郭 昕， 王 軍*， 黃秉坤， 胡恩溢， 曹文凱

(1.東南大學江蘇省太陽能技術(shù)重點實驗室， 南京 210096； 2.江蘇省新能源開發(fā)股份有限公司， 南京 210018)

隨著工業(yè)生產(chǎn)和能源消費的快速增長，作為世界最大的能源消費國，隨之而來的環(huán)境污染問題和能源安全問題正在成為舉國關注的重要問題之一。為應對現(xiàn)階段的能源危機和環(huán)境污染問題，尋求一種經(jīng)濟、環(huán)保的能源使用方式，將有助于緩解能源及環(huán)境危機。

綜合能源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是目前研究熱點之一。Dai等[1]提出了在熱力系統(tǒng)約束中考慮供熱管道、建筑物圍護結(jié)構(gòu)和儲熱裝置的熱傳輸約束，建立了電熱聯(lián)合調(diào)節(jié)模型。王仰之等[2]提出了室內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)變化，使供熱負荷作為可調(diào)節(jié)負荷并建立了日前-實時雙階段優(yōu)化調(diào)度方法。艾欣等[3]考慮電、熱、氣能源形式并采用直接負荷控制的方式，建立了考慮需求側(cè)響應的電-熱-氣耦合系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)節(jié)模型。

未來面向園區(qū)的綜合能源服務管理將是新能源產(chǎn)業(yè)重要方向。以上文獻提出了多種供熱調(diào)節(jié)的理論分析模型，但是并未考慮工程實踐應用中的供熱系統(tǒng)整體設計，包括部件選擇、控制系統(tǒng)設計以及用戶側(cè)響應反饋?，F(xiàn)以江蘇某工業(yè)園區(qū)為分析對象，其辦公區(qū)的供暖面積設計為10 000 m2，針對該區(qū)域開展蓄熱式供暖方案的應用研究。通過掌握目標用戶的負荷變化特性和規(guī)律，合理設計供熱系統(tǒng)，對其運行工況、穩(wěn)定性、安全性以及控制系統(tǒng)進行驗證并優(yōu)化，確定合適可靠的技術(shù)路線，論證相關設備參數(shù)及可行性，研究測算最優(yōu)儲熱容量配置、針對運行工況提出可靠的系統(tǒng)集成和總體方案設計，以期為園區(qū)供熱技術(shù)做了技術(shù)儲備和經(jīng)驗積累。

圖2 換熱器控制模型Fig.2 Heat exchanger control model

1 模型建立

1.1 供熱系統(tǒng)模型

根據(jù)用戶側(cè)的需求，園區(qū)采暖熱負荷指標為70 W/m2，采暖室內(nèi)設計溫度為20 ℃，供暖面積約為10 000 m2。

根據(jù)用戶側(cè)需求，通過以下假設建立MATLAB系統(tǒng)仿真模型：

(1)熱庫、管道、供熱對象模型為集總參數(shù)模型，不考慮金屬部分的儲熱量。

(2)供暖耗散設置為600～800 kW。

(3)不考慮用戶側(cè)換熱時間。

根據(jù)供熱對象的需求，選擇以熱水為供熱介質(zhì)，以熱庫→管道→供熱對象→循環(huán)泵→管道→熱庫為供熱循環(huán)設計系統(tǒng)，工程物理模型如圖1所示。

圖1 工程物理模型Fig.1 Engineering physics model

1.2 部件參數(shù)設計

該供熱循環(huán)中，需要獲得不同狀態(tài)下的參數(shù)，進而分析各個部件的參數(shù)及其影響，參看文獻[4-5]。通過計算，對該系統(tǒng)進行了參數(shù)的基礎設計：

(1)供熱對象內(nèi)部：存在初始循環(huán)水5 000 kg，初始循環(huán)水溫度為5 ℃。

(2)管道設計：供熱管道與回水管道長度為100 m，一般情況下，為了保證供/回水管道內(nèi)的水不在冬日凝固堵塞，以及供熱用戶的熱需求可以快速響應，管道內(nèi)水溫設計為20 ℃，管道初始設定為保溫效果良好的管道。

(3)熱庫側(cè)設計：熱庫側(cè)應有部分高溫熱水，為了保證快速響應用戶側(cè)的需求以及緩沖由熱源換熱而來的熱量的延遲時間，初始值設定熱庫保存水量5 000 kg，溫度設定為45 ℃。

