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1、 医院地源热泵结合蓄冰系统设计方案（项目编号： ） 2011年4月15日目 录1 项目概况12 方案设计22.1 方案设计思路22.2 蓄冰方式22.3 系统设计42.4 CIAT冰蓄冷系统的组成52.5 运行方式72.5.1、三工况机组蓄冰72.5.2、三工况机组单独供冷72.5.3、蓄冰设备单独供冷82.5.4、机组和蓄冰设备联合供冷92.6 冰蓄冷系统设备选型计算112.7 土壤换热器负荷估算123 冰蓄冷空调系统运行策略说明134. 投资分析184.1蓄冰系统机房主要设备投资：184.2常规冷水机组机房主要设备投资194.3 北京市蓄能空调电价政策201 项目概况1) 概况：现代化医院
2、一般包括住院部、技术部、门诊部等，本次设计按20000平米医院考虑，住院部夜间负荷占总负荷30%。2) 设计制冷采暖负荷：总体负荷暂定如下：l 夏季冷负荷约：2000kW(100W/m2)l 冬季热负荷约：1500kW(75W/m2) 夏季典型设计日负荷图如下：3) 预计夏季使用时间： 100%负荷8天75%负荷45天50%负荷52天25%负荷35天 共计140天4) 预计冬季使用时间： 120天2 方案设计2.1 方案设计思路根据建筑物逐时空调负荷情况，门诊楼、医技部等负荷绝时间都在白天，夜间23点后低谷电时段负荷主要为住院楼等夜间负荷，所占比例为总负荷的2535%，本方案考虑采用地源热泵机
3、组加冰蓄冷方案，冰蓄冷设备采用CIAT生产的空调用AC.00型蓄冰球。2.2 蓄冰方式蓄冰空调按负荷分配不同分为两种形式：全负荷蓄冰和部分负荷蓄冰。全负荷蓄冰是将电力高峰时段的冷负荷全部转移到低谷和平峰时段，用电高峰时段制冷机不运行，供冷量全部由电力低谷和平峰时段蓄冰设备蓄存的冷量来承担。运行费用显著降低，但需配置较大的制冷机和蓄冰装置，设备投资较高，且蓄冰装置占地面积大。全负荷蓄冰负荷分配如下图所示，全天所需冷量B全部由低谷和平峰时段所蓄存的冷量A+C供给。部分负荷蓄冰是将电力高峰时段的冷负荷部分转移到低谷和平峰时段，即电力高峰时段所需的冷量部分由蓄冰设备供给，部分由制冷机供给。用户初投资和
4、运行费用均较低。部分负荷蓄冰的负荷分配如下图所示，高峰时段所需部分冷量B2由制冷机直接提供，部分冷量B1由低谷和平峰时段蓄冰设备所蓄存的冷量A+C供给。根据本工程特点，为节省初投资，本工程冰蓄冷系统的方式选用负荷均衡的部分蓄冰，冰蓄冷系统采用温差可以较大的主机上游的串联系统，同时蓄冰设备选用法国西亚特公司生产的冰球蓄冰装置。由于乙二醇水溶液的温度较低，可以保证板式换热器为系统提供7.0出水的同时有较高的效率和较低的初投资。在典型设计日空调冷负荷由冷水机组和蓄冰设备共同承担，非典型设计日通过优化控制来满足冷负荷需求并将系统耗电量降低到最小。2.3 系统设计冰蓄冷系统常用的有两种布置方式，串联系统
5、和并联系统。目前国内较为常用的系统多为串联系统，因为串联系统只要控制蓄冰设备的出口温度即可，而并联系统需要控制主机出口和冰槽出口两个温度，对于自控要求远远大于串联系统，考虑到该项目的整体投资，本系统采用串联系统主机上游的形式，提高主机的运行效率，日间，地源热泵机组空调工况运行，与蓄冰设备联合供冷。夜间，三工况机组蓄冰工况运行。该系统热泵机组与蓄冰设备联合供冷时，乙二醇溶液首先经过热泵机组在空调工况下降温以保持较高效的制冷效率，再经蓄冰槽的冷却使乙二醇溶液的温度进一步降低，这样板式换热器的进出口处乙二醇溶液可以达到较大的温差，从而使在相同的负荷条件下，串联系统乙二醇溶液的流量较小，因此在相同的条
