文：季曙明
上海安悦节能技术有限公司
摘要： 介绍了某汽车零部件压铸企业新建工程中融合地源热泵、水蓄冷、余热回收等众多能技术的空调系统设计。中央空调系统夏季利用水冷螺杆机组、地源热泵、水蓄冷技术为车间、办公楼供冷；冬季利用地源热泵、压铸机冷却水余热回收和熔化炉烟气余热回收作为热源给车间与办公楼采暖，从而取代了冷水机组加锅炉的传统空调系统。空调系统年节约运行费用20.1万元，转移高峰电力152 000 kW•h。
关键词： 地源热泵； 水蓄冷； 余热回收； 节能空调
0 引言
常规中央空调夏季制冷多采用单冷冷水机组加冷却塔，冬季采暖使用锅炉，2 套系统投资大，设备利用率较低，能源的综合使用率低。随着煤、石油、天然气价格的日益上涨和节能减排工作的深入开展，传统空调系统已逐渐被复合型的、能源综合利用率高的系统所代替。
本文以某汽车零部件压铸企业新建工业厂房项目设计参数为基础，对综合运用水蓄冷技术、地源热泵技术、熔化炉烟气余热回收技术、压铸机冷却水余热回收技术、无风管远程送风分层空调技术的节能空调系统与传统空调系统进行比较分析，得出切实可行的能源综合利用方案，为其他类似工程提供参考。该工业厂房位于江苏省太仓市，总建筑面积为18 528 m2
，其中机加工车间 8 064 m2，办公楼共 3 层，面积2 400 m2。机加工车间建筑高度为 9.4 m，办公楼建筑高度14.4 m。
1冷热源设计
1.1 室内设计参数
室内设计参数详见表1。
1.2 冷热负荷
空调负荷采用指标估算法，车间设计冷负荷为1 452 kW，办公楼设计冷负荷为 360 kW，车间与办公楼冬季设计热负荷为 838 kW。
1.3 冷热源配置
机加工车间与办公楼实行集中供冷和供热。冷源选用制冷量为 653.8 kW 的水冷螺杆式冷水机组 1 台，制冷量为680.4 kW 的地源热泵机组 1 台，600 m3水制冷量为680.4 kW 的地源热泵机组 1 台，600 m3水蓄冷罐1 台，最大供冷能力 1 988 kW。设计工况下空调冷水供回水温度为8 ℃/14 ℃，设计工况下总制冷需求量为 1 812 kW。空调热源选用上述地源热泵机组，制热量为706.8 kW，烟气可回收的热量为160 kW，压铸机冷却水余热回收可以提供的热量为185 kW，设计空调热水供回水温度为45/40 ℃。
2 水蓄冷罐设计
2.1水蓄冷技术简介
水蓄冷技术就是利用峰谷电价差，在低谷电价时段将冷量存储在水中，在白天用电高峰时段使用储存的低温冷冻水提供空调用冷。当空调使用时间与非空调使用时间和电网高峰和低谷同步时，就可以将电网高峰时间的空调用电量转移至电网低谷时使用，达到节约电费的目的。
2.2 负荷计算及电量分析计算
由于室外气象参数、日照、人员、内部设备等的动态变化性，空调负荷每时每刻都在变化。而空调系统的负荷分布规律是蓄能系统设计的依据，也是分析蓄能系统实用性和经济性的关键，因此掌握典型设计日的逐时负荷是蓄能系统设计的第一步，也是最重要的一步。典型设计日的逐时负荷应根据典型日逐时气象数据、建筑围护结构、人流、内部设备以及运行制度，采用动态负荷计算法计算。典型日
逐时负荷图是每日24 h 的逐时冷负荷分布图。常规空调系统是依据典型日逐时负荷图峰值选定冷水机组和空调设备；而空调蓄冷系统则需要根据典型设计日的总冷负荷和运行策略(即全负荷蓄冷还是部分负荷蓄冷，以及每天的控制策略)设计。因此，设计空调蓄冷时，应能比较准确地提供典型设计日的日负荷分布图。
本项目最大设计负荷为1 812 kW，典型日逐时负荷如图1 所示，从图 1 可以看出，夜间空调负荷较小，全天负荷存在较大的变化，适合采用水蓄冷系统。
目前水蓄冷运行策略有全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷，此项目设计周期内车间及办公楼全部空调冷负荷约为 23 137 kW•h，综合考虑蓄冷适用情况、减小蓄冷系统初投资和最大限度地减少系统运行费用，此系统决定采用部分负荷蓄冷。采用额定制冷量为653.8 kW，蓄冷时制冷量为 600 kW 的水冷螺杆式冷水机组在谷电时间工作8 h，就可达到系统蓄冷要求。
2.3水蓄冷罐设计计算
蓄冷水槽体积可按下式计算：V =(Qst•3600)/(Δt•ρ•cp•FOM•αν)
式中：
ρ 为蓄冷水的密度，取 1 000 kg/m3；
cp为冷水的比热容，取 4.187 kJ/(kg•K)；
Qst为蓄冷量，kW•h；
Δt 为释冷回水温度与蓄冷进水温度间的温度差，本系统设定蓄冷终了温度为4 ℃，放冷终了温度为 12 ℃，即温差取 8 ℃；
FOM 为蓄冷水槽的完善度，考虑混合和斜温层等因数的影响，一般取85%～90%；
αν为蓄冷水槽的体积利用率，考虑配水器的布置和蓄冷水槽内其他不可用空间等的影响，一般取95%；
V 为水蓄冷槽的体积，m3。
根据上述公式可计算出罐体有效容积 600 m3。
3地埋管系统设计
3.1地源热泵工作原理