(4)循環(huán)泵設計：循環(huán)泵選擇可控制質(zhì)量流量的循環(huán)泵，以快速響應供熱對象的熱負荷需求。

1.3 控制系統(tǒng)設計

供熱系統(tǒng)是一個部件參數(shù)時刻在變化的系統(tǒng)，并且對系統(tǒng)優(yōu)化的過程也就是對部件參數(shù)尋找最優(yōu)值的過程，因此必須設置控制系統(tǒng)以體現(xiàn)供熱的動態(tài)過程，從而尋找需要優(yōu)化的參數(shù)。

1.3.1 換熱器控制部分

該部分的控制系統(tǒng)是供暖系統(tǒng)主要部分，遵循著“供需平衡”的原則進行設計，參看文獻[6]。被控對象為供熱對象溫度，被控量是從換熱器流入換熱系統(tǒng)的熱量。設定供熱對象溫度保持在20 ℃，利用傳感器測量用戶側(cè)的實際溫度，根據(jù)溫度差值、能量平衡等原則進行換熱器控制部分的設計，換熱器控制模型如圖2所示。圖2中左側(cè)1、2分別表示用戶側(cè)設定溫度和用戶側(cè)實際溫度；K、C分別表示溫度-流量轉(zhuǎn)換系數(shù)和用戶側(cè)平均損失；圖2中右側(cè)1、2分別表示從0時刻至今總需求熱量和當前時刻需求熱量。

1.3.2 循環(huán)泵控制部分

循環(huán)泵的控制系統(tǒng)是一個輔助系統(tǒng)，目標是能夠?qū)釋ο蟮臒嵝枨筮M行快速響應，即在供熱對象側(cè)突然有較大的熱損失時，供熱的流量能及時增大以提高平均供熱溫度，從而保證供熱對象側(cè)溫度的穩(wěn)定，參看文獻[7]，循環(huán)泵控制模型如圖3所示。圖3中左側(cè)1、2分別表示用戶側(cè)設定溫度和用戶側(cè)實際溫度；K、C分別表示溫度-流量轉(zhuǎn)換系數(shù)和基礎流量值；圖3中右側(cè)1表示流量控制信號。

圖3 循環(huán)泵控制模型Fig.3 Circulating pump control model

1.4 供熱系統(tǒng)整體模型及理想狀態(tài)模擬

1.4.1 供熱系統(tǒng)整體模型

根據(jù)需求，同時為了盡量貼合實際，在熱庫側(cè)設置了換熱器效率值以表示換熱器效率以及純延遲環(huán)節(jié)。初始設定：①換熱器效率為100%；②換熱時間的純延遲環(huán)節(jié)中，初始設置的換熱延遲時間為240 s；③進入熱庫熱量設置理想熱流傳感器，同時對熱庫進行溫度監(jiān)測；④管道長度為100 m，管截面積為0.5 m2，初始設定管道部分沒有損失；⑤在供熱對象側(cè)進行對象溫度監(jiān)測，供熱對象對環(huán)境散熱量在600～800 kW，同時設置理想熱流傳感器，參看文獻[8-10]。供熱系統(tǒng)模型如圖4所示。供熱系統(tǒng)換熱器子模型如圖5所示。圖5中左側(cè)1表示輸入熱量，右側(cè)1、2分別表示輸入熱庫的熱量以及輸入功率。供熱系統(tǒng)用戶側(cè)散熱子模型如圖6所示，圖6中左側(cè)1表示用戶側(cè)散熱量，右側(cè)2表示散熱功率。監(jiān)視器模型如圖7所示，監(jiān)視器監(jiān)視總輸入/散失熱量值，瞬時輸入功率以及散失功率，用戶側(cè)實時溫度和熱庫溫度以及循環(huán)泵流量大小。

圖4 供熱系統(tǒng)模型Fig.4 Heating system model

圖5 供熱系統(tǒng)換熱器子模型Fig.5 Heat exchanger sub-model of heating system

圖6 供熱系統(tǒng)用戶側(cè)散熱子模型Fig.6 User-side heat dissipation sub-model of heating system

1.4.2 初始理想化狀態(tài)的運行模擬

對該供熱系統(tǒng)進行模擬，對輸出參數(shù)值進行觀測，設置模擬時長為24 h，即86 400 s。

(1)總輸入熱量以及總散失熱量

對供熱系統(tǒng)總輸入熱量和總散失熱量進行模擬，總輸入熱量和總散失熱量曲線如圖8所示。

定義Qideal,total,inlet為理想狀態(tài)總輸入熱量，Qideal,total,loss為理想狀態(tài)總散失熱量，圖6中曲線顯示，在86 400 s時，總輸入熱量與總散失熱量大致相當，Qideal,total,inlet=6.012×1010J，Qideal,total,loss=6.048×1010J。此時，熱庫、管道均為理想狀態(tài)時，不存在散熱損失。