6、件时串联系统的乙二醇循环泵小于并联系统，使串联系统的设备投资和运行费用都优于并联系统。而且串联方式管路简单、运行可靠。蓄冰主机乙二醇泵板式换热器用户冷热水循环泵C乙二醇侧冷冻水侧V5蓄冰装置MCCMCV3V4V2V1V6图中的符号说明：V1、V2、V4、V6均为电动二通双位阀，调节乙二醇流动方向；V3、V5为电动二通调节阀，为该系统的核心部件，可以精确控制进入板式换热器的乙二醇温度。2.4 CIAT冰蓄冷系统的组成上图为STL冰蓄冷中央空调系统的示意流程图，从图中我们可以看出STL冰蓄冷中央空调系统主要由以下几大部分组成：A. 三工况冷冻机：机组必须具备两种工况下运行的能力，即蓄冰工况（-6出
7、液）和空调工况（5出液）。CIAT可为此配备的制冷机常用的有以下几种类型：三工况风冷热泵机组三工况双螺杆机组B. 蓄冰球：CIAT可提供相变温度范围为-3327的各种蓄冰球。用于中央空调的为AC00（直径98mm）和S00（直径77mm）型，单位蓄冷量约为5万大卡/m3。本项目我们选择AC00蓄冰球。C. 蓄冷罐：CIAT蓄冷罐形式多样，有立式、卧式及方形，尺寸可自由组合，内置高效散流器。可安装于室外、室内或地下，可现场制作、工艺简单、水流压降小。D. 板式换热器： 板式换热器一次侧载冷剂为25%乙烯乙二醇二次侧载冷剂为水E. 水泵：乙二醇溶液泵要求机械密封、连续运行性能好，建议选用进口或合资
8、水泵，如德国WILO、美国PARCO、丹麦格兰富等知名品牌。如采用国产水泵需注意其性能要求。2.5 运行方式2.5.1、三工况机组蓄冰三工况机组蓄冰（23:007:00）该时段为北京的电力低谷期，根据蓄冰系统的优化原理，三工况机组在电力低谷时段充分利用当地的低价电运行制冰。在该时段内三工况机组满负荷运行，通过低温的乙二醇溶液将蓄冰设备内的水制成冰。三工况机组在蓄冰工况下运行时，乙二醇溶液在三工况机组和蓄冰设备之间循环，随着蓄冰量的增加和时间的推移，制冷机的出口温度逐步降低。当蓄冰设备的蓄冰量达到要求时，三工况机组自动停止蓄冰工况运行，或转为供冷工况运行。蓄冰主机乙二醇泵板式换热器用户冷热水循环
9、泵C乙二醇侧冷冻水侧V5蓄冰装置MCCMCV3V4V2V1V6主机蓄冰工况运行工况V1V2V3V4V5V6主机主机蓄冰关开关开开关开2.5.2、三工况机组单独供冷三工况机组单独供冷空调冷负荷结构改变时，为了将蓄冰设备的冷量尽量用于电力高峰时段，在平峰时段内的冷负荷可以适当由三工况机组单独提供。这时蓄冰设备与系统隔离开，三工况主机在空调工况运行，通过板式换热器向空调系统提供冷冻水。蓄冰主机乙二醇泵板式换热器用户冷热水循环泵C乙二醇侧冷冻水侧V5蓄冰装置MCCMCV3V4V2V1V6主机单独供冷工况运行工况V1V2V3V4V5V6主机主机单独供冷开关关关开开开2.5.3、蓄冰设备单独供冷蓄冰设备单
10、独供冷在负荷较低的时段，为了避免在电力高峰期内开启主机以及主机的低效运行，该时段内蓄冰设备的总融冰供冷量为空调系统负荷的全部。根据优化控制原则，为了减少运行电费，该时期的冷负荷由蓄冰设备单独提供，双工况机组只在电力低谷段运行蓄冰，白天停止运行。在该工况下蓄冰设备里的冰融化，提供4的乙二醇水溶液进入板换,板换的另一侧为空调系统提供7的冷冻水。蓄冰主机乙二醇泵板式换热器用户冷热水循环泵C乙二醇侧冷冻水侧V5蓄冰装置MCCMCV3V4V2V1V6蓄冰装置单独供冷工况运行工况V1V2V3V4V5V6主机蓄冰装置单独供冷开关调节关调节开停2.5.4、机组和蓄冰设备联合供冷三工况机组和蓄冰设备联合供冷，通
11、常在空调冷负荷较大时段使用，为了尽量减少系统的电力运行费用，冷负荷由双工况机组与蓄冰设备联合供冷。在该时段内双工况机组处于空调工况，双工况机组出口的乙二醇和蓄冰设备融冰后的乙二醇溶液混合进入板换。在非标准设计日内，空调冷负荷有适当减小，通过优化控制实现蓄冰设备的有效融冰并保证满足系统内的冷负荷需求。蓄冰主机乙二醇泵板式换热器用户冷热水循环泵C乙二醇侧冷冻水侧V5蓄冰装置MCCMCV3V4V2V1V6主机和蓄冰装置联合供冷工况运行工况V1V2V3V4V5V6主机主机和蓄冰装置联合供冷开关调节关调节开开2.6 冰蓄冷系统设备选型计算1、三工况冷机除基载外根据设计日供冷负荷QH（KWh）计入站内设计
