冰蓄冷和水源熱泵技術(shù)均起源于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，冰蓄冷技術(shù)主要為了平衡電網(wǎng)的晝夜峰谷差，在夜間電力低谷時(shí)段向蓄冰設(shè)備蓄得冷量，在日間電力高峰時(shí)段釋放其蓄得的冷量，減少電力高峰時(shí)段制冷設(shè)備的電力消耗，是電力部門“削峰填谷”的最佳途徑。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始推廣這項(xiàng)技術(shù)，目前已有一些建成的工程項(xiàng)目。由于電力部分實(shí)行了電力峰谷差價(jià)，使得用戶可以得到一定的運(yùn)行費(fèi)用省。由于我國(guó)電網(wǎng)峰谷差日益加大，在華北地區(qū)的峰谷差已達(dá)到40%，并有進(jìn)一步加大的趨勢(shì)，因而使電力負(fù)荷側(cè)的管理難度也日益加大。近年來(lái)，每逢七月下旬和八月上旬的夏季高溫時(shí)節(jié)，這一情況就尤為突出，為了解決這一難題，大力推廣蓄冰技術(shù)勢(shì)在必行。
水源熱泵技術(shù)是可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)，可以將低位能源搬運(yùn)到高位能源的技術(shù)，它可以大量利用自然界可再生的能源，如地下水、地?zé)崴�、土壤、江河湖水、工業(yè)廢水等其中儲(chǔ)存的大量低位的能源，通過(guò)少量的電能，將其轉(zhuǎn)化成高位的能源供我們使用，其能效轉(zhuǎn)化比可達(dá)到4:1，即消耗1KW的電能可以得到4KW的熱量，其中另外3KW的熱量來(lái)自免費(fèi)的能源。采用水源熱泵技術(shù)，可以大幅度降低用戶的能源使用費(fèi)用，同時(shí)也大量取代燃煤鍋爐，解決了環(huán)保的壓力。
在過(guò)去的幾十年里，這兩項(xiàng)技術(shù)得到了蓬勃地發(fā)展，在歐美等國(guó)家得以廣泛地應(yīng)用，在我國(guó)近年來(lái)也發(fā)展迅速，方興未艾。
但是，這兩種相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)都具有一定的局限性，冰蓄冷技術(shù)只能應(yīng)用于夏季空調(diào)季節(jié)，可起到削峰填谷的效益。但冰蓄冷技術(shù)無(wú)法提供冬季的采暖，對(duì)于具有采暖需求的用戶來(lái)講，該項(xiàng)技術(shù)就顯得無(wú)能為力。同樣，水源熱泵技術(shù)雖然可以同時(shí)提供冬季采暖和夏季制冷，但卻無(wú)法在夜間電力低谷時(shí)段蓄得冷量，以起到削峰填谷的功效。
對(duì)于普通的建筑物，尤其是大型商業(yè)建筑，其制冷負(fù)荷往往大于采暖負(fù)荷，而這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，即可利用水源熱泵技術(shù)同時(shí)滿足制冷和采暖的需求，又可采用蓄冰技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)的削峰填谷。即使用戶使用到了廉價(jià)的采暖方式，又解決了污染問(wèn)題，還為電網(wǎng)的晝夜平衡作出了貢獻(xiàn)，可謂一舉多得。
在汲取了國(guó)外大量先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，我國(guó)第一個(gè)水源熱泵與蓄冰技術(shù)相結(jié)合的工程----天創(chuàng)世緣已經(jīng)于2002年9月在北京順利完工。天創(chuàng)世緣的成功，標(biāo)志著這兩項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)可以成功地嫁接在一起，是國(guó)內(nèi)首項(xiàng)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，為首都的藍(lán)天工程、華北電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)的管理起到了重要的示范意義。
天創(chuàng)世緣北京市朝陽(yáng)區(qū)大屯路，總建筑面積170,000 m2，其中建筑物底商為大型商業(yè)設(shè)施，空調(diào)面積為40,000 m2，需安裝中央空調(diào)系統(tǒng)，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(shù)后，即可達(dá)到上述要求，又可使得整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)做到最大限度地節(jié)約能源和運(yùn)行費(fèi)用。
天創(chuàng)世緣夏季空調(diào)最大設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為6050KW，冬季空調(diào)最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4000KW。系統(tǒng)首先考慮采用開(kāi)采地下含水層中的恒溫的地下水在夏季來(lái)冷卻水水熱泵機(jī)組的冷凝端，再通過(guò)水水熱泵機(jī)組進(jìn)行制冷。同時(shí)，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(shè)備提升至高位能源進(jìn)行采暖使用。冬季由于采用了大量的地下水中的免費(fèi)的能源，使得運(yùn)行成本得到大大降低。
另外，根據(jù)天創(chuàng)世緣夏季制冷負(fù)荷情況的特點(diǎn)，夏季制冷負(fù)荷比較冬季采暖負(fù)荷大得多，因此如單純采用水水熱泵系統(tǒng)，會(huì)使得所需的地下水用量較大，需開(kāi)采水源井11口，5抽7回灌，因此受到具體鉆井條件的限制�？紤]到天創(chuàng)世緣大廈的商業(yè)的性質(zhì)，在后夜電力低谷時(shí)段不需要空調(diào)，因此考慮蓄冰式空調(diào)方案，該系統(tǒng)利用夜間低谷電力蓄冷，日間電力高峰時(shí)段由所需得的冷量與水水熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，向空調(diào)末端提供冷量。使得地下水在全日內(nèi)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(jié)約鉆鑿水源井量。同時(shí)，由于大量使用了后夜低谷電，代替了日間電力高峰時(shí)段的用電量，所以夏季運(yùn)行費(fèi)用也得到了大大降低。
