杭州东站冷热源设计分析
工程概况
杭州东站设计构思由“钱江潮”演化而来，建筑主体呈现“圆润流畅”的形态，中间高、两侧低的造型优美而富有流动感，仿佛钱塘大潮一般。
图1 火车站建筑效果图
杭州东站位于杭州市，为特大型旅客站房，主要承担客运专线旅客到发业务，为铁路大型枢纽站。车站总建筑面积343300㎡，其中站房建筑面积155570㎡。由出站层、站台层、高架层三个平面层组成，站房东西长约470m、南北宽约230 m。
集中空调系统冷热源设计
杭州地处长江中下游地区，属亚热带气候，四季分明，具有明显的夏热冬寒特征。除工艺设备用房、贵宾候车室、消防控制室、国安局用房、信号楼、生活楼、公安楼、行包房等采用独立冷热源空调系统，本站房其它空调房间均采用集中冷热源的水-空气空调系统。采用中央空调系统的房间夏季最大冷负荷为16200kW，夏季空调设计日总冷负荷182750 kWh，夏季设计日空调逐时冷负荷详图1;冬季最大热负荷8830 kW。
图1 杭州东站夏季设计日冷负荷示意图
夏季冷负荷
图2 杭州东站夏季设计日冷负荷示意图
根据可靠、经济、先进、环保、优先利用可再生能源的原则，结合车站所在区域没有城市热网和设置锅炉房困难的实际情况，设计中冷热源采用地源热泵与串联式分量蓄冷的冰蓄冷相接合的方式;按冬季热负荷选配地源热泵机组、土壤换热器，冬季由地源热泵系统供热，夏季由地源热泵系统与冰蓄冷系统联合供冷。候车室等人员密集的空间，设计中空调末端系数采取按需求供给新风量的控制方式。在室人员多时新风量大，人体发热量也大，冬季空调热负荷相应扣减，其实际空调热负荷为7000 kW，冬季空调配机制热量7000 kW，配机系数1.0;夏季空调配机制冷量15400 kW，配机系数0.95。
本站房东西长约470m，为减少空调循环水泵和土壤侧循环水泵的功耗，共设两个冷冻机房，分别设置在出站层东北角和西南角，空调水系统为变流量两管制异程系统，夏季供回水温度6℃/13℃，冬季供回水温度45.5℃/40℃。各冷冻机房同等配置如下：二台电力驱动的地源热泵机组，夏季单台制冷量2325/1158kW，冬季单台制热量2330 kW/1170kW，夏季额定工况和规定条件下其性能系数(COP)不低于5.28，土壤源侧循环水夏季进出温度30℃/35℃、冬季进出温度8℃/3℃;二台电力驱动的双工况水冷螺杆式冷水机组，空调工况单台制冷量1430 kW，蓄冰工况单台制冷量860 kW，额定工况和规定条件下其性能系数(COP)不低于5.5，空调工况供回水温度7℃/12℃，蓄冰工况供回水温度-6/-2.6℃，冷却水供回水温度30℃/35℃;五台盘管蓄冰装置，单台蓄冷量2960kWh。各冷冻机房夏季总制冷量7700kW，冬季总制热量3500 kW。地源热泵机组相应配套设置空调侧循环水泵(变频)、土壤源侧循环水泵(变频)、垂直埋管式土壤换热器等;冰蓄冷系统相应配套设置板式热交换器、空调侧循环水泵(变频)、乙二醇水溶液循环泵(变频)、冷却塔、冷却水泵等。各冷冻机房系统详图3。
图3 空调冷热源水系统原理图
冰蓄冷系统设计
本工程采用制冷主机和蓄冰装置串联的冰蓄冷流程。冰蓄冷系统按主机上游冰槽下游的串联循环回路设计，该系统形式效率高、控制简单可靠、使用灵活。乙二醇系统的供回水温差为7.5℃(供4℃/回11.5℃)，冷水系统的供回水温差为7℃(一次冷冻水供6℃/回13℃)。系统可按以下4种工作模式进行：双工况主机蓄冰模式、双工况主机与融冰联合供冷模式、融冰单独供冷模式、双工况主机单独供冷模式。在以上不同运行工况下，由于乙二醇泵需要克服的扬程因参与流程的设备不同而变化，为保证在不同工况下，系统内乙二醇溶液的循环流量保持相同，乙二醇泵采用变频控制，既满足了不同工况下对流量的需要，又减少了乙二醇泵的运行费用。
为保证盘管之间的阻力基本相等，保证流经每台盘管的流量基本相等，盘管采用同程连接，使每台冰槽通过的乙二醇溶液流量基本相等,保证所有冰槽结冰、融冰速度基本相等。
土壤换热器设计(二级标题)
设计中地埋管换热器埋设在站台下，采用W型PE管(公称外径为dn25)，竖直钻孔埋管方式，钻孔直径为130mm，回填材料的导热系数应不低于钻孔外岩土体的导热系数，根据《杭州东站地源热泵空调系统岩土热物性测试报告》，W型管热器设计工况下冬季单位井深换热量为45W/m 、夏季单位井深换热量为56W/m。经计算，各冷冻机房分别配置埋管有效深度48m垂直埋管式土壤换热器若干组，共计打井数量2983口，埋管型式为W垂直式，dn25PE管，埋管间距3500mm;土壤换热器夏季换热量7940kW、冬季换
热量6379 kW。为保证各井间水力平衡，地埋管各组供水管上均设平衡阀，各组内地源井同程布置。