12、日附加冷负荷等于制冷机组总制冷量（KWh）则： QH=HCCC+HDfCDf 式中 HC蓄冷装置蓄冰时间，h;CC制冷机组在蓄冰工况运行的容量（制冷能力），KW;CDf非电力谷段制冷机组供冷工况运行的容量，KW；Hdf非电力谷段制冷机组供冷工况运行的时间，h;制冷机组标定容量 NCC=QH / （HCCRC+HDf） 式中 CRC制冷机组蓄冰工况下的容量系数；HC蓄冷装置蓄冰时间，h;Hdf非电力谷段制冷机组供冷工况运行的时间，h;首先根据系统热负荷选择主机，满足系统热负荷后，根据蓄冰供冷量与主机供冷量的分配比例校核。本方案选择1台西亚特LWP系列三工况热泵主机，制冷量为840kw，制热量87
13、5kw。选择1台西亚特LWP基载热泵主机，制冷量为600kw，制热量625kw。2、蓄冷装置的有效容量：制冷机组蓄冰工况下的容量系数为0.65，制冰量为546KW，根据主机制冷能力，8小时可提供4368KWH冷量，选用80立方米蓄冰球。2.7 土壤换热器负荷估算该埋管区域岩土层的综合换热能力能够符合常规设计要求，适合使用地埋管地源热泵空调系统。对于本项目，首先从空调冷热负荷、地质条件与土壤单位换热量来决定系统的各类设备的装机容量的大小，确定地埋管换热器长度除要知道地埋管施工可利用面积外，还需要知道系统配置、管材、地层物性参数资料等。在实际工作中，地埋管换热器总长度则可通过单位孔深换热量来计算。
14、在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域地质条件深层岩土热物性的测试情况、当地地层初始温度、气象条件以及建筑物特性，在地源热泵运行的额定工况下，我们估算在5m间距情况下地埋管换热器冬季的提取热量可达4050W/m，夏季的释放热量可达6070W/m。确定地埋管换热孔孔深为120m；换热孔间距按5m考虑。冬夏季计算表夏季选型计算表夏季散热量单井双U地埋管换热量地埋管换热孔总长井深井数量kWW/mmm口空调系统17007024286120200冬季选型计算表冬季提取热量单井双U地埋管换热量地埋管换热孔总长井深井数量kWW/mmm口空调系统11905023800120198根据上表的结果，最终以冬季为准
15、。土壤换热器系统配置表埋管形式孔径井间距井深井数量修正占地面积埋管材质回填料mm口单孔双U150 5 120 2005000PE-100专用回填料3 冰蓄冷空调系统运行策略说明 基载主机最大能量输出： 600kw 三工况主机最大能量输出：840kw 夜间制冰工况制冷量： 546kw 蓄冷设备夜间储存的可利用冷量：4368KWH 蓄冷设备日间溶冰最大输出能量：660KW 蓄冷设备最大削减制冷高峰时段容量：3340 CIAT蓄冰球的体积：80m3蓄冰空调夏季设计日冷负荷平衡图表(单位:KW)时段总冷负荷基载供冷双工况供冷蓄冰槽供冷双工况蓄冷01:00-02:00600 600 00 -54602:
16、00-03:00500 500 00 -54603:00-04:00500 500 00 -54604:00-05:00600 600 00 -54605:00-06:00600 600 00 -54606:00-07:00600 600 00 -54607:00-08:001041 600 4410 08:00-09:001340 600 7400 09:00-10:001340 600 7400 10:00-11:001440 600 420420 11:00-12:001680 600 420660 12:00-13:001799 600 420779 13:00-14:002000 6
17、00 840560 14:00-15:002000 600 840560 15:00-16:001841 600 840401 16:00-17:001620 600 840180 17:00-18:001580 600 840140 18:00-19:001480 600 420460 19:00-20:001200 600 420180 20:00-21:001000 600 4000 21:00-22:001000 600 4000 22:00-23:00800 600 2000 23:00-24:00600 600 00 -54624:00-01:00600 600 00 -546总计