圖7 監(jiān)視器模型Fig.7 Monitor model

圖8 總輸入熱量和總散失熱量曲線Fig.8 Total input heat and total lost heat curve

(2)輸入熱量以及散失熱量

對供熱系統(tǒng)輸入熱量以和散失熱量進行動態(tài)模擬，輸入熱量和散失熱量曲線如圖9所示。

圖9曲線顯示，輸入熱量在延遲240 s之后開始進入，且輸入熱量較高，是因為在初始時刻，供熱對象側(cè)溫度較低，溫度差值大，控制系統(tǒng)便會控制換熱器使初始輸入熱量增大，這也反映了換熱器控制部分能夠正常運行，且最終可以看到輸入熱量趨于穩(wěn)定，說明了控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。

(3)熱庫側(cè)以及供熱對象側(cè)溫度

對熱庫側(cè)以及供應對象側(cè)的溫度進行動態(tài)模擬，熱庫側(cè)和供應對象側(cè)溫度曲線如圖10所示。

圖10曲線顯示，供給側(cè)溫度在初始時刻急劇下降，用戶側(cè)溫度在初始時刻急劇上升，后期兩者溫度趨于穩(wěn)定，同時兩者數(shù)值相差不大，說明該部分控制系統(tǒng)能夠正常工作。

圖9 輸入熱量和散失熱量曲線Fig.9 Input heat and lost heat curve

圖10 熱庫側(cè)和供應對象側(cè)溫度曲線Fig.10 Thermal bank side and supply object side temperature curve

(4)循環(huán)泵流量

對循環(huán)泵流量進行動態(tài)模擬，循環(huán)泵流量曲線如圖11所示。

圖11 循環(huán)泵流量曲線Fig.11 Circulating pump flow curve

圖11曲線顯示，循環(huán)開始時流量最大，然后逐步減小，并最終穩(wěn)定于設定值100 kg/s附近，說明該部分控制系統(tǒng)能夠正常工作。

針對理想狀態(tài)下的參數(shù)的模擬可以看出，系統(tǒng)可以在控制系統(tǒng)的控制下運行，但系統(tǒng)部件的參數(shù)并不是最優(yōu)值。如在圖10中，熱庫側(cè)以及用戶側(cè)溫度在開始時急劇變化之后維持較為穩(wěn)定的波動，并且兩者之間的溫差較小。因此，對部件參數(shù)優(yōu)化是非常有必要的。

2 部件參數(shù)優(yōu)化

理想化狀態(tài)下運行時，部件、控制系統(tǒng)能夠正常運行，且部件參數(shù)滿足實際情況，但仍存在部分參數(shù)設置不合理，因此需要對一些部件參數(shù)進行優(yōu)化。

2.1 換熱器

換熱器在整個系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。在該模型中，系統(tǒng)的供熱損失主要是換熱器損失以及管道損失，其中，在供熱管道鋪設長度不大的情況下，管道損失一般較小，因此換熱器效率的提高對整個供熱系統(tǒng)效率的提高有極大的影響，參看文獻[11]。在換熱器效率優(yōu)化的同時，換熱器換熱所需時間會影響換熱器對于供熱對象熱負荷需求響應的快慢，因此，也應該同時考慮換熱器換熱時間的影響，參看文獻[12]。

2.1.1 換熱器效率

換熱器效率在理想狀態(tài)運行時其值為100%，實際生產(chǎn)中換熱器效率應小于100%。當前市場上的換熱器品質(zhì)良莠不齊，同時隨著換熱器的使用，污垢、腐蝕等也會造成換熱效率的下降。在本次模擬中，換熱器效率在70%～99%之間變化，模擬時長為86 400 s，其他部件參數(shù)均保持理想狀態(tài)下不變。

定義ηexchange為換熱器效率，Qtotal,inlet為總輸入熱量，換熱器效率與總輸入熱量的關系如表1所示。

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，將兩者關系繪成曲線，總輸入熱量與換熱器效率的關系如圖12所示。

表1 換熱器效率與總輸入熱量的關系

圖12 總輸入熱量與換熱器效率的關系Fig.12 The relationship between total input heat and heat exchanger efficiency

2.1.2 換熱延遲時間

定義τdelay為換熱延遲時間，該參數(shù)對系統(tǒng)效率沒有影響，但對供熱對象需求的響應速度有較大的影響。實際過程中為了提高換熱效率，通常換熱面積較大，但熱量經(jīng)過換熱器進入到熱庫需要一定的時間，因此換熱器面積不可能無限制增大。

