一、冷热电三联供意义：
燃气型冷热电三联供系统属于分布式能源，是传统热电联产的一种发展。近年来 ，因其使用的是清洁能源——天然气，平衡了天然气冬季、夏季使用的不均衡性，提高电力供应的安全可靠性，能够缓解夏季制冷用电高峰。世界各国实践表明，发展能源梯级利用的小型热电冷联产是合理、高效地利用天然气资源的最佳手段。
燃气型冷热电三联供系统在国际上已经广泛应用，但是目前在我国还处于起步阶段，已有的几个项目主要集中在北京、上海、广州等地。但其技术成熟，只要系统配置合理，运行时间合理的情况下，能够为用户节约大量运行费用。
本工程为北京某度假村燃气型冷热电三联供能源站系统，三联供系统的好处其他文章介绍的比较多，这里不再赘述，本文主要介绍一下双蒸发器蓄冰热泵机组在冷热电三联供系统中选择、设计情况，以及系统的运行策略、注意事项等。
二、工程概况：
    本能源站供冷热服务对象为2座温室观光大棚（建筑面积分别为3万和3.2万平方米）和8栋独立花园洋房建筑（总面积为2.4万平米）。当发电机组与市电并网时，能源站为园区19.6万平米建筑提供部分电负荷；发电机组为孤岛运行模式，为温室观光大棚、花园洋房和能源站自身用电提供部分电负荷。
空调冷负荷13.56MW，设计供回水温度4/18℃。
空调热负荷9.36MW，设计供回水温度55/40℃。
系统中2台余热回收型溴化锂(全补燃烟气热水型冷温水机)额定制冷量为3.50MW,额定制热量为2.70MW，依靠回收燃气发电机的高温烟气及高温冷却水提供冷热负荷。其余不足部分的冷负荷10.56 MW，热负荷6.66 MW依靠双蒸发器蓄冰热泵机组来补充，热泵机组使用的热源为度假村内人工湖湖水，湖水为中水。
三、双蒸发器蓄冰机组的选择：
双蒸发器蓄冰热泵机组中分别设置空调用蒸发器和蓄冰蒸发器，夏季制冷时：空调系统水、蓄冰用乙二醇溶液各自独立循环。机组在夏季白天作为基载机组运行时，空调系统水无需再经过板式换热器进行换热而是可以直接提供7℃冷冻水，由于省却了中间的换热过程，机组的蒸发温度提高3℃，制冷量提高10.2%，能效比提高6%左右。在冬季，低位热源水同样不需要经过换热器，而是直接进入空调用蒸发器为热泵机组的运行提供热源，同样因为省却了中间中间换热过程，机组蒸发温度至少可以提高3℃，机组制热量提高9.3%，能效比提高6.9%。可见，同等条件下双蒸发器蓄冰热泵机组比普通三工况热泵机组设备型号配置小，节约投资费用，机组COP值高，节省运行费用。另外双蒸发器热泵系统中，板式换热器只需根据蓄冰量的多少来确定，而无须根据总冷负荷来配置，换热面积大大减少，节约了系统投资，冬季制热时因热源水无需再经过二次换热，热源水回灌温度可以更低（最低2℃），降低了热源水的用量，减少了热源水水泵的运行费用。因双蒸发器蓄冰热泵将水源热泵和蓄冰系统优势集于一身，因此本工程经过多方专家论证，决定采用双蒸发器蓄冰热泵机组来补充不足的冷热负荷需求。
目前国内双蒸发器蓄冰热泵有离心式和螺杆式两种热泵可供选择，技术相对都比较成熟。离心式机组单机容量大，同等工况下，满负荷运行时COP值比螺杆式机组高5%左右；离心式机组适合高压配电，如果单纯从冷热负荷需求量和配电系统来考虑，本工程可以选用离心式压缩机，一是离心机组单台容量大，选用台数少，节约机房占地面积；二是使用高压配电系统省去了发电机组输出高压电到低压电的降压系统，节约系统投资。但是离心机组由于是高速运行，不适合工况变化频繁的场合，部分负荷运行时COP值较低，容易发生喘振现象。本工程中双蒸发器热泵机组工况变化频繁，夏季白天、夜间不同工况，冬季白天、夜间又不同工况（后面再系统运行策略中会有详细介绍），机组需要根据不同需求以及负荷变化频繁的转换工作状态，这种条件下螺杆式机组的优势就突显出来，因此经过反复论证，在本工程中了采用螺杆式双蒸发器蓄冰热泵机组。选用的机组型号为GSHP-C1708DD ，数量6台，即可满足空调负荷需求。
机组技术参数如下：

