江水源热泵和冰蓄冷离心式冷水机组绿色节能技术

　引言
　　上海世博文化中心是世博园区永久性建筑之一，秉承了上海世博会“城市，让生活更美好”的绿色主题。设计按照3R(Reduce，Reuse & Recycle)原则，以“建筑、环境与人的和谐互动”作为核心理念，严格参照《绿色建筑评价标准》，采用了江水源热泵系统、冰蓄冷系统、可再生环保空调冷热源、高效低泄漏制冷剂、气动垃圾回收系统、空调凝结水与屋面雨水收集系统、程控型绿地节水灌溉系统等节能环保技术，实现了新能源利用、节地、节能、节水、资源回收和再利用的统筹安排，使得文化中心成为名副其实的绿色建筑，并于2009年11月获得国家“三星级绿色建筑设计标识”[1]。
　　工程概况
　　 冷热源系统
　　世博文化中心在世博会期间为24小时运行，占地面积6.7万平方米，总建筑面积14万平方米，其中地上为单层的18,000座多功能剧场及环绕主场馆的周边六层建筑，地下为两层建筑。夏季空调最大设计冷负荷为14950kW(4250Rt)，冷负荷指标为119W/m2;冬季空调最大设计热负荷为9200kW，热负荷指标为74W/m2。

　　文化中心毗邻黄浦江边，根据水文资料，黄浦江水表层温度夏季为26~32℃，中下层水温只有15~22℃;冬季表层最低温度为3~8℃，中下层水温为10~15℃[2]。江水的温度特性使得黄浦江水成为水源热泵的理想热源，不过由于江水水质属于V类，水中杂质比较多，需要使用防腐措施，但是结合世博园区的水过滤系统恰好可以满足需求。
　　采用江水源作为空调系统冷热源，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移，可大幅降低用户的能源使用费用，减轻环保压力。


　　考虑到本项目夏季冷负荷比冬季热负荷大很多，而夜间冷负荷需求又较小的特性，世博文化中心采用了江水源热泵和冰蓄冷空调相结合的方案。夏季夜间在满足冷负荷需求同时可以利用夜间低谷电力蓄冰，日间电力高峰时使用蓄冰的冷量和江水源热泵机组联合运行，实现日间的冷量供应。冬季江水源热泵制热可满足约55%总热负荷量，其余使用锅炉辅助制热。
　　该系统配置共采用了5台三级压缩离心式冷水机组，其中3台为650Rt的江水源双工况蓄冰离心式冷水机组，另2台为650Rt的江水源热泵离心式冷水机组。夏季供空调冷水6℃/13℃，采用了大温差小流量方案，进一步节省运行费用;冬季则提供40℃/45℃的空调热水。
　 　三级压缩离心式冷水机组
　　本项目采用的三级离心式冷水机组，能提供超常压头和超常的负荷调节范围，不仅冬季可以提供高温热水，而且夏季也可以实现制冰工况与制冷工况的安全切换，这是常规的单级离心式冷水机很难完成的。另外与螺杆机组蓄冰相比，离心机具有单机制冷量大、效率高的优点，不仅能节省工程的初投资，而且还可以节约系统的运行费用，其投资回收年限远短于螺杆机。
　　世博文化中心采用的三级压缩式离心机组为电机与压缩机直接传动，无齿轮传动的损耗，机组运行可靠，且具有变流量补偿功能，其变流量范围更宽广，极其适合应用于大温差小流量系统，这样进一步节省了冷水系统整体运行能耗。
　　世博文化中心采用的三级压缩式离心机组使用了环境友好型制冷剂 R123。根据国标《制冷剂编号方法和安全性分类》新版GB/T 7778-2008的定义， R123和R134a都是环境友好型的制冷剂，都可以在美国绿色建筑协会的LEED评价标准中获得评分。但是R123采用负压运行，冷媒泄漏量小,从臭氧层破坏、温室效应、高效节能、短的大气寿命等几个方面综合评价，R123机组对环境的综合影响要比R134a机组小。
　　 江水源冰蓄冷系统
　　本项目中的冰蓄冷系统采用了3台三级压缩离心式冷水机组，单台空调工况(6℃/13℃)制冷量为2286kW(650Rt)COP=5.1，制冰工况(-2.3℃/-5.6℃)制冷量为1498kW(426Rt)COP=4.4;蓄冰装置总蓄冰量为32000kWh(9098Rth)，占设计日空调总冷量的20%。载冷剂采用体积比为25%的乙二醇溶液。
　　冰蓄冷系统在控制上采用了成熟的分量蓄冰，设计采用主机优先的运行策略，部分负荷时可融冰优先运行。
　　空调冷却水直接使用分级过滤处理后的江水，减少了污垢，提高了换热效率。同时，机组换热器中采用铜镍合金管，加强了防腐功能，并配备自动清洗装置，提高了机组长期运行的可靠性和性能稳定性。
　　 江水源热泵系统
　　本项目的江水源热泵系统采用了2台2286kW(650t)三级压缩离心式热泵冷水机组，夏季江水设计温度为30℃/35℃，提供6℃/13℃的空调冷水，COP=5.1;冬季江水设计温度为6.77℃/3