吳 杰 李妤姝 盧 軍

重慶某江水源熱泵性能影響因素分析

吳 杰 李妤姝 盧 軍

（重慶大學(xué) 重慶 400045）

以重慶市某能源站為研究對(duì)象，該能源站服務(wù)片區(qū)處于分期階段，通過(guò)分析了在20%、50%、80%與100%四種開發(fā)規(guī)模對(duì)系統(tǒng)蓄冰/蓄熱優(yōu)先和機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式的影響，分別制定在各工況、各運(yùn)行模式下供暖季和供冷季的運(yùn)行策略。結(jié)果表明：總規(guī)模一定時(shí)，該系統(tǒng)在各運(yùn)行模式下，冬、夏季系統(tǒng)電耗量、運(yùn)行費(fèi)和峰、谷段電耗均隨開發(fā)規(guī)模的加大而增加，且成線性相關(guān)，相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行，每增加1%開發(fā)規(guī)模，蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式電耗量增加率減少0.38%，運(yùn)行費(fèi)節(jié)省率減少0.13%，單位電耗費(fèi)用節(jié)省率減少0.29%，移峰電量率減少0.27%，谷電利用率減少0.55%。該結(jié)論對(duì)后續(xù)該片區(qū)的建設(shè)中系統(tǒng)的運(yùn)行策略具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

開發(fā)規(guī)模；蓄冰/蓄熱優(yōu)先；機(jī)組優(yōu)先；運(yùn)行策略

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源的短缺與人們對(duì)于能源不斷增長(zhǎng)的需求之間的矛盾日益嚴(yán)峻，其中尤為嚴(yán)重的為用電負(fù)荷的不斷攀升，我國(guó)現(xiàn)階段所存在的缺電現(xiàn)象，并不是電量供應(yīng)的不足，而是電力的匱乏，同時(shí)電網(wǎng)用電高峰與低谷之間的差距與日俱增，用電的調(diào)峰問(wèn)題日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗約占世界總能耗的1/3，而空調(diào)是各國(guó)住宅、行政、商業(yè)和工業(yè)建筑中最常見的能源消耗設(shè)備。目前，以化石燃料計(jì)算，約有75%的一次能源供應(yīng)于建筑供暖和制冷，尤其是熱帶地區(qū)，約60%的電力消耗都與空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)[1]。由于空調(diào)系統(tǒng)與人們的日常生活息息相關(guān)，因此在不影響室內(nèi)人們正常辦公與生活的前提下，通過(guò)儲(chǔ)能的技術(shù)手段在電價(jià)處于谷值時(shí)將電能存儲(chǔ)起來(lái)以便在電價(jià)處于峰值的時(shí)間段內(nèi)使用，以達(dá)到“削峰填谷”的功能，在諸多蓄能系統(tǒng)中，冰蓄冷與水蓄熱系統(tǒng)具有成本較低、占地較少的優(yōu)點(diǎn)而愈發(fā)受到人們的關(guān)注[2-7]，本文以重慶某能源站已有的冰蓄冷/水蓄熱+江水源熱泵聯(lián)合運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，由于該能源站所服務(wù)區(qū)域仍處于開發(fā)階段，因此在已有的運(yùn)行策略上，分析了不同的能源站開發(fā)規(guī)模對(duì)該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與能耗的各項(xiàng)指標(biāo)的影響，對(duì)后期運(yùn)行策略的調(diào)控具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 建筑概況

本文以1號(hào)能源站作為研究對(duì)象，規(guī)劃圖如圖1所示。該能源站服務(wù)片區(qū)屬于分期開發(fā)階段。該站供能區(qū)域建筑面積約為244.38萬(wàn)m2，主要包含金融保險(xiǎn)業(yè)用地（214.76萬(wàn)m2）、商業(yè)用地（17.31萬(wàn)m2）、旅館業(yè)用地（8萬(wàn)m2）及游樂(lè)業(yè)用地（4.31萬(wàn)m2）。