該項(xiàng)技術(shù)充分利用了地下水恒定的、可再生的能源，并通過(guò)電力這一清潔能源，實(shí)現(xiàn)了冬季采暖、夏季制冷的兩項(xiàng)功能。被利用能量后的井水完全回灌回地下，對(duì)井水無(wú)污染、無(wú)浪費(fèi)。整個(gè)水源熱泵及蓄冰空調(diào)系統(tǒng)冬季最大用電量為1407KW，可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(tǒng)啟用，滿足日間空調(diào)的需求，整個(gè)系統(tǒng)削峰填谷效果明顯。
夏季建筑物24小時(shí)負(fù)荷曲線如下：
根據(jù)北京天創(chuàng)世緣夏季24小時(shí)空調(diào)負(fù)荷情況，夏季采用水源熱泵加蓄冰空調(diào)方案，本工程選擇六臺(tái)580kw三工況水源熱泵主機(jī)（蒸發(fā)器冷凍水供、回水工況為6.8/10.5℃，再由蓄冰設(shè)備冷卻到4℃，空調(diào)系統(tǒng)供回水溫度為7/12℃），夜間蓄冰，日間與蓄冰設(shè)備聯(lián)合供冷。經(jīng)蓄冷系統(tǒng)選型軟件計(jì)算，得出該工程的系統(tǒng)的最佳配置，系統(tǒng)能量分配如下：
* 六臺(tái)三工況水源熱泵主機(jī)日間空調(diào)工況最大能量輸出：3480 kw
* 六臺(tái)三工況水源熱泵主機(jī)夜間制冰工況能量輸出：2262kw
* 蓄冷設(shè)備夜間儲(chǔ)存的可利用冷量: 18096 kwh
* 蓄冷設(shè)備日間溶冰最大輸出能量：2570 kw
* 蓄冷設(shè)備削減制冷高峰時(shí)段負(fù)荷：42.5％
采用水水熱泵及蓄冰夏季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略如下：
8:00 - 22:00 ：六臺(tái)水源熱泵機(jī)組空調(diào)工況運(yùn)行。
8:00 - 20:00 ：蓄冰設(shè)備溶冰輸出，與水源熱泵聯(lián)合供冷。
23:00 - 7:00 ：水源熱泵機(jī)組制冰工況運(yùn)行，8小時(shí)向蓄冰設(shè)備蓄冷量。
六臺(tái)水源熱泵機(jī)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(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略如下：
六臺(tái)水源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，用地下水所提供的免費(fèi)的自然可再生能源，提取其熱量，供應(yīng)給整個(gè)大樓進(jìn)行采暖，六臺(tái)機(jī)組總供熱量為4200kw。
根據(jù)方案設(shè)計(jì)，選用六臺(tái)水水熱泵機(jī)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15—7.2℃。故需打出水井3口，回灌水井4口，總出水量為330m3/h。
該系統(tǒng)總體投資1013萬(wàn)元，比常規(guī)制冷系統(tǒng)相比較，增加了約56萬(wàn)的投資，共打井7口，并可滿足冬夏的需求。以下是投資比較表：
蓄冰及水源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備及打井投資表
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設(shè) 備 |
型號(hào) |
生產(chǎn)廠家 |
數(shù)量 |
耗電量（KW） |
單價(jià) （萬(wàn)） |
總價(jià) （萬(wàn)） |
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三工況主機(jī) |
LWP1800 |
法國(guó)CIAT |
6 |
175*6 |
￥55.0/臺(tái) |
￥330.0 |
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蓄冷球 |
STL-AC00 |
法國(guó)CIAT |
330 m3 |
- |
￥0.6/ m3 |
￥198.0 |
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蓄冷槽 |
STL-AC |
國(guó)內(nèi)制造 |
1 |
- |
￥60.0/臺(tái) |
￥60.0 |
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冷凍泵 |
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廣州一泵 |
4 |
37×3 |
￥1.5/臺(tái) |
￥6.0 |
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負(fù)載泵 |
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廣州一泵 |
4 |
45×3 |
￥2.0/臺(tái) |
￥8.0 |
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板式換熱器 |
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ALFA-LAVAL |
2 |
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￥40.5/臺(tái) |
￥81.0 |
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自控系統(tǒng) |
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德國(guó)SIEMENS |