18、27761 14200 9221 4340 -4368 蓄冰夏季设计日75%冷负荷平衡图表(单位:RT)时段总冷负荷基载供冷双工况供冷蓄冰槽供冷双工况蓄冷01:00-02:0045045000-54602:00-03:0037537500-54603:00-04:0037537500-54604:00-05:0045045000-54605:00-06:0045045000-54606:00-07:0045045000-54607:00-08:00781600018108:00-09:001005600040509:00-10:001005600040510:00-11:00108060004
19、8011:00-12:00126060042024012:00-13:00134960042032913:00-14:00150060042048014:00-15:00150060042048015:00-16:001381600781016:00-17:001215600615017:00-18:001185600585018:00-19:001110600051019:00-20:00900600030020:00-21:00750600015021:00-22:00750600015022:00-23:006006000023:00-24:0045045000-54624:00-01:
20、0045045000-546总计208211305036614110-4368 蓄冰夏季设计日50%冷负荷平衡图表(单位：KW)时段总冷负荷基载供冷双工况供冷蓄冰槽供冷双工况蓄冷01:00-02:0030030000-54602:00-03:0025025000-54603:00-04:0025025000-54604:00-05:0030030000-54605:00-06:0030030000-54606:00-07:0030030000-54607:00-08:005215210008:00-09:0067060007009:00-10:0067060007010:00-11:00720
21、300042011:00-12:00840300054012:00-13:00900300060013:00-14:001000300070014:00-15:001000300070015:00-16:00921600032116:00-17:00810600021017:00-18:00790600019018:00-19:00740600014019:00-20:00600500010020:00-21:00500300020021:00-22:005005000022:00-23:004004000023:00-24:0030030000-54624:00-01:0030030000-
22、546总计13882962104261-4368 蓄冰夏季设计日25%冷负荷平衡图表(单位：KW)时段总冷负荷基载供冷双工况供冷蓄冰槽供冷双工况蓄冷01:00-02:0015015000-54602:00-03:0012512500-54603:00-04:0012512500-54604:00-05:0015015000-54605:00-06:0015015000-54606:00-07:0015015000-54607:00-08:002602600008:00-09:003353350009:00-10:003353350010:00-11:003600036011:00-12:004
