孫 兵

（陜西秦元熱力股份有限公司，陜西 西安 712038）

0 引言

城鎮(zhèn)化的發(fā)展帶來了區(qū)域經(jīng)濟的集聚發(fā)展，提供了大量的就業(yè)機會，人口大量向城鎮(zhèn)涌入，由此衍生出住房和商業(yè)問題。在我國廣大的北方地區(qū)，為了滿足人民冬季的供暖要求，消耗了大量的煤炭、電力和化石能源，同時也產(chǎn)生了冬季漫長的霧霾天氣，給城市的環(huán)境和國民的健康帶來沉重的負擔。

在我國的“碳中和、碳達峰”的雙碳戰(zhàn)略下，國家對能源供給側進行了改革，不斷減少化石能源的消耗，提高綠色清潔和可再生能源的利用率，城市熱網(wǎng)功能的發(fā)展趨勢也從“單一能源”向“多能源組合互補”發(fā)展，利用石化能源與可再生能源的實現(xiàn)多能互補，可以有效地調動資源配置，通過組合協(xié)同供熱的方式，在系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下，可以增加綠色清潔和可再生能源在整個供熱體系中的比重，避免了由于新建或者改建集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中消耗的大量資金投入和供熱能力不足等問題，解決了冬季集中供暖需求大的現(xiàn)實問題，降低集中供暖的運營成本，提高環(huán)境效益。

1 多能互補集中供熱系統(tǒng)的基本原理

多能互補集中供熱是最早在歐洲興起的一種能源配給方式。通過修建大量的太陽能與生物能聯(lián)合供熱廠，為社區(qū)、政府辦公樓、醫(yī)院以及商業(yè)大樓等提供供熱能源，該能源補給方式有效地提高了可再生能源的利用率，避免了冬季天然氣和煤氣的消耗，并在丹麥、挪威以及冰島等國家成功應用。在英國、法國和德國等國家，采用集中利用太陽能與燃氣結合的方式為生活熱水、掛壁爐供熱提供能量。在美國和加拿大等國家，也采用豐富的生物質能源與傳統(tǒng)能源、太陽能相結合的方式進行供熱，并提供了可供參考的能源建設方案和供熱系統(tǒng)建設思路。

在我國，對集中供暖的需求主要是在北方地區(qū)，這些地區(qū)在集中供暖的過程中，為了減少不可再生能源的消耗以及化石能源帶來的環(huán)境污染，采用太陽能、雙熱源熱泵等方式擴大太陽能和空氣能的利用率。多能互補集中供熱系統(tǒng)主要由3個部分組成，分別是集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)、雙熱源熱泵機械系統(tǒng)以及太陽能集中供熱系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。集中供熱管網(wǎng)主要是利用市政供熱管網(wǎng)中的熱量，這些熱量傳遞媒介為高溫熱水或者高溫蒸汽，并經(jīng)過兩級轉換進行利用，以經(jīng)過一級市政管網(wǎng)運輸至換熱站，換熱站對熱能進行分配和轉換，再輸送到二次管網(wǎng)，到達用戶終端；雙熱源熱泵機組主要利用的熱力來源為空氣熱量和太陽能集熱水箱，通過并聯(lián)的蒸發(fā)器對2種熱源進行并聯(lián)利用，同樣地使用換熱站對熱量進行控制，調配到適宜溫度后輸送至客戶終端；太陽能集中供熱系統(tǒng)主要利用的的是太陽能，太陽能集熱器將太陽光的熱量吸收，轉化為水的熱量并存儲在蓄熱水箱中，當水溫達到一定的溫度時，可以向外輸送熱水供用戶使用，溫度較低時也可用采取熱泵抽取的方式將溫度進行提取，滿足用戶的熱源要求。

