郭忠平，趙曉丹，任建花，張肖虎

(1.太原三劍自動(dòng)化技術(shù)有限公司,山西 太原 030006; 2.山西五建集團(tuán)有限公司,山西 太原 030013)

地源熱泵所使用的地?zé)崮芤蚱淞己玫姆€(wěn)定性和環(huán)境友好性將會(huì)是清潔能源開發(fā)的主要目標(biāo)之一,但地源熱泵系統(tǒng)作為單一熱源容易出現(xiàn)熱平衡失調(diào)等問題,影響系統(tǒng)工作效率。天然氣因其儲(chǔ)量大,潔凈環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)可以作為輔助熱源的首選,降低地?zé)崮芾眠^程中產(chǎn)生的熱不平衡性。因此,地源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供暖系統(tǒng)可以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),并且較好解決單個(gè)熱源供暖存在的問題,提高整個(gè)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

在雙熱源耦合供暖系統(tǒng)中,不同熱源的容量配比參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率產(chǎn)生影響,是現(xiàn)有研究關(guān)注的重要方向之一[1]。由于建筑峰值負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間較短,如果單純依據(jù)峰值負(fù)荷進(jìn)行機(jī)組容量設(shè)計(jì)會(huì)造成機(jī)組功率放大,產(chǎn)生不必要的能源浪費(fèi)[2-3]。所以在設(shè)計(jì)初期應(yīng)該參考建筑逐時(shí)負(fù)荷,靈活調(diào)整熱源機(jī)組的數(shù)量并提供多種熱源裝機(jī)容量搭配方案,合理分配熱源承擔(dān)的熱負(fù)荷比例[4-5]。針對(duì)供熱系統(tǒng)裝機(jī)容量的合理配置以及熱負(fù)荷恰當(dāng)分配的問題,部分學(xué)者進(jìn)行了研究,建立了便于優(yōu)化以電、熱、冷和燃料流量為特征的復(fù)雜能源網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷分配數(shù)學(xué)模型[6]。目前,對(duì)于熱源容量配比的研究相對(duì)有限,主要集中在理論數(shù)學(xué)模型的提出階段,且計(jì)算方法較為復(fù)雜,對(duì)不同實(shí)體建筑供暖方案中熱源容量配比的具體推薦值以及簡(jiǎn)單計(jì)算方法研究較少。

本文根據(jù)太原市的氣象參數(shù)和地理位置參數(shù),針對(duì)某高校內(nèi)圖書館,依托TRNSYS模擬平臺(tái)搭建了一套地源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供暖系統(tǒng)模型。綜合考慮對(duì)雙熱源耦合供暖系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響因素,改變兩種熱源承擔(dān)的熱負(fù)荷比例,對(duì)比系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益選擇出最佳的系統(tǒng)方案,為之后類似建筑的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程案例

1.1 項(xiàng)目概況

本文以太原市某高校圖書館為研究對(duì)象,建筑供熱面積為70 510 m2,共15層,主要由閱覽室、會(huì)議室、活動(dòng)中心構(gòu)成。太原市屬于寒冷地區(qū),冬季供暖期為冬季11月1日到次年3月31日,共150 d左右。圖書館末端形式采用地板輻射采暖,日間設(shè)計(jì)供暖水溫度為45 ℃,回水溫度為40 ℃,供回水溫差為5 ℃,夜間設(shè)計(jì)供暖水溫度為5 ℃,達(dá)到管道防凍效果。

1.2 建筑負(fù)荷模擬計(jì)算

依據(jù)GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范和GB 50176—93民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,具體參數(shù)設(shè)置見表1。采用TRNBuild軟件對(duì)其進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬計(jì)算。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)

動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷模擬計(jì)算結(jié)果如圖1所示,峰值負(fù)荷出現(xiàn)在12月中旬,約為5 000 kW。最低負(fù)荷出現(xiàn)在3月中旬,約為500 kW,僅為峰值負(fù)荷的10%左右。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理及控制策略

本文以地源熱泵機(jī)組作為供暖系統(tǒng)的主要熱源,配置燃?xì)忮仩t作為輔助熱源,整個(gè)系統(tǒng)示意如圖2所示。建筑的熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組與燃?xì)忮仩t共同承擔(dān),根據(jù)不同的啟?？刂撇呗詫?duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)行控制。具體的啟?？刂撇呗匀缦?

1)根據(jù)建筑的逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行控制,當(dāng)逐時(shí)負(fù)荷值高于地源熱泵機(jī)組承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí),鍋爐側(cè)水泵開啟,燃?xì)忮仩t介入進(jìn)行補(bǔ)熱。當(dāng)逐時(shí)負(fù)荷值低于地源熱泵機(jī)組承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí),鍋爐側(cè)水泵關(guān)閉,燃?xì)忮仩t停止補(bǔ)熱。

2)根據(jù)儲(chǔ)水水箱頂層溫度進(jìn)行控制。當(dāng)儲(chǔ)水水箱頂層溫度低于設(shè)計(jì)供水溫度45 ℃時(shí),鍋爐側(cè)水泵開啟,燃?xì)忮仩t介入進(jìn)行補(bǔ)熱。當(dāng)儲(chǔ)水水箱頂層溫度高于設(shè)計(jì)供水溫度45 ℃時(shí),鍋爐側(cè)水泵關(guān)閉,燃?xì)忮仩t停止補(bǔ)熱。