集中空调冷热源系统运行模式及策略
冰蓄冷系统运行模式及策略
冰蓄冷系统按主机优先模式设计，在大部分空调使用时间内根据空调负荷的实际情况并结合杭州市的电价政策进行优化控制。在空调负荷逐渐下降的时候，冰蓄冷中央空调系统中蓄冰率逐渐上升，空调系统的运行模式也逐渐向由分量蓄冰转化为全量蓄冰模式。
主要运行原则：低谷电开足主机制冰，高峰电不开或者少开双工况制冷主机，并尽可能减少主机的启停次数，确保前一天的蓄冰量能够在次日白天的供冷中全部融完;主机开启时尽可能让其在高负荷率下运行，提高系统效率。
结合空调逐时冷负荷分布图及杭州市的电价政策，设计日电力低谷时段(22:00～次日8:00)，系统自动切换到双工况主机制冰模式，双工况主机在制冰工况下满负荷运行，全力制冰;其它时段，系统自动切换到制冷主机与融冰联合供冷模式，根据空调负荷、全天负荷预测及电力峰谷情况开启制冷主机及蓄冰装置提供建筑物需要的冷量。
地源热泵系统运行模式及策略
冬季冰蓄冷系统退出运行，开启地源热泵系统，提供建筑物需要的热量。夏季地源热泵系统与冰蓄冷系统联合运行，提供建筑物需要的冷量;夜间低谷电期间冰蓄冷系统切换到制冰模式时，地源热泵系统单独供冷，此时冷负荷较低，只需开启一台地源热泵机组即可满足夜间冷负荷的供应。
土壤热平衡策略
在一个运行周期内，通过调整夏季期间冰蓄冷系统与地源热泵系统运行时间达到冬季从土壤总吸热量与夏季对土壤总放热量基本平衡的目的。
有关冰蓄冷系统的论证
集中空调系统冷热源在地源热泵方式固化的前提下，仅有两种冷热源方案作为论证的对象，及地源热泵+水冷冷水机组方式(方案A)和地源热泵+双工况水冷冷水机组部分蓄冰方式(方案B)。两种方案中，地源热泵系统的设计都是根据冬季热负荷来确定，完全相同，地源热泵系统制冷量为3480kW×2，扣除后单冷系统制冷量为4220kW×2。
方案A(冰蓄冷)系统设备的选择详前述;方案B(常规机组)中水冷冷水机组的选择需按4220kW×2来确定，为保证负荷变化的运行灵活性，以多台机组配置，各冷冻即房分别选用2台制冷量为2110kW的水冷冷水机组，相应配置冷水循环水泵(变频)、冷却水循环水泵、冷却塔等。
论证基于浙江省电力政策进行，根据浙江省物价局、经贸委和电力局联合下发的浙价商[2001]294号“关于推广使用蓄热型电锅炉和冰蓄冷空调有关优惠措施的通知”，采用蓄能空调享受如下优惠政策：高可靠性电力贴费全免(采用双电路供电时，不上储能空调需缴高可靠性电力贴费：220元/KVA)，实行分时电价，并安装分时电表单独计量;车站执行非工业用电，高峰电24小时0.854元/kWh，冰蓄冷空调用电分时电价政策为低谷电22:00～次日8:00、11:00～13:00 为0.388元/kWh ，高峰8:00～11:00、13:00～22:00 为0.854元/ kWh;配电设施费按500元/KVA考虑。
初投资比较
两方案中室外垂直埋管式土壤换热器相同，本比较中不含该部分初投资，初投资比较详表1。
表1 经济分析比较
表2 运行费用比较
冰蓄冷空调系统与常规水冷冷水机组空调系统综合比较
冰蓄冷是一种节能的空调系统，利用晚上的低谷电制得的冷量通过冰的形式储存在蓄冰装置中，白天再通过融冰的方式将冷量释放出来，由于实行峰谷电价，因此冰蓄冷的运行费用低于其他空调形式。
优点：利用峰谷荷电价差，减少空调年运行费;减少冷水机组容量(水泵、冷却塔等设备亦相应减少)，降低主机等一次性投资;总用电负荷最少，减少配电容量与配电设施费;利用峰谷荷电价差，平衡电网负荷;使用灵活，过渡季节等低负荷时使用空调可由融冰定量提供，无需开主机，节能效果明显，运行费用降低;夜间的供冷可以采用边制冰边供冷的模式解决，避免了大机组无法运行的困难;具有应急功能，提高空调系统的可靠性;上班前启动时间短，只需15-20分钟即可达到所需温度，而常规系统则需30-45分钟左右。
缺点：比常规水冷空调系统增加蓄冰装置面积;系统相对复杂,须由专业冰蓄冷集成商进行系统设计、安装;初投资有所增加。
冰蓄冷方案机房投资比常规方案增加约320万元，综合投资比常规方案增加约176万元，年运行费用每年节约182万元，机房初投资回收期约为1年。
使用灵活，节能效果明显。在过渡季节(5、6、9、10月份)或部分负荷的时间里，白天高峰电力时段不开制冷主机，主要由融冰供冷，运行费用节省明显;电力平段则可以多开制冷主机，电力
低谷段全力制冰供冷。
结语
杭州东站的冷热源设计中，始终遵循节能、环保理念，充分利用当地的电价政策，既节省空调系统运行费用，对电网也启到移峰填谷的作用。我们希望采用成熟先进的设计理念，为杭州东站打造出经济可行、技术合理、节能环保的空调系统。