圖1 多能互補集中供熱系統(tǒng)的原理圖

2 基于TRNSYS仿真模擬的多能互補集中供熱系統(tǒng)分析

本次研究的工程項目為陜西西咸新區(qū)某新城綜合開發(fā)的PPP項目，開發(fā)新建工程，并對現(xiàn)有建筑立面進行施工改造，通過該方式提升城市形象，增加城市內涵，提高城市公共建筑的綜合服務水平?？傊?，該項目所在地區(qū)是集會議中心、展覽交流、景觀生態(tài)、精品商業(yè)以及智慧城市等功能于一體的城市核心和城市地標空間。該工程項目綠化工程建設用地面積為18220.72m，其中包括A-19地塊12976.31m，A-20地塊1373.44m，道路3870.98m。地上建筑面積29660.64m。地下建筑面積16163.38m（已建4802m，新建11361.38m）。新建一棟地下2層、地上4～5層（含一層夾層）的城市客廳，建筑整體為框架式結構，建設設計涉及多種能源的綜合利用，設計熱負荷指標為45w/m。

建設場地行政隸屬陜西西咸新區(qū)，處于關中平原核心地帶，涉及西安市和咸陽市7個縣區(qū)，23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處，屬于黃土臺塬、河流階地和洪積平原地貌。為了保證多能互補集中供熱系統(tǒng)施工順利實施，在開展施工前，由試驗方與地方氣象臺進行信息對接，獲取項目施工區(qū)域的氣候特征，得到下述數(shù)據(jù)。年平均氣壓1015hPa；無霜期170d～205d；霧天20.7d；最大積雪20cm；年日照時數(shù)2017.5h～2346.8h。由此可見，該地區(qū)屬于大陸性季風季候，雨水量充沛，冬季寒冷與夏季炎熱多雨。

為了更好地對項目的多能互補集中供熱系統(tǒng)進行分析，采用TRNSYS16動態(tài)模擬程序建立符合實際多種能源綜合利用的供熱仿真系統(tǒng)模型，在計算程序中嵌入了多種數(shù)學計算模塊，對模型的計算只需自動地調用相應模塊即可以直接求解，具有運行高效和準確的特點。在氣象數(shù)據(jù)處理中，主要采用Type1o-TMY2模塊，其涉及的氣象參數(shù)很多，其中太陽輻射參數(shù)是最主要的計算參數(shù)，根據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)可以按照公式（1）～公式（2）計算各太陽輻射參數(shù)。

式中：I為某一個傾斜面上，太陽光輻射在其表面的總輻射強度；I為某一個傾斜面上，太陽光直射在其表面的總強度，R為斜面太陽光的直射強度除以水平面太陽光的直射強度；I為某一個傾斜面上，太陽光的散射強度，R為斜面太陽光的散射強度除以水平面太陽光的散射強度；I為某一個傾斜面上，太陽光的反射強度，R為斜面太陽光的反射強度除以水平面太陽光的反射強度；為傾斜面的傾斜角度；為傾斜面的方位角，為太陽光的偏轉角；為維度，為時角。

在太陽能集熱器模型中，主要模擬平板型的太陽能集熱器，其主要的計算方程如公式（3）所示。

式中：為設備的瞬時效率；Q為設備的有效熱量；A為設備的采熱面積；I為平板斜面收集到道德太陽能輻射強度；F為設備的熱遷移因子；為溫度。

建立的多種能源綜合利用的供熱仿真系統(tǒng)模型如圖2所示。計算時，先對雙熱源熱泵啟用和停用信號進行輸入、對雙熱源熱泵的運行模式信號進行輸入，然后判斷雙熱源熱泵信號和雙熱源熱泵的運行模式信號是否為0，在雙熱源熱泵信號中，0代表停止，1代表運行；在雙熱源熱泵的運行模式中，0代表運行采用空氣環(huán)境的熱量，1代表運行采用太陽能集水箱的熱量。如果為0，則輸出雙熱源熱泵側的出口溫度與水源熱泵源側的出口溫度相等、雙熱源負荷側的出口溫度與水源負荷側的出口溫度相等，如果不為0，則輸出水源熱泵源側的出口溫度與空氣源熱泵負荷側的出口溫度相同雙熱源熱泵制熱量與空氣源熱泵的制熱量相等、雙熱源熱泵的能效比與空氣源熱泵的能效比相等。計算時分別設置5種工況，設計負荷分別為60%、70%、80%、90%和100%，觀測運行7000h～10000h的熱泵指標參數(shù)。