23、200042012:00-13:004500045013:00-14:005000050014:00-15:005000050015:00-16:004600046016:00-17:004050040517:00-18:003950039518:00-19:003700037019:00-20:003000030020:00-21:002500025021:00-22:002502500022:00-23:002002000023:00-24:0015015000-54624:00-01:0015015000-546总计6940253004410-4368 4. 投资分析4.1蓄冰系统机房主
24、要设备投资：序号设备名称性能参数电功率生产厂家单位数量单价(万) 合价(万)1三工况主机制冷：840kw155kWCIAT台15555蓄冰：546kw131kW制热：875kw180kW2基载主机制冷：600kw110kWCIAT台14040制热：625kw130kW3蓄能槽90立方钢制蓄冰罐：钢罐、保温、分布器国产式115154蓄冰球CIATm3800.65525乙二醇100%浓度燕山石化t81.086板式换热器换热量：1400kW台118187乙二醇泵200m3/h, 25m 22台21.02.08板换二次负载循环泵241m3/h, 32m45台21.83.69三工况地埋冷却循环泵171m
25、3/h, 32m30台21.53.010基载末端循环泵103m3/h, 32m15台20.81.611基载地埋循环泵122m3/h, 32m15台20.81.612乙二醇补液系统套11.01.013定压补水设备套22.55.014软水设备项13.03.015软化水箱个11.21.216自控系统项1353517系统安装(含管路、阀门等)项1808018配电系统项1505019室外地源井及室外管线井深120m，单孔双U个2000.8160合计5351. 以上报价为暂估价，最终报价要根据施工图确定；2. 初投资费用包括：机房内所有设备的购置及安装，电气系统及自控系统；3. 初投资费用不包括：机房土建
26、费用，泵房土建费用，末端设备费用。4. 冰蓄冷机房设备最大配电为445kw，见下表：序号设备(不计备用)数量单位能耗kW总能耗kW1三工况主机11801802基载主机11301303乙二醇泵122224三工况地埋泵130305负载泵145456基载循环泵115157基载地埋泵115158定压设备2489合计4454.2常规冷水机组机房主要设备投资序号设备名称性能参数电功率生产厂家单位数量单价(万) 合价(万)1常规冷水机组制冷：1000kw200台2701402燃气锅炉制热：750kwCooperfon台222443冷却塔流量：250 m3/h台211224末端冷冻循环泵180m3/h, 32
27、m30台31.54.55冷却循环泵210m3/h, 30m45台31.85.46锅炉末端循环泵130m3/h, 30m15台30.82.47锅炉一次循环泵130m3/h, 16m7.5台30.61.88锅炉用板式换热器换热量：750kw台210209定压补水设备套12.55.010软水设备项13.03.011软化水箱个11.21.212自控系统项1303013系统安装(含管路、阀门等)项1808014配电系统项16060合计419.31. 常规冷水机组机房系统设备最大配电为799kw，见下表：序号设备(不计备用)数量单位能耗kW总能耗kW1常规冷水机组32006002末端冷冻循环泵230603
28、机组冷却泵245904锅炉末端循环泵215305锅炉板换循环泵27.5156定压设备1447合计7994.3 北京市蓄能空调电价政策北京市蓄能空调电网峰谷分时电价表时间范围电价（元/ kW h）尖峰段（7、8、9月）11：00-13：00 20：00-21：001.3033高峰段10：00-11：00 13：00-15：00 18：00-20：001.1933平 段7：00-10：00 15：00-18：00 21：00-23：000.7525低谷段23：00-7：000.33694.3.1、初投资比较，单位(万元)类型地源热泵+冰蓄冷常规系统项目制冷主机95140锅炉044水泵11.814.