1 |
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￥40.0/套 |
￥40.0 |
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乙烯乙二醇 |
100% |
國(guó)內(nèi)生產(chǎn) |
30噸 |
- |
￥0.7/噸 |
￥14.0 |
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打井費(fèi)（含井泵） |
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7 |
37×3 |
￥18.0/口 |
￥126.0 |
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系統(tǒng)安裝費(fèi) |
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￥150.0 |
￥150.0 |
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總計(jì) |
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1250 |
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￥1013.0 |
注：1、主要設(shè)備全部采用合資或進(jìn)口產(chǎn)品。
2、水泵設(shè)置為一臺(tái)水泵對(duì)應(yīng)兩臺(tái)主機(jī)，并設(shè)有一臺(tái)備用泵。
常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)投資表
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設(shè)備 |
主要技術(shù)參數(shù) |
數(shù)量 |
總耗電量 （KW） |
總價(jià)（萬(wàn)） |
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離心制冷機(jī) |
制冷量：450 RT |
4 |
320×4 |
￥400 |
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末端水泵 |
流量：300m3/h 揚(yáng)程：25m |
5 |
37×4 |
￥7.5 |
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冷卻水泵 |
流量：350m3/h 揚(yáng)程：22m |
5 |
45×4 |
￥10.0 |
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自控系統(tǒng) |
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1 |
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￥40.0 |
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冷卻水塔 |
350m3/h |
4 |
11×4 |
￥60.0 |
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安裝冷卻水塔建筑改造費(fèi) |
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￥100.0 |
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系統(tǒng)安裝費(fèi) |
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￥100.0 |
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總計(jì) |
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1652 |
￥717.5 |
注：1、常規(guī)系統(tǒng)主要設(shè)備全部選用合資或國(guó)產(chǎn)設(shè)備。
2、由于冷卻水塔擾民的問(wèn)題，無(wú)法放置在裙樓頂部，故需對(duì)原有的建筑進(jìn)行改造，以放置冷卻水塔，經(jīng)業(yè)主方審核，其對(duì)建筑的改造費(fèi)用約為100萬(wàn)元。
3、水泵為四用一備。
常規(guī)系統(tǒng)與水水熱泵+蓄冰系統(tǒng)總體投資(機(jī)房主要設(shè)備和機(jī)房電力報(bào)裝)比較:
兩種系統(tǒng)投資比較表 (萬(wàn)元)
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常規(guī)系統(tǒng) |
水水熱泵+蓄冰系統(tǒng) |
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空調(diào)設(shè)備 |
￥717.0 |
￥1013 |
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電力貼費(fèi) |
（2000KVA）￥240.0 |
（1500KVA）可減免 |
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總投資 |
￥957.0 |
￥1013 |
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注：1、采用蓄能系統(tǒng)可減小電力設(shè)備容量，包括變壓器、配電柜等，其費(fèi)用未作統(tǒng)計(jì)。
2、由于本工程電力貼費(fèi)在建設(shè)時(shí)期已經(jīng)向供電局交納，采用蓄冰系統(tǒng)后，經(jīng)電力部門審核，已批準(zhǔn)將電力貼費(fèi)退還給業(yè)主，以資鼓勵(lì)。
3、在建設(shè)初期，如考慮采用此方案，還可以減少市政熱力的投資。