圖2 基于TRNSYS程序的多能互補集中供熱系統(tǒng)仿真模型

3 多能互補集中供熱系統(tǒng)的熱泵性能系數(shù)與能耗分析

由于熱泵性能系數(shù)值（能效比）反映的是熱泵制熱量與熱泵耗電量的比值，因此其是供熱系統(tǒng)中重要的指標參數(shù)，可以預測能源的轉化效率與節(jié)能效率，因此仿真模型主要集中于研究熱泵性能系數(shù)值的變化。圖3為基于TRNSYS程序的不同工況下的雙熱源熱泵水源側和空氣側的仿真計算結果。

從圖3（a）中可以看出，隨著時間的變化，60%負荷比例工況下，水源側熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長表現(xiàn)出劇烈的變化，其變化值為3.53～4.99，平均值為4.22；70%負荷比例工況下，水源側熱泵性能系數(shù)值變化有所收斂，其變化范圍為3.64～4.47，平均值為4.05；80%負荷比例工況下，水源側熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍為3.81～4.43，平均值為4.18；90%負荷比例工況下，水源側熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍為3.50～4.49，平均值為4.02；在100%負荷比例工況下，水源側熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍從3.81～4.48，平均值為4.18。由此表明，各個工況下雙熱源熱泵水源側的平均值均大于4.00，處于高效率運行狀態(tài)，能源轉換率良好。

圖3 基于TRNSYS程序的不同工況下的雙熱源熱泵仿真計算結果

從圖3（b）中可以看出，隨著時間的變化，在60%負荷比例工況下，空氣層熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍為3.50～5.91，平均值為4.77；70%負荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值變化有所收斂，其變化范圍為3.50～5.82，平均值為4.47；80%負荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化劇烈，其變化范圍為2.50～5.94，平均值為4.22；90%負荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化劇烈，其變化范圍為3.50～4.98，平均值為4.30；100%負荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值隨時間的增長起伏變化較為劇烈，其變化范圍為3.50～6.00，平均值為4.73。由此表明，各個工況下雙熱源熱泵水源側的平均值均大于4.00，處于高效率運行狀態(tài)，能源轉換率良好。

進一步對多能互補集中供熱系統(tǒng)的一次能源利用率和一次能源消耗量進行分析，結果見表1和表2。從表1中可以看出，多能互補集中供熱系統(tǒng)的一次能源利用率隨著負荷比例的增加而增加，最小值為2.75，最大值為3.98，一次能源利用率遠大于燃煤鍋爐房的一次性能源利用率（1.63）和燃氣鍋爐房的一次性能源利用率（0.75）。表明多能互補集中供熱系統(tǒng)具有良好的能源利用率且利用的綠色清潔能源比例不斷增加，有利于環(huán)境保護。

表1 基于TRNSYS程序的多能互補集中供熱系統(tǒng)一次能源利用率計算結果

從表2中可以看出，多能互補集中供熱系統(tǒng)的一次能源消耗量隨著負荷比例的增加而減少，單位面積年耗標煤量最小值為2.32kg/m，最大值為3.04kg/m，一次能源消耗量遠大于燃煤熱電廠的一次性能源消耗量（8.23kg/m）。表明多能互補集中供熱系統(tǒng)具有良好的能源節(jié)約能力，有利于環(huán)境保護。

表2 基于TRNSYS程序的多能互補集中供熱系統(tǒng)一次能源消耗量計算結果

4 結語

該文以陜西西咸新區(qū)某新城綜合開發(fā)的PPP項目為研究對象，基于TRNSYS軟件對多能互補集中供熱系統(tǒng)進行仿真模擬，得到以下3個結論。1）各個工況下雙熱源熱泵水源側和空氣側的平均值均大于4.00，處于高效率運行狀態(tài)，能源轉換率良好。2）多能互補集中供熱系統(tǒng)的一次能源利用率隨著負荷比例的增加而增加，一次能源利用率遠大于燃煤鍋爐房的一次性能源利用率（1.63）和燃氣鍋爐房的一次性能源利用率（0.75），具有良好的能源利用率。3）多能互補集中供熱系統(tǒng)的一次能源消耗量隨著負荷比例的增加而減小，一次能源消耗量遠大于燃煤熱電廠的一次性能源消耗量（8.23kg/m），節(jié)約能源。