2.2 模擬計(jì)算工況

由于熱源的運(yùn)行費(fèi)用以及初投資均有差異,所以不同的容量配比會(huì)產(chǎn)生不同的經(jīng)濟(jì)效益。以兩種熱源共同承擔(dān)建筑需求負(fù)荷為目標(biāo),改變地源熱泵機(jī)組承擔(dān)的設(shè)計(jì)負(fù)荷比,依次計(jì)算熱泵機(jī)組承擔(dān)建筑熱負(fù)荷比20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%七種工況。由于0 kW～500 kW區(qū)間內(nèi)熱負(fù)荷出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)最多,在對(duì)熱源機(jī)組進(jìn)行選擇時(shí),以額定制熱功率500 kW為梯度進(jìn)行搭配組合,具體組合方案如表2所示。通過對(duì)比計(jì)算表2中15種工況下,方案1～方案6的經(jīng)濟(jì)效益,從而得到最優(yōu)的熱泵機(jī)組容量配比與最佳的系統(tǒng)運(yùn)行方案。

表2 不同工況下的機(jī)組搭配組合方案

3 模擬結(jié)果分析

3.1 能效比SCOP

SCOP代表了整個(gè)供暖系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化的效率,能效比越大,節(jié)能效果越好。不同運(yùn)行方案下供暖系統(tǒng)的SCOP計(jì)算結(jié)果如圖3所示。運(yùn)行方案4,方案5下各個(gè)工況的SCOP較高,系統(tǒng)能源利用較為高效,而運(yùn)行方案3下各個(gè)工況的SCOP較低,能源利用率較差。同一種運(yùn)行方案下,從工況1到工況15,系統(tǒng)的SCOP值逐漸增加,且增加的速率逐漸減小,可以看出當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比例逐漸增加時(shí)整個(gè)供暖系統(tǒng)的能效比也會(huì)隨之增加,系統(tǒng)的節(jié)能效果也會(huì)更加明顯。工況3、工況8、工況13中均采用了大機(jī)組搭配小機(jī)組的組合方式進(jìn)行制熱,額定功率較大的機(jī)組最后啟動(dòng),機(jī)組的功率較高而建筑所需求的供熱量較低,會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的SCOP較低。所以針對(duì)建筑物所需求的供熱量對(duì)熱源機(jī)組進(jìn)行合理的搭配組合會(huì)使得整個(gè)供暖系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

以太原市學(xué)校電價(jià)0.428元/(kW·h)、燃?xì)赓M(fèi)用2.93元/(N·m3)為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算不同運(yùn)行方案下供暖系統(tǒng)各個(gè)工況的年運(yùn)行費(fèi)用,結(jié)果如圖4所示。通過對(duì)比系統(tǒng)各個(gè)工況在不同運(yùn)行方案下年運(yùn)行費(fèi)用時(shí)得知,工況13,工況14年運(yùn)行費(fèi)用較低,分別為每年55.7萬(wàn)元和55.8萬(wàn)元,相較于使用運(yùn)行方案3節(jié)省了39.1%和31.4%。可以看出,以水箱頂層溫度作為燃?xì)忮仩t介入供暖系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,熱源機(jī)組采用變流量定溫差的運(yùn)行控制策略時(shí)具有較差的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)圖5所示,隨著地源熱泵機(jī)組承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比的增加,熱泵機(jī)組部分的運(yùn)行費(fèi)用逐漸升高且變化速率逐漸降低,燃?xì)赓M(fèi)用逐漸降低且變化速率逐漸降低。在工況6中,系統(tǒng)在運(yùn)行方案5下的運(yùn)行費(fèi)用突然升高,所以在選擇機(jī)組組合時(shí)應(yīng)該按照負(fù)荷區(qū)間劃分選擇合理的運(yùn)行機(jī)組搭配方案,否則會(huì)大大增加機(jī)組的耗能。

單位供熱量費(fèi)用隨著地源熱泵機(jī)組承擔(dān)的建筑負(fù)荷比的增加而逐漸減少?？梢钥闯?在地源熱泵機(jī)組承擔(dān)的建筑熱負(fù)荷比越多時(shí),系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用越少,地源熱泵機(jī)組相對(duì)比燃?xì)忮仩t具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),在耦合系統(tǒng)中,當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組承擔(dān)建筑熱負(fù)荷比例達(dá)到40%以上時(shí),系統(tǒng)的節(jié)能效果就會(huì)大幅度下降。

4 結(jié)論

本研究中,針對(duì)太原地區(qū)某高校圖書館設(shè)計(jì)了一套雙熱源耦合的供暖系統(tǒng),以地源熱泵作為主要熱源,燃?xì)忮仩t作為輔助熱源進(jìn)行供暖。利用TRNSYS軟件對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行建模,改變其不同熱源承擔(dān)的建筑熱負(fù)荷比例和運(yùn)行控制策略,分析不同工況下系統(tǒng)的能耗變化,利用凈現(xiàn)值和費(fèi)用現(xiàn)值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià),得到以下主要結(jié)論:

1)在地源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供暖系統(tǒng)中,地源熱泵系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組承擔(dān)的建筑熱負(fù)荷比例越高,系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用越低,供暖系統(tǒng)的SCOP值越高。2)在地源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供暖系統(tǒng)中,對(duì)于熱源容量配比設(shè)計(jì)方面,當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組和燃?xì)忮仩t分別承擔(dān)40%和60%建筑熱負(fù)荷,同時(shí)采用變流量變溫差的運(yùn)行控制方式時(shí),供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最具經(jīng)濟(jì)效益。此時(shí),供暖系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為73.7萬(wàn)元。全年減少二氧化碳排放2 461 t,減少氮氧化物排放37 t。