圖1 某能源站服務(wù)區(qū)規(guī)劃圖

1.2 機(jī)組概況

利用Dest模擬軟件得到該區(qū)域最大冷負(fù)荷為193801kW，最大熱負(fù)荷為85679kW。該能源站供冷方式為江水源熱泵+冰蓄冷復(fù)合系統(tǒng)，以江水作為熱泵機(jī)組冷卻水，冰蓄冷系統(tǒng)為外融冰形式；供熱方式采用江水源熱泵+水蓄熱復(fù)合系統(tǒng)。能源站內(nèi)共設(shè)有10臺(tái)制冷量與制熱量分別為8406kW與8650kW的熱泵機(jī)組；8臺(tái)雙工況機(jī)組，制冷量為8546kW/臺(tái)，制冰量為5067kW/臺(tái)；蓄冰裝置最大蓄冷量為323180kW·h。夏季，江水側(cè)制冷時(shí)供、回水溫度為27℃/37℃，制冰時(shí)供、回水溫度為27℃/33℃，系統(tǒng)原理圖如圖2所示；冬季供暖用戶側(cè)供、回水溫度為45℃/37℃，江水側(cè)供、回水溫度為10℃/3℃，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖2 夏季供冷系統(tǒng)原理圖

圖3 冬季供暖系統(tǒng)原理圖

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

評(píng)價(jià)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與節(jié)能程度的指標(biāo)主要有電耗、運(yùn)行費(fèi)、單位電耗費(fèi)用以及移峰填谷能力等多項(xiàng)指標(biāo)。

其中移峰電量率與谷電利用率為衡量系統(tǒng)移峰填谷能力的兩項(xiàng)指標(biāo)，二者計(jì)算公式分別如公式（1）與公式（2）所示。

式中：P為蓄熱優(yōu)先運(yùn)行下高峰時(shí)段耗電量，kWh；P為機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行下高峰時(shí)段耗電量，kWh。

式中：P為系統(tǒng)用電低谷時(shí)耗電量，kWh；為總耗電量，kWh。

2 不同開發(fā)規(guī)模下運(yùn)行策略分析

該能源站的服務(wù)片區(qū)處于分期開發(fā)階段，本項(xiàng)目中定義整片區(qū)域完全開發(fā)狀態(tài)為100%開發(fā)規(guī)模，完全未開發(fā)狀態(tài)為0開發(fā)規(guī)模，因此本區(qū)域的開發(fā)規(guī)模處于0與100%之間（包含0與100%）。為簡(jiǎn)化模擬的工作量，選取100%、80%、50%與20%這四種典型開發(fā)規(guī)模為研究對(duì)象，開發(fā)規(guī)模的大小在建筑中以冷熱負(fù)荷的不同的形式展現(xiàn)。在每種開發(fā)規(guī)模下研究四種典型冷熱負(fù)荷率（100%負(fù)荷、80%負(fù)荷、50%負(fù)荷和20%負(fù)荷），在不同負(fù)荷率下實(shí)行蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行與機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行兩種不同的運(yùn)行策略，通過(guò)對(duì)比得出該區(qū)域不同開發(fā)階段的最佳運(yùn)行策略。

2.1 100%開發(fā)規(guī)模下的運(yùn)行策略

（1）蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

當(dāng)該區(qū)域處于完全開發(fā)階段（開發(fā)規(guī)模為100%），夏季蓄冰優(yōu)先運(yùn)行策略如圖4所示。

圖4 100%開發(fā)規(guī)模下夏季蓄冰優(yōu)先運(yùn)行策略

由圖4可知，當(dāng)開發(fā)規(guī)模為100%時(shí)，蓄冰優(yōu)先運(yùn)行模式下，供冷季供冷量按照7天為一周期的規(guī)律變化，工作日的供冷量相較于周末有明顯的增長(zhǎng)，這是由于該片區(qū)域建筑中絕大部分均為辦公建筑。在該開發(fā)規(guī)模下，蓄冰槽在夜間基本處于滿負(fù)荷蓄冰模式；在7～8月，除了使用蓄冰與熱泵主機(jī)供冷，大量雙工況的主機(jī)也被開啟以補(bǔ)充所需要的冷量，其余月份只需開啟少量雙工況機(jī)組即可滿足要求。

冬季蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略如圖5所示。由圖可知，同理于夏季蓄冰優(yōu)先運(yùn)行的策略，供暖季也呈現(xiàn)出7天為一個(gè)周期、周末供熱量低的規(guī)律。除了12月上旬的階段晝間僅開啟水槽供熱，夜間開啟熱泵機(jī)組供熱即可滿足要求，其余月份晝間均要開啟大量機(jī)組與水槽聯(lián)合運(yùn)行以滿足供暖的要求，夜間水槽也在絕大部分時(shí)間內(nèi)處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 100%開發(fā)規(guī)模下冬季蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

