田路遙

(中建生態(tài)環(huán)境集團有限公司,北京 100037)

改革開放以來我國科技迅猛發(fā)展,隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快,造成我國能源需求呈剛性增長,碳達峰、碳中和計劃也隨之提出[1]。因此,需要加強建筑節(jié)能工作有效控制,避免建筑能耗過快增長。地源熱泵作為利用可再生能源的一種技術,具有節(jié)能、高效、環(huán)保的優(yōu)勢。但在不同氣候條件的地區(qū),建筑物冷熱負荷差別較大,造成土壤溫度降低或升高,導致整個系統(tǒng)效率下降,單一地源熱泵系統(tǒng)可能無法滿足建筑物的能量需求[2],因此地源熱泵系統(tǒng)可同時采用空氣源熱泵、制冷機組、鍋爐或其他輔助能源形式,實現(xiàn)“組合能源”供給建筑物的冷、熱負荷需求。不同形式的能源供給優(yōu)化策略則尤為重要。

Benjamin Hénault[3]等人引入建筑物逐時負荷控制策略和地源熱泵設計溫度因素,確定Spectral-based混合式地源熱泵系統(tǒng)鉆孔最優(yōu)數(shù)量和位置,通過對地源井的優(yōu)化,達到系統(tǒng)運行能耗最低水平。Martin Kegel[4]等人對加拿大高緯度建筑物進行太陽能耦合地源熱泵系統(tǒng)研究,可再生能源復合系統(tǒng)將太陽能轉換成電能后降低系統(tǒng)一次能源消耗,同時節(jié)省設備安裝空間。Alexander Floss1[5]、Jens Glembin1[6]研究了地源熱泵系統(tǒng)耦合水蓄能的系統(tǒng)運行效率,發(fā)現(xiàn)不同形式的機組連接方式對機組的運行效率起到?jīng)Q定性影響因素。盧海勇[7]等提出地源熱泵多能利用方式可提高機組運行效益,并建立耦合系統(tǒng)最優(yōu)運行的模型與算法。劉佳露[8]等模擬地源熱泵輻射供冷系統(tǒng)在不同類型末端的控制方式,可有效提高系統(tǒng)性能,降低能源消耗。張喜明[9]等以原生污水為冷熱源的污水源熱泵系統(tǒng)工程選為研究對象,對集中供熱與冷水機組系統(tǒng)進行能耗對比得出污水源熱泵耦合運行性的節(jié)能特性。孟甲[10]等分析了農村地源熱泵供暖在技術和經(jīng)濟上具有可行性,為我國廣大農村在采暖模式轉變和節(jié)能 減排等方面提供了一種較為可行的思路。宮靜[11]等為解決嚴寒地區(qū)單一地源熱泵系統(tǒng)運行的土壤熱失衡問題,構建了空氣土壤源熱泵耦合運行系統(tǒng),并分析了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與碳排放減排率。

1 地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)主要由能量采集系統(tǒng)、能量提升系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)組成。如圖1。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)組成

1.1 能量采集系統(tǒng)

能量采集系統(tǒng)主要是通過地埋管與土壤的能量交換實現(xiàn)對地源側地熱能收集。地埋管敷設根據(jù)地下盤管的敷設方式可分為水平埋管、垂直兩大類敷設方式。如圖2所示。

圖2 地埋管的敷設

1.2 能量提升系統(tǒng)

能量提升系統(tǒng)一般采用壓縮式熱泵,若熱泵在運行過程中制冷量為A,設備用電功率為B,則熱泵輸出的功率與輸入功率之比為機組效率,如下所示

(1)

地源熱泵提升系統(tǒng)可消耗少量的高品位能源撬動大量的低品位能源變?yōu)樗枰母呒墴崮?其設備機組效率永遠大于1。

1.3 能量釋放系統(tǒng)

能量釋放系統(tǒng)為末端設備的循環(huán)系統(tǒng),主要由末端設備如風機盤管、散熱器、天棚輻射系統(tǒng)、毛細管網(wǎng)系統(tǒng)等末端輻射設備以及循環(huán)水泵、分集水器、定壓補水、軟水器等循環(huán)裝置組合而成。

2 辦公建筑中冷熱源負荷的模擬計算

2.1 DeST建模

根據(jù)樓層平面繪制建模并將建模平面設置為DeST圖層,明確模型的樓層高度、進行墻體的繪制,在墻體的基礎上可插入建筑物內外的門窗并選擇相關門窗墻體參數(shù),建模平面如圖3所示。