夏季，由于北京地區(qū)電網(wǎng)采用了峰谷電價(jià)政策，高峰電價(jià)與低谷電價(jià)已達(dá)到4.3：1。因此，采用冰蓄冷系統(tǒng)，可以大大降低空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行費(fèi)用。
現(xiàn)階段，峰谷分時(shí)電價(jià)如下表：
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起始時(shí)間 |
電價(jià)（元） |
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高峰段 |
8：00～11：0018：00～23：00 |
0.995 |
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平段 |
7：00～8：0011：00～18：00 |
0.633 |
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低谷段 |
23：00～7：00 |
0.230 |
將常規(guī)系統(tǒng)與蓄冰系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用相比較，以100％負(fù)荷、80％負(fù)荷、60％負(fù)荷、40％負(fù)荷為基數(shù)，進(jìn)行分析比較：可得全年運(yùn)行電費(fèi)比較柱狀圖及運(yùn)行電費(fèi)表。
常規(guī)系統(tǒng)與蓄冰系統(tǒng)機(jī)房年運(yùn)行電費(fèi)比較
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天數(shù) |
常規(guī)系統(tǒng) (萬(wàn)元) |
蓄冰系統(tǒng) (萬(wàn)元) |
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100%負(fù)荷 |
10 |
16.0 |
13.0 |
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80%負(fù)荷 |
60 |
75.0 |
56.0 |
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60%負(fù)荷 |
40 |
36.0 |
28.0 |
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40%負(fù)荷 |
40 |
25.0 |
15.0 |
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總計(jì) |
150 |
152.0 |
112.0 |
冰蓄冷系統(tǒng)年經(jīng)常運(yùn)行費(fèi)用可以比常規(guī)水水熱泵系統(tǒng)節(jié)約40萬(wàn)元。
冬季，水源熱泵運(yùn)行費(fèi)用與常規(guī)市政熱力進(jìn)行比較，以冬季運(yùn)行120天，每天運(yùn)行12小時(shí)計(jì)算，市政熱力費(fèi)用為60元/㎡（商場(chǎng)的層高均超過(guò)4米）,則整個(gè)冬季運(yùn)行費(fèi)用為240萬(wàn)元，與水源熱泵系統(tǒng)相比較，水水熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行費(fèi)用可分三個(gè)階段分別進(jìn)行計(jì)算，首先為初寒期和末寒期，約為40天，每天運(yùn)行12個(gè)小時(shí)， 負(fù)荷系數(shù)為0.6，則運(yùn)行費(fèi)用約為32萬(wàn)元；然后為中寒期，約為60天，每天運(yùn)行12個(gè)小時(shí)，負(fù)荷系數(shù)為0.8，則運(yùn)行費(fèi)用約為65萬(wàn)元；最后為嚴(yán)寒期，約為20天，每天運(yùn)行12個(gè)小時(shí)，負(fù)荷系數(shù)為0.95，則運(yùn)行費(fèi)用約為25萬(wàn)元；故整個(gè)冬季水源熱泵運(yùn)行費(fèi)用為122萬(wàn)元。比常規(guī)市政熱力系統(tǒng)節(jié)約118萬(wàn)元。
本水源熱泵加蓄冰系統(tǒng)與常規(guī)電制冷加熱力供暖系統(tǒng)相比，年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約158萬(wàn)元。 雖然初次投資略有增加，但投資增加部分很快可以回收。
本工程得到電力部門的支持，退還電力貼費(fèi)240萬(wàn)元，故實(shí)際工程總投資僅增加56萬(wàn)元。如果不考慮此項(xiàng)費(fèi)用，實(shí)際投資需增加296萬(wàn)元。但是，年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)158萬(wàn)元，僅需兩年即可回收增加的初投資。
目前，北京地區(qū)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題尤為嚴(yán)重，消除燃煤鍋爐污染的工作任重道遠(yuǎn)。采用水源熱泵技術(shù)，是解決冬季清潔供暖的重要措施。水源熱泵技術(shù)的基本原理可以理解為將夏季的熱能儲(chǔ)存在地下，供冬季使用；將冬季的“冷”能儲(chǔ)存在地下供夏季使用。是一種“季節(jié)儲(chǔ)能”系統(tǒng)。
冰蓄冷技術(shù)是一種“日儲(chǔ)能”系統(tǒng)。它可以轉(zhuǎn)移大量的日間高峰電力到夜間低谷時(shí)段使用，充分利用電網(wǎng)的日夜電差價(jià)，因而是用戶的最佳選擇。如普及結(jié)合水源熱泵和蓄冰空調(diào)技術(shù)到北京市的商業(yè)建筑上，將對(duì)華北地區(qū)整個(gè)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整將起到重要作用；同時(shí)可取代大量的燃煤鍋爐，對(duì)北京地區(qū)的環(huán)境治理也將起到重要作用。因此，水源熱泵技術(shù)與蓄冰技術(shù)的結(jié)合必然具有廣闊的經(jīng)濟(jì)前景和重大的社會(huì)效益。