（2）機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

在100%的開發(fā)規(guī)模下，夏季機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略如圖6所示。機(jī)組大體可滿足供冷季的冷量需求，冷量基本全由熱泵主機(jī)提供，7～8月份冷負(fù)荷較大，需要開啟大量雙工況主機(jī)聯(lián)合供冷，極少情況下需開啟冰槽補(bǔ)充供冷。供暖季由于所需熱負(fù)荷較少，因此僅開啟熱泵主機(jī)即可滿足供暖的要求，無(wú)需開啟雙工況主機(jī)和水槽補(bǔ)充蓄熱。

圖6 100%開發(fā)規(guī)模下夏季機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

2.2 80%開發(fā)規(guī)模下的運(yùn)行策略

（1）蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

80%開發(fā)規(guī)模下，蓄冰與蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略如圖7與圖8所示，運(yùn)行策略類似于100%開發(fā)規(guī)模下的策略，冰槽在夏季夜間處于滿負(fù)荷蓄冰模式；供冷季以冰槽與熱泵主機(jī)為主，當(dāng)冷負(fù)荷較大時(shí)，需開啟雙工況主機(jī)供冷，具體臺(tái)數(shù)由所需冷量大小確定。冬季周一至周五熱負(fù)荷較大，大量熱泵主機(jī)應(yīng)開啟來(lái)補(bǔ)充熱量，其余時(shí)間段均以水槽供熱為主。

圖7 80%開發(fā)規(guī)模下夏季蓄冰優(yōu)先運(yùn)行策略

圖8 80%開發(fā)規(guī)模下冬季蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

（2）機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

80%開發(fā)規(guī)模下，夏季機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略見圖9。供冷季以熱泵主機(jī)為主，冷負(fù)荷較大的月份需開啟雙工況主機(jī)補(bǔ)充供冷。供暖季同100%開發(fā)規(guī)模相同，僅開啟熱泵主機(jī)即可滿足供暖。

圖9 80%開發(fā)規(guī)模下夏季機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

2.3 50%開發(fā)規(guī)模下的運(yùn)行策略

（1）蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

圖10 50%開發(fā)規(guī)模下夏季蓄冰優(yōu)先運(yùn)行策略

圖11 50%開發(fā)規(guī)模下冬季蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

50%開發(fā)規(guī)模下，蓄冰與蓄熱優(yōu)先模式運(yùn)行策略如圖10與圖11所示。在此開發(fā)程度下，無(wú)論夏季與冬季雙工況機(jī)組均很少被使用，周末僅需開啟冰槽/水槽即可滿足供冷/供暖的要求，周一至周五工作日期間，大部分冷/熱量由冰槽與水槽提供，額外的少部分冷/熱量通過(guò)開啟部分熱泵機(jī)組補(bǔ)充。

（2）機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

在50%的開發(fā)規(guī)模下，夏季機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略見圖12。供冷季和供暖季均開啟熱泵主機(jī)供能，僅需在夏季極少天氣開啟少量雙工況主機(jī)供冷。

圖12 50%開發(fā)規(guī)模下夏季機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

2.4 20%開發(fā)規(guī)模下的運(yùn)行策略

（1）蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

當(dāng)開發(fā)規(guī)模為20%時(shí)，蓄冰/蓄熱優(yōu)先策略如圖13與圖14所示。供冷與供暖季夜間均采用熱泵供能；晝間則采用冰槽/水槽供能，夏季少數(shù)幾天需開啟少數(shù)熱泵主機(jī)進(jìn)行輔助供冷；夜間冰槽/水槽蓄能量的大小呈現(xiàn)周期性變化，周末蓄能量較低，工作日蓄能量較大。

圖13 20%開發(fā)規(guī)模下夏季蓄冰優(yōu)先運(yùn)行策略

圖14 20%開發(fā)規(guī)模下冬季蓄熱優(yōu)先運(yùn)行策略

（2）機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行策略

20%開發(fā)規(guī)模下，機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式在供冷季和供暖季均采用熱泵主機(jī)供能即可，供能量以7天為周期呈現(xiàn)規(guī)律性，同前文。