定義Qtotal,inlet為總輸入熱量、Qtotal,loss為總散失熱量、τtotal,delay為總換熱延遲時間。模型中“總輸入熱量與總散失熱量之差ΔQ小于總散失熱量的10%的時間為τdelay，τdelay越大，表示總響應時間越慢。

理想狀態(tài)下，ηexchange=100%，τdelay=240 s時，τtotal,delay=6 237 s。不同換熱器效率的前提下，換熱延遲時間與總換熱延遲時間如表2所示。

表2 不同換熱器效率的換熱延遲時間與總換熱延遲時間

從存在總換熱延遲時間的數(shù)據(jù)中可以看出，換熱器效率只有高于90%才能達到基本要求，這部分與定義“總輸入熱量與總散失熱量之差ΔQ小于總散失熱量的10%”中的10%有關。在存在總換熱延遲時間的數(shù)據(jù)中，隨著效率的提高，相同換熱延遲時間下，總熱量延遲時間隨之減少。在同一換熱器換熱效率下，換熱延遲時間也存在更優(yōu)值，如換熱器換熱效率為95%時，180、240 s的總換熱延遲時間相差不大，但240、300 s的總換熱延遲時間相差較大，這是由于控制系統(tǒng)以及換熱延遲時間的定義不合適造成的。

在之后的參數(shù)優(yōu)化中，換熱延遲時間設置為定值240 s。

2.2 管道參數(shù)優(yōu)化

由于管道內(nèi)存在一定溫度和一定體積的水，因此管道也具有儲質(zhì)儲熱的能力，管道長度以及流通截面大小直接影響管道的儲質(zhì)儲熱能力。而管道的儲質(zhì)儲熱能力對供熱對象熱負荷響應有影響，因此在該模型中應尋找管道的最優(yōu)參數(shù)。

2.2.1 流動截面大小

在該模型中，理想狀態(tài)設定換熱器換熱效率為100%。當管道截面積為1 m2時，系統(tǒng)為有自平衡能力的系統(tǒng)，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均能夠較快趨于穩(wěn)定。

當管道截面積為0.8 m2時，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量等參數(shù)在仿真時間內(nèi)均為波動值，系統(tǒng)接近臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

當管道截面積為0.6 m2時，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量等參數(shù)在仿真時間內(nèi)均為波動值，且各個參數(shù)波動值不斷增大，系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

當管道截面積從1 m2不斷增大時，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均能夠快速趨于穩(wěn)定，但以上參數(shù)在剛開始的一段時間內(nèi)，上下波動值較大，導致總換熱延遲時間不斷增加，這是因為管道的儲質(zhì)儲熱的能力增加的緣故。

因此，在該模型中，管道截面積1 m2為最優(yōu)參數(shù)。

2.2.2 管長

初始設定中，供熱管長與回流管長均為100 m。在實際狀況中，供熱管長與回流管長均與供熱對象的布置密切相關。

管道的長度增加時，其效果與增大管道截面積是一致的，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均能夠快速趨于穩(wěn)定，但以上參數(shù)在剛開始的一段時間內(nèi)，上下波動幅度較大，總換熱延遲時間不斷增加，這也是因為管道的儲質(zhì)儲熱的能力增加的緣故。

同樣的，隨著管道長度的減少，其造成的效果與減小管道截面積是一致的，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量的波動值越來越大，系統(tǒng)從穩(wěn)定狀態(tài)進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，在該模型中，管道長度100 m為最優(yōu)參數(shù)。

2.2.3 管道保溫效果

管道保溫效果對于系統(tǒng)效率來說，是與換熱器效率同樣重要的。對于保溫效果好的管道來說，其損失會很小；但對于保溫效果較差的管道來說，其熱量損失可能會很大，尤其是在管道長度較大，外界環(huán)境溫度較低的狀況下。

定義導熱系數(shù)為k，理想狀態(tài)的模擬下，即管道完全絕熱狀態(tài)下，Qideal,total,inlet=6.012×1010J?？紤]管道的保溫效果，取外界平均環(huán)境溫度為0 ℃，管道保溫層的厚度取為5 mm，定義ΔQe=(Qtotal,inlet-Qtotal,loss)/Qideal,total,inlet為額外輸入熱量百分比，通過改變保溫層導熱系數(shù)來模擬不同情況下的保溫效果。不同導熱系數(shù)的總輸入熱量與額外輸入熱量百分比如表3所示。

根據(jù)表3結(jié)果，將以上關系繪成曲線，得到導熱系數(shù)與總輸入熱量曲線如圖13所示，導熱系數(shù)與額外輸入熱量比曲線如圖14所示。

表3 不同導熱系數(shù)的總輸入熱量和額外輸入熱量百分比

圖13 導熱系數(shù)與總輸入熱量曲線Fig.13 Thermal conductivity and total input heat curve

圖14 導熱系數(shù)與額外輸入熱量百分比曲線Fig.14 Thermal conductivity and additional input heat ratio curve

