9°C。
表1 测试孔模拟运行工况
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由测试报告结果，夏季地埋管与土壤的换热量按51W/m，冬季地埋管与土壤的换热量按41W/m。
按照冬季负荷设计，地埋管采用单孔双U管，室外钻孔间距平均4.5×4.5m，共钻孔1 034个，钻孔孔径为D150mm，钻孔有效深度100m[3]。地埋管换热系统设计需进行全年动态负荷计算，计算周期不小于1年。在计算周期内，地源热泵系统总释热量和总吸热量宜相平衡。
Q最大释热量=Σ[Q空调冷负荷×（1+1/EER）]+ΣQ输送过程得热量+ΣQ水泵释放热量 （1）
Q最大吸热量=Σ[Q空调热负荷×（1-1/COP）]+ΣQ输送过程失热量-ΣQ水泵释放热量 （2）[4]
经过计算，地埋管换热器夏季排热量4 982kW；冬季取热量为3 814kW。满足2台地源热泵机组夏季工况满负荷运行。为了保证土壤热平衡，设置2台冷却塔满足另台地源热泵机组的冷负荷及调节冬夏季取热量及释热量的平衡。
地埋管换热器采用单孔双U管，采用HDPE100管，管道承压为1.6MPa，管道采用De25x2.3。地埋管换热器埋管设十二个换热器场地。每个场地供回水管设1个二级分、集水器，每个二级分、水器带多个回路，每个回路带8口竖直孔井。
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图2 地埋场地埋孔连接管布置图（任一埋场为例）
3.3 水蓄能系统
空调制冷、供热采用蓄能技术，蓄冷、蓄热水罐满足冬季供热峰值蓄热量要求，制冷主机与蓄冷水罐并联运行，蓄冷水罐采用2个2 000m3水罐，同时兼顾供冷，其调峰空调负荷为2 000kW。
夏季：0:00 a.m.— 8:00 a.m.，2台热泵机组与1台水冷机组联合运行，进行蓄冷；蓄冷水温为4℃，最终温度为11℃，总蓄冷负荷为32 510kWh；8:00 a.m.—12:00 p.m.，优先运行地源热泵机组供冷，不足部分由水冷机组、蓄冷水罐释冷补充；
冬季： 0:00 a.m.— 8:00 a.m.，2台热泵机组运行，进行蓄热；蓄热水温为55℃，最终温度为40℃，总蓄热负荷为34 830kWh ；8:00 a.m.—12:00 p.m.，优先由蓄热水罐释热运行，不足部分由地源热泵机组供热补充。
水蓄能控制策略如下：
1）水系统处于蓄冷状态时，开启所有蓄能罐进出水管上的电动阀，关闭蓄能罐旁通管上的电动阀。当系统放冷以后，打开旁通管路的电动阀，关闭蓄能罐进出水管上的电动阀，系统水温正常后，再按顺序逐步打开蓄能罐进出水管上的电动阀。
2）运行策略
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4 地源热泵及水蓄冷系统经济与环境效益分析
地源热泵系统：总供冷量为8 500 MWh；总供热量为4 200 MWh。
夏季：地源热泵综合能效比COP为3.8，传统空调综合能效比COP为3.3，节能为338.9 MWh，节约标准煤约124吨，可减少二氧化碳排放量约309吨。
冬季：地源热泵综合能效比COP为3.6，传统空调综合能效比COP为2.8，节能为333.3 MWh；节约标准煤约122吨，可减少二氧化碳排放量约304吨。
采用蓄冷、蓄热空调，制冷负荷调峰6200 kW，可减少电力装机负荷2000kVA。
5 结语
地源热泵、水蓄能两项技术的结合，即采用蓄能式地源热泵空调系统，在提供空调制冷制热的同时，有效转移高峰电力用电负荷，平衡电网的峰谷差，减少地源热泵机组容量，同时减少地源热泵地埋管埋管数量，降低初投资。可谓一举多得。
蓄能式地源热泵空调系统，充分利用峰、谷电价差，进一步减少运行费用，具有较高的经济价值。
参考文献
[1]李元普，王晔华. 我国地源热泵技术发展现状与趋势[J]. 供热制冷，2009，000(005):38-39.
[2]方贵根.蓄能空调技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50366—2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[4]住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施2009——暖通空调·动力[M]. 北京：中国计划出版社，2009.