 

热泵机组型号：GSHP-C1708DD		夏季昼 制冷	夏季夜 制冰	冬季昼 制热	冬季夜 制热	单位
热泵机组供冷/热量	Q冷	1.59	1.00	2.05	1.70	MW
热泵机组承压		1.00	1.00	1.00	1.00	MPa
热泵机组蒸发器进水温度	t冷供	14.00		28.00	6.00	℃
热泵机组蒸发器出水温度	t冷回	7.00		20.00	2.00	℃
热泵机组蒸发器水流量		195.00		176.00	302.00	t/h
热泵机组蒸发器水阻力		72.00		75.00	95.00	kPa
热泵机组冷凝器进水温度	t冷却进	24.00	24.00	40.00	20.00	℃
热泵机组冷凝器出水温度	t冷却出	30.00	30.00	50.00	28.00	℃
热泵机组冷凝器水流量		266.00	179.00	176.00	178.00	t/h
热泵机组冷凝器水阻力		75.00	72.00	72.00	72.00	kPa
热泵蒸发器（冰）进水温度	t冷供		-2.00			℃
热泵蒸发器（冰）出水温度	t冷回		-6.00			℃
热泵蒸发器（冰）水流量			250.00			t/h
热泵蒸发器（冰）水阻力			75.00			kPa
热泵机组输入功率		268.00	245.00	406.00	252.00	kW

四、系统运行策略说明：
本工程中冷负荷由烟气热水型冷温水机+冰蓄冷装置+水源热泵机组共同承担；热负荷由发电余热+烟气热水型冷温水机+水源热泵机组共同承担。夏季运行时，烟气热水型冷温水机首先启动，空调冷负荷不足部分依次由蓄冰装置融冰、水源热泵机组进行补充；冬季运行时首先利用发电余热进行供暖，空调热负荷不足部分依次开启冷温水机组、水源热泵机组进行补充。详细运行方案如下：
4.1 夏季制冷
4.1.1系统运行工况说明
螺杆机组+冰蓄冷系统可以通过不同阀门的开、关或调节来实现以下夏季3种不同运行模式，以对用户提供冷负荷。
蓄冰装置融冰供冷模式
热泵机组制冰模式
热泵机组直接供冷模式
4.1.2蓄冰系统流程与运行控制策略说明

蓄冷系统按空调供回水温度7℃/14℃设计，可以通过不同阀门的开、关或调节来实现以下2种不同的运行模式：
热泵机组制冰模式
蓄冰装置融冰供冷模式
各个流程简化的具体控制及运行情况说明如下：
4.1.2.1热泵机组制冰模式（本系统夏季夜间6台双蒸发器蓄冰热泵主机全部开启进行蓄冰）该时段为电力低谷期，根据蓄冰系统的优化原理，热泵机组在电力低谷时段充分利用低价电运行制冰。在该时段内热泵机组满负荷运行，通过低温的乙二醇溶液使蓄冰装置蓄冰。热泵机组在蓄冰工况下运行时，机组的效率有相应的降低，乙二醇溶液仅在热泵机组和蓄冰装置之间循环，随着蓄冰量的增加和时间的推移，热泵机组的出口温度逐步降低。当蓄冰装置的蓄冰量达到要求时，热泵机组停止运行。系统循环示意图如上图：（注：相同功能设备均用一个符号表示。）
4.1.2.2蓄冰装置融冰供冷模式
由于本系统采用是双蒸发器热泵机组，制冰与制冷时采用不是同一蒸发器，蓄冰装置融冰供冷时，热泵机组制冰用的蒸发器只单纯作为系统流程的管路，而不对流程中的乙二醇溶液进行冷却；电动调节阀V3与V4的调节使进入板式换热器温度恒定，电动调节阀V2的旁通调节使空调供水温度恒定。4.1.3热泵机组直接供冷模式
在夏季白天，当冷温水机组+冰蓄冷系统不能完全满足空调冷负荷需求时，根据冷负荷需求情况，开启相应台数的热泵主机直接制冷提供空调冷负荷。经过分析计算，在夏季最不利工况下（夏季最热时间段）热泵机组需要开启5台。
4.1.4热泵机组同冷温水机组串联运行模式
为保证冷温水机组和热泵机组都能够在一个良好的工况下运行，18℃空调回水首先经过冷温水机组降温至14.5℃后，进入热泵机组，经降温至7℃供出。
4.2 冬季制热
冬季制热在发电余热+冷温水机组不能满足空调热负荷的情况下，开启热泵机组，冬季最冷季节的白天，热泵机组需要开启3台。
4.2.1冬季夜间蓄热
冬季夜间（23：00～7：00），水源热泵以中水为热源，加热蓄热水池（冰槽）池水，中水和水源热泵机组蒸发器为间接换热，同时发电余热在夜间也作为池水加热热源。
在不考虑发电余热蓄热的情况下，为保证白天3台热泵机组的正常运行，夜间需要开启6台热泵机组进行蓄热。
4.2.2 冬季白天制热
冬季白天，双蒸发器蓄冰热泵主机开启3台既可满足需求，此时双蒸发器蓄冰热泵机组以蓄热水池池水为热源，加热系统水，为建筑提供热负荷，在蓄热水池池水温度低于热泵正常工作温度时，热泵机组停机，由燃气锅炉通过换热系统提供空调热负荷。
4.2.3热泵机组同冷温水机组串联运行模式
同样，为保证冷温水机组和水源热泵机组在良好的工况下运行，提高各自的工作效率，冬季系统水侧依然串联运行，同夏季相反，40℃的空调回水在冬季首先经水源热泵机组加热至50℃，再进入冷温水机组加热至55℃供出。
五、系统设计难点解析
5.1 冷温水机组和水源热泵机组串联运行水流量是否匹配问题的说明
5.1.1 夏季串联运行
冷温水机组负担的冷负荷为3.48MW，热泵机组负担的负荷为7.245MW,冷水先进入冷温水机组再进入热泵机组，为保证水流量相同，系统回水经由冷温水机组进出水温差控制在3.5℃（18～14.5℃），热泵机组进出水温差控制在7.5℃（14.5～7℃）；