由表3、圖13和圖14可以看出，隨著保溫層導熱系數(shù)的不斷增大，總輸入熱量不斷升高，兩者之間呈現(xiàn)線性關系。當導熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)時，總輸入熱量達到了理想狀況時的兩倍。

通常而言，保溫材料的導熱系數(shù)范圍在0.01～0.1 W/(m·K)，因此根據(jù)保溫材料的價格、保溫材料效果來選擇導熱系數(shù)合適的保溫材料。導熱系數(shù)與保溫效果之間的關系，也為綜合考慮價格因素、保溫效果因素提供一定的依據(jù)。通過查找相關保溫材料的參數(shù)，選擇導熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)的保溫材料，部分保溫材料參數(shù)如表4所示。

表4 部分保溫材料參數(shù)

2.3 熱庫

熱庫保存水量關系到熱庫的設計，在本模型中，熱庫有溫度為45 ℃，質(zhì)量為5 000 kg的熱水。

2.3.1 熱庫保存水量

更改熱庫保存水量，以此判斷保溫水量對系統(tǒng)的影響。熱庫保存水量總量增加時，其造成的效果與增大儲質(zhì)量相一致，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均能夠趨于穩(wěn)定但速度相較管道而言較慢。

相反地，熱庫保存水量總量減少時，其造成的效果與減少儲質(zhì)量相一致，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均將趨于不穩(wěn)定但速度相較管道而言較慢。

2.3.2 熱庫保存水溫度

更改熱庫保存水溫度，以此判斷保溫水溫度對系統(tǒng)的影響。

熱庫保存水溫度增加時，其造成的效果與增大儲質(zhì)量相一致，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均能夠趨于穩(wěn)定但速度相較管道而言較慢。

相反地，熱庫保存水溫度減少時，其造成的效果與減少儲質(zhì)量相一致，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量、循環(huán)流量均將趨于不穩(wěn)定但速度相較管道而言較慢。

2.4 循環(huán)泵控制部分

循環(huán)泵的工作原理是將水循環(huán)起來，它的揚程較低，只是用來克服循環(huán)系統(tǒng)的壓力降，尤其在中國供暖的管道中，該部分具有十分成熟的技術(shù)。

循環(huán)泵是控制循環(huán)的重要部件，也是影響供熱對象的響應速度的因素。在一個系統(tǒng)中，其循環(huán)流量在整個循環(huán)中存在一定范圍，也存在最佳的循環(huán)流量。

在本次模擬中，初始設定循環(huán)流量為100 kg/s。當循環(huán)流量減小時，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量等參數(shù)在開始時波動幅度較大，經(jīng)過簡單的控制系統(tǒng)的調(diào)整后，也會較快趨于穩(wěn)定，同時循環(huán)流量也能較快趨于穩(wěn)定；當循環(huán)流量增大時，輸入輸出熱量、用戶側(cè)熱庫側(cè)熱量波動程度減小。同時在整個模擬時長內(nèi)，由于這些參數(shù)波動程度很小，因此這些參數(shù)幾乎保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過掌握目標用戶的負荷變化特性和規(guī)律，合理設計供熱系統(tǒng)，對其運行工況、穩(wěn)定性、安全性以及控制系統(tǒng)進行驗證并優(yōu)化。

(1)對于換熱器，隨著換熱器效率的降低，輸入熱量成指數(shù)形式升高，因此在換熱器的選用方面，盡量選擇換熱效率較高的換熱器，對換熱器定期清理，保證換熱效果。

(2)對于熱庫保存水量、保存水溫度、管道等儲質(zhì)部件，應根據(jù)用戶側(cè)需求以及管道布置對儲質(zhì)量、儲質(zhì)溫度、控制系統(tǒng)進行合理設計。

(3)對于管道保溫，管道保溫材料應選擇保溫效果優(yōu)異的保溫材料，減少管道損失，建議選擇導熱系數(shù)小于0.1 W/ (m·K)的保溫材料，定期檢測保溫層的變化情況，保證保溫效果。

(4)在本系統(tǒng)中，由于管道鋪設面積較大，在管道導熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)時，總輸入熱量已經(jīng)達到理想輸入熱量的2倍，而換熱器效率為70%時，總輸入熱量約為理想輸入熱量的1.4倍。因此在本系統(tǒng)中，考慮實際成本等問題，應優(yōu)先保證管道保溫效果。