2.7 楼宇冷热源系统
2.7.1 概述
冷源主要应用于三个方面，即空气调节、食品冷藏（肉、鱼、禽等食品的低温保温储存）和某些生产工艺需要的低温环境，以保证生产过程的顺利进行。冷源系统包括冷冻机组、冷冻水系统、冷却水塔和冷却塔组，投资与耗能大，故强调设计合理，运行节能。
采暖地区的热源供热大体有两种方式，一种是集中供热，其热源来自热电厂、集中供热锅炉厂等，另一种是由分散设在一个单位或一座建筑物的锅炉房供热（指热水和蒸汽及一般用于生活热水和空调）。智能楼宇需配备现代化的锅炉房，作为空调、采暖、生活热水供应，以及厨房、卫生等供热的热力站。锅炉燃烧装置能全自动启动，程序控制，自动点火、燃烧监察联锁保护。锅炉点火后，10min即可达到额定工作压力，起动快、停炉方便、动作灵敏、噪声小。
燃气发动机驱动热泵系统（GEHP）如图2-45所示。燃气发动机直接驱动热泵的压缩机，热泵冷凝器的冷凝热作为热源供采暖或供热水，蒸发器则作为冷源为建筑物供冷或制冰。GEHP由于有蒸发热、冷凝热、发动机排热三种热量可以利用，因此用它可以实现冷暖空调、冷冻、供热水、除湿等多种功能。在冬季工况下，GEHP在室外气温低的时候可以充分利用发动机的排热，其供热能力和效率不受室外气温的影响。在低温高湿度的场合，GEHP系统可利用发动机排热供给循环热水来维持室温，也可以在室外热交换器上设循环热水盘管作除霜用，不需要逆循环。
图2-45 燃气发动机驱动热泵系统
2.7.2 楼宇冷热源系统节能技术
（1）热泵技术
热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。现在我国主要利用的热泵技术，按低位热源分为：水源（海水、污水、地下水、地表水等）热泵，地源（包括土壤、地下水）热泵以及空气源热泵。地源热泵系统分类见图2-46。
图2-46 地源热泵系统分类
热泵可以从低温热源中提取热量用于供热。热泵的供热量远远大于它所消耗的机械能，所以说热泵技术是一种低温余热利用的节能技术。其工作原理见图2-47。
图2-47 热泵工作原理图
由于地源热泵系统采取了特殊的换热方式，使它具有普通中央空调和锅炉不可比拟的优点。
①高效节能 与锅炉供热系统相比，土-气/水型地源热泵系统的转换效率最高可达4.7，而锅炉供热只能将90％以上的电能或70％～90％的燃料内能转换为热量供用户使用，因此它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量，运行费用为各种采暖设备的30％～70％。
由于土壤（水体）的温度全年稳定在10～20℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.7，与传统的空气源热泵（家用窗式和分体式空调、中央式风冷热泵）相比，要高出40％以上，其运行费用仅为普通中央空调的50％～60％。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得（水）地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，从而达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40％～60％。
②绿色环保 地（水）源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无废气、废渣、废水的排放，可大幅度地降低温室气体的排放，能够保护环境，是一种理想的绿色技术。
③同时供暖制冷 地（水）源热泵系统可做到同时有的房间或区域制冷，有的房间或区域供暖，这对大型商业建筑尤其重要。采用传统中央空调系统只有使用造价极其昂贵的四管空调系统才能做到，而土-气型地源热泵不需增加任何设备便可做到。
④系统可靠性强 每台机组可独立供冷或供热，个别机组故障不影响整个系统的运行。机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。
⑤使用寿命长 地（水）源热泵机组为15年，而，家用空调设计寿命8年，燃气锅炉为10年。
⑥维护费用低廉 地（水）源热泵系统不带有室外安装的设备，不设冷却塔、屋顶风机，没有室外设备，安装维护费用。压缩机工作稳定，不会出现传统设备中制冷剂压力过高或过低的现象。其维护费用大大低于传统中央空调。
（2）冰蓄冷技术
冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来，可以减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量，它是一种“日储能”系统，可以转移大量的日间高峰电力到夜间低谷时段使用，充分利用电网的日夜电差价，具有削峰填谷、平衡电力负荷；改善发电机组效率、减少环境污染；减小机组装机容量、提高电网用电负荷率、节省空调用户的电力花费和改善制冷机组运行效率等特点。
2.7.3 应用实例