29、1板换1520室外地埋孔2000蓄冰设备670冷却塔022其它辅助及安装146.2179.2小计535419.3蓄冰系统增加投资116万4.3.2冰蓄冷系统运行费用分析 对运行成本进行分析时，蓄冰空调系统的耗电量只含冷冻机房中的三工况乙二醇主机、乙二醇泵，地埋水泵，末端循环水泵的电量根据空调系统的全年的负荷特点，做了简化的统计，分为100%负荷8天，75%负荷45天,50%负荷52天，25%负荷35天, 全年合计140天。具体见下表：4.3.3、夏季运行费用分析统计表常规冷机系统年运行费用分析统计表负荷运行天数热泵机组 运行费用热泵机组 运行费用%水泵 运行费用水泵 运行费用%常规系统日运行电
30、费DAYRMB%RMB%日运行费用小计100%负荷运行8 5,005 65% 2,376 31% 8,117 64,932 75%负荷运行45 3,754 59% 2,230 35% 6,628 298,242 50%负荷运行52 2,503 61% 1,394 34% 4,306 223,915 25%负荷运行35 1,251 44% 1,394 49% 2,993 104,738 总计140 382,911 55% 240,636 35% 691,826 地源热泵+蓄冰系统年运行费用分析统计表负荷运行天数热泵机组 运行费用热泵机组 运行费用%水泵 运行费用水泵 运行费用%蓄冰空调日运行电费
31、DAYRMB%RMB%日运行费用日节省%小计100%负荷运行8 4,130 65% 2,222 35% 5,850 28% 46,800 75%负荷运行45 3,076 61% 1,935 39% 4,604 31% 207,180 50%负荷运行52 1,758 52% 1,621 48% 3,084 28% 160,368 25%负荷运行35 614 35% 1,156 65% 1,587 47% 55,545 总计140 284,366 61% 229,603 49% 469,893 冰蓄冷空调夏季运行费用可比常规冷机系统减少22.2万元.4.3.4、冬季运行费用分析统计表地源热泵和燃气
32、锅炉冬季运行费用比较项目水源热泵燃气锅炉能源形式电天然气能源单位kW.hm3单位能源热值kWh19.886效率40.88单位能源制热量kWh48.7建筑面积 m220000平均单位负荷 w/m275采暖负荷 kW1500负荷系数0.75当量小时系数(每天运行时间)10运行天数120供热量 kWh1350000能源消耗（能源单位）337500155172单位能源价格（元/能源单位）0.72.2机组运行费用（万元/冬季）23.634.1辅助设备运行费用（万元/冬季）10.0 9.0 差值（万元）11.5 冰蓄冷空调冬季运行费用可比常规冷机系统空调减少11.5万元全年共节省运行费用33.7万元总结：
33、1.冰蓄冷空调系统制冷设备满负荷运行的比例增大，从而提高了制冷设备COP值和制冷机组的经常运行效率，制冷机组工作状态稳定，提高了设备利用率并延长机组的使用寿命。2.地源热泵结合冰蓄冷系统总投资为535万元，而采用常规冷机系统机房造价约为419万元，机房内的设备投资相差116万元，回收期为 3.4 年.但是机房内可通过蓄冰系统全自动运行，非常适合医院的管理。3.由于设计中，机房负荷30%由冰蓄冷设备提供，因此配电设备将有大幅减少，配电投资可以减少。4.运行费用：采用常规冷机系统系统年运行费用约112元，而采用地源热泵结合蓄冰式系统年运行费用约80.6万元，年节约费用约33.7万元。5.由于电力部门实行峰、谷分时电价政策，所以冰蓄冷中央空调合理利用谷段低价电力，与常规中央空调系统相比，运行费用大大降低，经济效益显著。且分时电价差值愈大，得益愈多。通过近几年北京市发改委公布的电价调整政策来看，在为了峰谷电价差异更大以后，用户将享受更大运行优惠。6.冰蓄冷系统通过蓄冰，增加了一套相对独立的冷源，即使空调机组损坏或者因为电力紧张不允许开机，楼宇都可以提供空调冷气，系统安全性大幅提高。