项目	承担的冷负荷	冷凝器进出口温度	冷凝器进出口温差	水流量
冷温水机组	3.48MW	18～14.5℃	3.5℃	854m3/h
水源热泵机组	7.245MW	14.5～7℃	7.5℃	831m3/h

5.1.2 冬季串联运行
冬季水源热泵机组承担的热负荷为6.912MW，冷温水机组承担的热负荷为2.8MW，系统回水先经过水源热泵机组升温（40～50.5℃），再通过冷温水机组加热至55℃供出。

 

项目	承担的热负荷	冷凝器进出口温度	冷凝器进出口温差	水流量
水源热泵机组	6.912MW	40～50.5℃	10.5℃	566m3/h
冷温水机组	2.8MW	50.5～55℃	4.5℃	535m3/h

从上表分析可以看出，水源热泵机组和冷温水机组串联，系统水流量基本匹配。因此冷温水机组和水源热泵机组串联运行不存在流量不匹配的问题。
5.2冬季夜间蓄热，白天以蓄热水为热源，系统转换定压问题
5.2.1 蓄热水池同二次水之间的转换，蓄热水池循环系统为开式系统，而二次水系统为闭式系统，二者在冬季白天、夜间转换时，很容易发生二次水循环泄放到蓄热水池，导致二次水系统频繁补水的问题。为避免这一问题的发生，蓄热水池水面高度要高于或等于二次水定压设备的定压高度。
5.2.1 发电余热水白天直接参与制热，夜间加热蓄热水池池水之间的转换
在冬季发电余热水也存在白天、夜间系统转换定压不同的问题，解决的方式是：在将发电余热水由直接供暖转换到加热蓄热水池池水时，转换阀组执行先开后关的动作，避免系统泄压，反向转换时阀组同样执行先开后关的动作。
5.3启动电流冲击的问题
由于本工程中的发电机组存在孤岛运行的时段，整个系统的配电来自于发电机组，为避免双蒸发器蓄冰热泵机组启动对发电机组的冲击，对热泵机组启动方式有着严格的限制。本工程中的水源热泵机组采用了Y-△降压启动的方式，并且要求在热泵机组的群控系统中实现：在最后一台热泵机组的压缩机启动时，其它5台半机组（13台压缩机）处于50%负荷的运行状态，以此保证整个空调系统平稳安全启动，从而避免对发电机组的运行造成影响。
六、总结：
冷热电三联供系统设计复杂，需针对整个系统做综合考虑，蓄冰热泵系统在满足冷、热负荷需求的同时，还要考虑其启动、加载、卸载等对发电机组的影响。系统已经在2009年5月投入运行，因前期设计准备充分，整个系统运行平稳，达到了冷热电三联供系统预期的节能目标。