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵系统具有设备少，系统简单，投资省，能效高，运行费用低，设备运行稳定，制冷制热效果好，能源合理利用，无任何污染，能够一机多用，应用范围广，技术成熟可靠等优点。本系统采用土壤源热泵。
3.2 地埋管换热系统设计
地埋管热响应实验得出每米孔深的换热量为50 W/m，根据地源热泵制热时从土壤中吸收的热量，确定单孔单 U 形地埋管换热器的参数如下：数量为120 口，换热孔深为 100 m，垂直地埋管换热系统设计井间距5 m，孔口直径在150 mm左右，孔内按一定的工艺埋设U
型32 mm直径的HDPE材质换热管。总占地面积约2 000 m2。
地埋管系统的布置如图2。
由于地源热泵选型时只需考虑冬季室内负荷，其装机容量远小于夏季冷负荷所需配套的地埋管数量。方案在地埋管系统的环路方式上采用了同程式并联环路方式。系统环路见示意图 3。
4系统流程设计
目前工厂有大量压铸机，其运行时产生的废热需通过冷却水带走，现在通过增加板式换热器与压铸机冷却水换热，为地埋管中的循环水进行补充加热，达到节省能源的目的，冬季压铸机冷却水热回收后，原冷却塔就可以少开或者不开，节省了能源费用。
压铸车间中还有 1 台熔化炉，运行过程中通过烟囱带走大量的高温烟气，本系统通过在烟管上加装高效换热装置，可以进行烟气余热回收，与地源热泵结合一起为车间与办公楼供暖，节约了电费。
图 4 为节能空调系统工作原理图。本系统为多热源系统，通过对各路系统进行水力计算，使得各水路系统尽可能阻力相等，防止水力失衡。本系统通过电动阀门的切换可以实现单冷水冷螺杆机组蓄冷，
蓄冷罐放冷、主机供冷、蓄冷罐与主机联合供冷等功能，通过手动阀门的切换可以实现夏冬季地源热泵机组制冷和制热功能的转变。夏季利用水冷螺杆机组、地源
热泵、水蓄冷为车间与办公楼供冷，冬季利用地源热泵、压铸机冷却水余热回收和熔化炉烟气余热回收作为热源给车间与办公楼采暖。
5 运行策略设计
由于部分负荷蓄冷方式可以削减空调制冷系统高峰耗电量，而且初投资比较低，所以目前多采用之。在确定部分负荷蓄冷系统的装置容量时，思路应为：“充分发挥制冷主机的作用，使其昼夜运行，以达到制冷主机装机容量为最小，运行费用最省”。由于本项目采用以分时电价为基础的蓄能空调系统，因此如何根据负荷的逐时变化和电价差，选择合适的运行策略是蓄能系统运行经济性设计的关键之处。表 2 为电力峰、平、谷时间段及相应的电价。
图5、图 6、图 7 分别为 100%、70%、40%设计日负荷时运行策略图，由图可以看出：(1)峰电时段单冷制冷机组不运行或者少运行，系统需冷量由蓄冷罐和地源热泵提供。(2)平电时段地源热泵优先运行。(3)谷电时段单制冷机满负荷运行蓄冷，需制冷部分由地源热泵提供。
这样就可以达到运行费用最省的目的，以上策略全部可以通过自动控制系统实现。
由以上分析，通过“谷电”蓄冷，“峰电”放冷，可以移峰填谷，缓解尖峰用电负荷，降低运行费用。并且在夏季运行期间，适当多开地源热泵机组，以蓄存热量供冬季取用，保持土壤热平衡。
图 8 是设计的自控系统主界面，根据最大化节约电能的原则，水蓄冷系统采用模糊控制判断，夏季模式共设计了水冷螺杆机组单独供冷、水冷螺杆机组蓄冷、蓄冷罐放冷、蓄冷罐与水冷螺杆机组联合供冷、热泵主机供冷加水冷螺杆机组供冷、热泵主机供冷加水冷螺杆机组供冷、放冷供冷加热泵供冷等 9 种运行模式，冬季模式共设计了地源热泵单独供热、热泵与烟气热回收联合供热、热泵与压铸机热回收联合供热、三者联合供热等4 种模式，每一种运行模式都可以在屏幕上进行自动选定和自动运行，且屏幕上会出现相应设备和水路的运行状态，直观明了。
另外，在启动系统前可以进一步设定开启对应工况所要开启的设备组合，图 9 为启动联合供冷 + 热泵机组供冷工况时需要开启的设备组合。由图 9 所示，开启的设备组合可以在操作界面中进行设置，简捷方便。为了对系统的运行数据进行统计，以便及时掌握运行信息，并能准确地对运行策略进行调整，可以通过图10所示界面对运行数据进行查询。
6 经济效益分析
6.1
传统空调系统运行费用传统空调设计采用单冷冷水机组供冷，燃气锅炉进行采暖，年运行费用约为 53.3 万元。
6.2 节能空调系统运行费用
节能空调采用地源热泵、水蓄冷、余热回收等众多节能技术相结合，年运行费用约为33.2 万元，节约了38%左右的运行费用，大大节省了企业能源支出。
7 结语
集如此多节能技术于一体的空调系统实属少见，系统非常复杂，但该系统的节能性是显而易见的：
(1)采用土壤源作为冷热源，系统运行高效，运行成本较低，节能环保；
(2)采用水蓄冷技术，利用夜间谷电蓄冷，减少运行费用，提高设备使用效率，降低了冷机的配置容量，减免了电力增容费用；
(3)采用地源热泵和余热回收，减免了燃气锅炉开户及燃气管道铺设费；
(4)与传统中央空调形式对比，减少了污染和排放，并节约了 38%左右的运行费用。