3 不同開發(fā)規(guī)模下系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)上述不同開發(fā)規(guī)模下的運(yùn)行策略得到各不同工況下的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并計(jì)算出了各工況下蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式下的各指標(biāo)節(jié)省率。具體如表1與表2所示。

表1 不同開發(fā)規(guī)模下系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（1）

表2 不同開發(fā)規(guī)模下系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（2）

各參數(shù)變化趨勢(shì)如圖15所示。由圖可知，在不同的運(yùn)行模式下，供冷季與供暖季系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)隨著開發(fā)規(guī)模的增大而增大，且各參數(shù)的變化規(guī)律幾乎均為線性變化。其中，相對(duì)于峰段與谷段的耗電量增長(zhǎng)速率，各運(yùn)行策略下兩季電耗與運(yùn)行費(fèi)用的數(shù)值更大，增長(zhǎng)速率更快。在能耗與電費(fèi)方面，蓄冰/蓄熱優(yōu)先模式下的耗電量顯著大于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式，然而由于峰谷電價(jià)的原因，其運(yùn)行費(fèi)用顯著低于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式；在移峰填谷方面，由于需要夜間蓄冰/蓄熱，因此蓄冰/蓄熱優(yōu)先模式下夜間（谷段）用電量遠(yuǎn)高于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式，而晝間用電高峰期用電量遠(yuǎn)低于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式，且差值隨開發(fā)規(guī)模的增大而增大。

圖15 各開發(fā)規(guī)模下冬夏季系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行的模式，兩季中采用蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式下各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的節(jié)省率如圖16所示。從圖中輕易可以看出，電耗的節(jié)省率為負(fù)值，即采用蓄冰/蓄熱優(yōu)先模式并不能節(jié)約用電，相反會(huì)使耗電量增加，然而耗電量的增長(zhǎng)隨開發(fā)規(guī)模的逐漸增大而降低。在20%的開發(fā)規(guī)模下，兩季采用蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行的模式下，總耗電量增加率為45.31%，其中夏季增長(zhǎng)54.06%，冬季增長(zhǎng)18.68%；當(dāng)開發(fā)規(guī)模達(dá)到100%時(shí)，兩季蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行耗電量增率為13.62%，其中夏季增長(zhǎng)率為15.94%，冬季增長(zhǎng)率為6.46%；導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的主要原因?yàn)闉樵撈瑓^(qū)域?qū)湄?fù)荷需求較大，因此夏季在冰槽中應(yīng)有更多的能量被儲(chǔ)備，因此也需要消耗更多的電量來(lái)將冷量進(jìn)行釋放。通過(guò)計(jì)算得知，每增加1%的開發(fā)規(guī)模，蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式電耗量增加率降低0.38%。

相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行的模式，兩季中采用蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式下總運(yùn)行費(fèi)用與單位電耗費(fèi)用均將低，然而兩個(gè)節(jié)省率隨開發(fā)規(guī)模的增大而減少。20%的開發(fā)規(guī)模下，采用蓄熱/蓄冰優(yōu)先運(yùn)行模式下，總運(yùn)行費(fèi)節(jié)省率為25.76%，其中夏季的節(jié)省率為19.49%，冬季節(jié)省率達(dá)40.32%；總單位電耗費(fèi)用節(jié)省率為48.91%，其中夏季的節(jié)省率為47.74%，冬季的節(jié)省率為49.71%。在100%的開發(fā)規(guī)模下，采用蓄熱/蓄冰優(yōu)先運(yùn)行模式下，總運(yùn)行費(fèi)節(jié)省率為15.66%，其中夏季的節(jié)省率為11.73%，冬季的節(jié)省率為24.90%；總單位電耗費(fèi)用節(jié)省率為25.7%，夏季與冬季的節(jié)省率分別為23.87%與29.46%。主要原因?yàn)橄募纠湄?fù)荷較大，晝間冰槽所提供的冷量占比較小，因此相對(duì)于冬季，夏季需要額外開啟更多的機(jī)組用于制冷來(lái)承擔(dān)負(fù)荷，在電價(jià)較高的時(shí)間段內(nèi)耗電量高，再結(jié)合我國(guó)峰谷電價(jià)的政策，導(dǎo)致夏季總運(yùn)行費(fèi)用較高。通過(guò)計(jì)算得知，開發(fā)規(guī)模每增加1%，蓄冰/蓄熱優(yōu)先模式下總運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率降低0.13%，單位總電耗費(fèi)用節(jié)省率減少0.29%。

