基于节能理念下北方地区热（冷）源系统的设计探究

基于节能理念下北方地区热（冷）源系
统的设计探究
摘要结合我国北方地区的气候特点，针对实际工程，提出了通过电蓄热热源
系统替代化石能源燃烧热源系统。

介绍了电蓄热系统或与空气源热泵联合运行系
统的工作原理与节能原理，在分析建筑冬季热负荷动态特性的基础上计算了系统
的节能性。

结果表明，电蓄热系统供热节约电费率平均可达到18.2%，可有效起
到地削峰填谷的作用，具有较好的节能性、经济性和广阔的应用前景。

关键词：节能设计；电蓄热系统；动态负荷特性；经济性
1工程概况
辽宁省某县级城市国网办公楼（以下简称项目一）建筑面积580m2，建筑用
途为办公楼与收费大厅，末端散热设备为钢制散热器，冬季供暖时间段8:30～17:00，冬季室内供暖设计温度18℃～20℃。

建筑外墙保温不好，围护结构传热
系数较大，且建筑体型系数大、门窗缝隙大，故而项目冬季热负荷较大。

辽宁某县级市新建九年制学校（以下简称项目二）建筑面积2800m2，建筑用
为教学楼，末端散热设备为钢制散热器，冬季供暖时间段7:00～17:00，冬季室
内供暖设计温度18℃～20℃。

项目于2019年新做外墙保温与门窗更新，外围护
结构热负荷较小，且日间上课期间教室学生人数较多，人员热负荷较小，但有定
时的通风换气需要，新风热负荷较大。

辽宁沈阳浑南区某绘画培训学校（以下简称项目三）建筑面积1200m2，建筑
用途为办公楼与画室，末端散热设备为风机盘管，冬季供暖时间段6:00～22:30，冬季室内供暖设计温度20℃～24℃。

画室冬季室内温度要求较高，且建筑窗墙比
较大，冬季采暖热负荷较高，同时项目有夏季空调需求，夏季室内空调设计温度26℃～28℃。

三个项目冬季低谷电时段皆为21:00～7:00（共10h）
2负荷特性分析
传统的暖通空调设计大多是基于额定工况的静态设计，由于本次设计采用蓄
热系统为末端设备提供冷热源，为合理地进行系统设计，利用建筑环境设计模拟
工具对建筑的供暖期（供冷期）内典型日24h的动态负荷进行了计算分析。

项目
一最大热负荷49.3kW，最大热负荷时间为 1月典型日05:00～06:00时，累计热
负荷286kW。

项目二最大热负荷205kW，最大热负荷时间为 1月典型日05:00～06:00时，累计热负荷2513kW。

项目三最大热负荷106kW，最大热负荷时间为 1
月典型日05:00～06:00时，累计热负荷1720kW，最大冷负荷120kW。

三个项目的供暖负荷特点都是供暖需求为间歇性的，与居住建筑连续稳定供
暖不同，它们仅需在工作时间供暖，夜间、假期都不需要供暖，可在安全、稳定
的自动控制基础上结合项目实际运维人员手动季节或周期调节，打造一个独立的
小型控制系统，实现智慧供热（冷）运行。

3系统设计与节能原理
项目一设计采用电磁加热锅炉+蓄热水箱系统，采用全蓄热系统形式，系统
蓄热时间为10h，低温供暖时间为14h（17:00～次日7:00），常温供暖时间为
10h（5:30～次日15:00），供暖系统常温供暖供回水温度为65℃/45℃，供暖系
统低温运行供回水温度为45℃/20℃。

设计选用电磁感应锅炉功率60kW、蓄热水
箱有效容积24m3，蓄热水箱最高蓄热温度85℃。

项目二设计采用固体蓄热电锅炉系统，系统蓄热时间为10h，低温供暖时间
为14h（17:00～次日7:00），常温供暖时间为10h（6:00～次日16：00）。

设
计供暖系统常温供暖供回水温度为75℃/50℃，供暖系统低温运行供回水温度为50℃/30℃。

蓄热体的上、下限温度为750℃/150℃，计算理想蓄热温差为600℃，实际蓄热温差约为480℃，计算加热元件的额定输入功率为246kW,蓄热体组的质
量为1905kg，额定输出功率为200kW。

项目三设计采用空气源热泵+电磁加热锅炉+蓄热水箱系统，冬季供暖初期与末期供热工况采用空气源热泵夜间利用低谷电蓄热蓄热温度60℃，当蓄热热能不满足使用要求时，日间可使用空气热泵机组在平电时段直供补热，设备供回水温度45℃/35℃。

冬季供暖中期供热工况采用电磁加热锅炉夜间蓄热，日间由蓄热水箱供热，系统供回水温度60℃/50℃。

夏季使用空气源热泵为空调系统提供7℃/12℃的冷冻水，当区域用电负荷较大时，采用低谷电对水箱蓄冷，水箱蓄冷冷水温度为5℃。

选用空气源热泵额定制热量为120kW，额定制冷量为150kW，电磁加热锅炉额定功率为200kW，蓄热水箱有效容积为50m3，蓄热水箱最高蓄热温度85℃。

4系统经济性分析
项目初投资与运行费用如下表：
通过比较三个项目热源改造前后的运行费用，三个项目的运行成本均低于改
造前的运行成本，方案设计经济合理的。

从整个电力供应层面上分析，由于光伏和风电的日益提高的渗透率，使得传
统电网供应追随需求的运行模式转变为不断调节需求以追随波动的发电模式。

热
泵结合水蓄热系统正是这样一种调节方式，利用建筑物的蓄热特性和热惰性，可
以使电力消耗与建筑的热需求无关，提高了电网运行的稳定性、可靠性和灵活性。

5结论
1.
电磁加热锅炉+水蓄热系统初投资相对较低，蓄热温差小，故而占地面积大。

本项目采用的低温水蓄热系统为开式系统，蓄热水箱顶部有人孔、通气孔，故而
热损失较大。

2.
固体蓄热电锅炉的计算指标和性能指标不同于燃煤、燃气锅炉，额定输出热
功率、热效率等指标必须按产品的特点定义。

设备选型应以固体蓄热电锅炉的额
定输出热功率而非额定输入电功率为依据。

固体蓄热电锅炉在放热阶段前期输出
热功率大于供暖热负荷，可以快速提高室内温度，补充因夜间低温运行导致的室
温降低，项目二原有变压器容量仅满足日常教学用电使用，选用一次侧电源可以
直接从10kV电网引入的固体蓄热锅炉可避免电力增容，是较为经济的选择。

3.
在实际应用过程中证实，大多数空气源热泵在当室外温度低于-10℃时，热
泵的制热性能系数多处于2.0以下，将空气源热泵技术与电磁加热锅炉结合使用，采暖季初期与末期使用空气源热泵制热，采暖期中期使用电磁加热锅炉与蓄热水
箱低谷电蓄热系统供热，夏季使用空气源热泵供冷，这种双热源的方式能够有效
提高系统的整体的节电率，由于两种热源的温度变化范围不一致，二者存在较大温差，对系统的自动控制有较高的要求，但可以解决夏季有空调需求的项目对冷源的需要。

参考文献
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