北京天创世缘大厦于2002年9月建成，其冷热源系统采用国内首项冰蓄冷技术和水源热泵技术的联合运行系统。这种方式可避免冰蓄冷和热泵两种相对独立技术的局限性——冰蓄冷技术只能应用于夏季空调季节，可以起到削峰填谷的效益，但无法提供冬季的采暖。同样，水源热泵技术虽然可以同时提供冬季采暖和夏季制冷，但却无法在夜间电力低谷时段蓄得冷量，以起到削峰填谷的功效。
天创世缘大厦总建筑面积170000m2，其中建筑物底商为大型商业设施，空调面积为40000m2，需安装中央空调系统，以满足夏季制冷和冬季采暖的要求，采用水源热泵及蓄冰技术后，既可以达到上述要求，又要使得整个空调系统做到最大限度地节约能源和运行费用。
天创世缘夏季空调最大设计冷负荷为6050kW，冬季空调最大设计热负荷为4000kW。系统首先考虑采用开采地下含水层中的恒温的地下水在夏季来冷却水-水热泵机组的冷凝端，再通过水-水热泵机组进行制冷。同时，冬季可利用地下含水层中的恒温的地下水提供低位热源，再由水-水热泵设备提升至高位能源进行采暖使用。冬季由于采用了大量的地下水中的免费的能源，使得运行成本得到大大降低。
另外，根据天创世缘夏季制冷负荷情况的特点，夏季制冷负荷比较冬季采暖负荷大得多，因此如单纯采用水-水热泵系统，会使得所需的地下水用量较大，需开采水源井11口，受到具体钻井条件的限制。考虑到天创世缘大厦的商业性质，在后夜电力低谷时段不需要空调，因此考虑蓄冰式空调方案，该系统利用夜间低谷电力蓄冷，日间电力高峰时段由所需得的冷量与水水热泵机组联合运行，向空调末端提供冷量。使得地下水在全日内得到平均的分配使用，因而只需钻凿水源井7口，3抽4灌，大大节约钻凿水源井量。同时，由于大量使用了后夜低谷电，代替了日间电力高峰时段的用电量，所以夏季运行费用也得到了大大降低。
该项技术充分利用了地下水是恒定的、可再生的能源的特点，并通过电力实现了冬季采暖、夏季制冷的两项功能。被利用能量后的井水完全回灌回地下，对井水无污染、无浪费。整个水源热泵及蓄冰空调系统冬季最大用电量为1407kW，并能满足冬季采暖的需求；夏季日间最大用电量为1125kW，夜间最大用电量为815kW，日间蓄冰系统启用，满足日间空调的需求，整个系统削峰填谷效果明显。
工程设计时根据北京天创世缘夏季24h空调负荷情况，夏季采用水源热泵加蓄冰空调方案，选择6台580kW三工况水源热泵主机（蒸发器冷冻水供、回水工况为6.8～10.5℃，再由蓄冰设备冷却到4℃，空调系统供回水温度为7～12℃），夜间蓄冰，日间与蓄冰设备联合供冷。经过蓄冷系统选型软件计算，得出该工程的系统的最佳配置，系统能量分配如下。
a.6台三工况水源热泵主机日间空调工况最大能量输出：3480kW；
b.6台三工况水源热泵主机夜间制冰工况能量输出：2262kW；
c.蓄冷设备夜间储存的可利用冷量：18096kW·h；
d.蓄冷设备日间溶冰最大输出能量：2570kW；
e.蓄冷设备削减制冷高峰时段负荷：42.5％。
采用水水热泵及蓄冰夏季空调系统运行策略如下。
a.8:00～22:00：6台水源热泵机组空调工况运行。
b.8:00～20:00：蓄冰设备溶冰输出，与水源热泵联合供冷。
c.23:00～7:00：水源热泵机组制冰工况运行，8h向蓄冰设备蓄冷量。
6台水源热泵机组的冷却水源由地下水提供，可代替冷却水塔。
采用水-水热泵及蓄冰冬季空调系统运行策略如下：6台水源热泵机组联合运行，用地下水所提供的免费的自然可再生能源，提取其热量，供应给整个大楼进行采暖，6台机组总供热量为4200kW。
根据方案设计，选用6台水-水热泵机组，共需15℃的地下水330m3/h，夏季作为冷却水源，地下水最大供回灌温度为15～26.3℃；冬季作为低位热源，地下水供回灌温度为7.2～15℃。故需打出水井3口，回灌水井4口，总出水量为330m3/h。
该系统总体投资1013万元，与常规制冷系统相比较增加了约56万元的投资，共打井7口，并可满足冬夏的需求。冰蓄冷系统年经常运行费用比常规水-水热泵系统节约40万元。
冬季，水源热泵运行费用与常规市政热力进行比较，以冬季运行120天，每天运行12h计算，市政热力费用为60元/m2（商场的层高均超过4m），则整个冬季运行费用为240万元，与水源热泵系统相比较，水-水热泵系统冬季运行费用分三个阶段分别进行计算，首先为初寒期和末寒期，约为40天，每天运行12h，负荷系数为0.6，则运行费用约为32万元；然后为中寒期，约为60天，每天运行12h，负荷系数为0.8，则运行费用约为65万元；最后为严寒期，约为20天，每天运行12h，负荷系数为0.95，则运行费用约为25万元。故整个冬季水源热泵运行费用为122万元。比常规市政热力系统节约118万元。
水源热泵加蓄冰系统与常规电制冷加热力供暖系统相比，年运行费用可节约158万元。虽然初次投资略有增加，但投资增加部分很快得以回收。该工程得到电力部门的支持，退还电力贴费240万元，故实际工程总投资仅增加56万元。如果不考虑此项费用，实际投资需增加296万元。但是，年节约运行费158万元，仅需两年即可回收增加的初投资。