在移峰填谷指標(biāo)方面，相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行的模式，兩季中采用蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式下移峰電量率與谷電利用率隨著開發(fā)規(guī)模的增大而降低。在20%的開發(fā)規(guī)模下，采用蓄熱/蓄冰優(yōu)先運(yùn)行模式下總移峰電量率高達(dá)78.78%，其中夏季為76.23%，冬季為85.99%，總谷電利用率達(dá)到86.01%，其中夏季與冬季的數(shù)值分別為85.13%、89.45%；在100%的開發(fā)規(guī)模下，采用蓄熱/蓄冰優(yōu)先運(yùn)行模式下總移峰電量率為57.63%，其中夏季為53.05%，冬季為70.64%，總谷電利用率為41.94%，其中夏季為39.81%，冬季為49.11%。通過(guò)計(jì)算得知，開發(fā)規(guī)模每增加1%，蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式總移峰電量率減少0.27%，總谷電利用率減少0.55%。

圖16 各開發(fā)規(guī)模下冬夏季參數(shù)節(jié)省率對(duì)比

4 總結(jié)

本文研究了能源站服務(wù)片區(qū)的開發(fā)規(guī)模（20%、50%、80%、100%）對(duì)系統(tǒng)蓄熱/蓄冰優(yōu)先運(yùn)行與機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行兩種運(yùn)行模式的影響。分別確定了在各個(gè)不同工況下的運(yùn)行策略，根據(jù)兩季能耗的分布以及各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，得到了開發(fā)規(guī)模這一因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模式的影響，由于該片區(qū)目前仍處于持續(xù)開發(fā)階段，因此該結(jié)論在后續(xù)的開發(fā)中具有很重要的指導(dǎo)意義。

主要結(jié)論為在不同的開發(fā)規(guī)模下，兩季系統(tǒng)的電耗量、運(yùn)行費(fèi)用、電價(jià)峰谷段的電耗量均隨著開發(fā)規(guī)模的增大而增大，且二者基本呈線性關(guān)系。與機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行模式相比，蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式雖然可以減少耗電費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用，很好的起到調(diào)峰的作用，然而用電能耗卻增加，因此并無(wú)節(jié)能的作用。相對(duì)于機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行，每增加1%開發(fā)規(guī)模，蓄冰/蓄熱優(yōu)先運(yùn)行模式電耗量增加率減少0.38%，運(yùn)行費(fèi)節(jié)省率減少0.13%，單位電耗費(fèi)用節(jié)省率減少0.29%，移峰電量率減少0.27%，谷電利用率減少0.55%。

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Analysis of Factors Affecting the Performance of a Water Source Heat Pump in a River in Chongqing

Wu Jie Li Yushu Lu Jun

( Chongqing university, Chongqing, 400045 )

Taking an energy station in Chongqing as a research object, the service area of the energy station is in a staged phase. Through analysis of the development scales of 20%, 50%, 80%, and 100%,the impact of the four development scales on the system's ice / heat storage priority operation and unit priority operation modes are to formulate operating strategies for the heating season and the cooling season under each operating condition and operating mode.The results show that when the total scale is constant, the system's power consumption, operating costs, peak and valley power consumption in winter and summer under each operating mode increase with the development scale, and are linearly related. Relative to the priority operation of the unit, for each 1% increase in the development scale, the power consumption increase rate of ice storage / heat storage priority operation mode decreases by 0.38%, the operating cost savings rate decreases by 0.13%, and the unit power consumption cost savings rate decreases by 0.29%,the electricity rate decreased by 0.27%, and the valley electricity utilization rate decreased by 0.55%.This conclusion has practical guiding significance for the subsequent system operation strategy in the construction of this area.

Development scale; Ice / Heat storage priority; Unit priority; Operating strategy

TU831.7

A

1671-6612（2020）05-581-07

吳 杰（1995.11-），男，在讀碩士研究生，E-mail：6917012467@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，博士，教授，E-mail：1181367768@qq.com

2019-11-29