圖3 DeST建模

2.2 室內外溫度

2.2.1 全年室外溫度

根據(jù)DeST軟件提供的氣象參數(shù),北京地區(qū)全年室外日干球溫度統(tǒng)計如圖4所示。

圖4 北京地區(qū)全年室外溫度統(tǒng)計

由氣象參數(shù)可得北京地區(qū)全年最高溫度在7～8月,最高氣溫達37～38 ℃,全年平均最高溫度為28～29 ℃;全年最低氣溫為12月至次年1月,氣溫低于-10 ℃,全年平均最低氣溫為-11℃。

2.2.2 全年室內溫度

通過維護結構選取確定條件下,可得出室內的基礎溫度隨外界的變化趨勢。DeST軟件模擬全年室內外溫度的變化如圖5所示。

圖5 北京地區(qū)全年室內外溫度統(tǒng)計

2.3 冷熱源負荷需求的模擬

本辦公建筑位于昌平區(qū),總用地面積25 429 m2,建設規(guī)模性質為科研辦公用房,總建筑面積33 600 m2。其中地上部分25 976 m2。

項目B1層設置冷熱源機房、空調用地源熱泵主機等設備。通過對項目建筑單體全年365天的冷、熱負荷模擬,得到全年所需冷熱負荷量如圖6所示。

圖6 辦公建筑全年空調負荷量模擬結果

圖6顯示,全年冷負荷需求由5月份起開始,至10月份結束,在7～8月出現(xiàn)冷負荷最大時段;全年熱負荷由11月份開始至次年3月份結束,全年熱負荷最大時段出現(xiàn)在12月至次年1月份之間。

2.4 DeST模擬結果

利用DeST軟件可模擬出辦公建筑的空調冷熱負荷需求,如表1所示。

表1 辦公建筑的空調冷熱負荷需求模擬結果

通過DeST對全年冷熱負荷需求的模擬得出全年最高的逐時熱負荷為指標68 W/m2,全年最高逐時冷負荷指標為92 W/m2。其中最大逐時熱負荷為2.285 MW,最大逐時冷負荷為3.091 MW。

3 地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略

3.1 地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)

3.1.1 能源需求補充量

由表1模擬計算可知項目全年空調供冷的總負荷為1 437 307 kWh,全年空調采暖總負荷為1 097 268 kWh。冬季與地源場交換的熱量無法滿足夏季制冷需求,長期采用單獨的地源熱泵系統(tǒng)運行會導致地源場的冷熱不平衡,從而會使系統(tǒng)運行效率和運行狀態(tài)下降。為此,夏季需采用冷負荷補充來滿足地源場的冬夏平衡狀態(tài)。地源熱泵系統(tǒng)需耦合其他冷源系統(tǒng)運行才可滿足地源場平衡的需求。能源需求補充量如表2所示。

表2 能源需求補充量

3.1.2 地源熱泵耦合冷熱源方案

方案一:地源熱泵耦合制冷機組運行。

根據(jù)建筑物冷負荷需求,選用一臺輸入功率為200 kW制冷機組可實現(xiàn)耦合系統(tǒng)的夏季調峰功能,對應選用1臺10.5 kW冷卻塔。地源熱泵耦合制冷機組的運行方式主要以地源熱泵系統(tǒng)為基載,制冷機組調峰使用,分別有100%、75%、50%、25%四種工況。耦合冷源設備綜合能效比為4.15。

方案二:地源熱泵耦合風冷熱泵運行。

地源熱泵耦合風冷熱泵根據(jù)建筑物冷負荷需求,選用10臺模塊式組合制冷機組作為夏季調峰使用,機組為全封閉渦旋壓縮機,每臺名義制冷量為130 kW,名義制冷輸入總功率為44 kW。耦合冷源設備綜合能效比為2.33。

方案三:地源熱泵耦合VRV運行。

根據(jù)建筑物冷負荷需求,選用10臺GMV-PD110VRV室外機,單臺制冷量110 kW,輸入功率28.31 kW。耦合冷源設備綜合能效比為2.9。

3.2 優(yōu)化運行策略

3.2.1 運行工況

在項目中,地源熱泵耦合的冷熱源系統(tǒng)的運行模式以地源熱泵系統(tǒng)為基載,耦合冷源系統(tǒng)調峰。

根據(jù)北京市地區(qū)的全年氣候情況,將冬季和夏季的制冷和供暖負荷分為100%、75%、50%、25%四個階段,不同的負荷狀態(tài)下的運行天數(shù)如表3、表4所示。

表3 夏季運行情況估算

表4 冬季運行情況估算

地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在100%最大負荷日中不同時間段的耗能量與用電量如圖7所示。 地源熱泵系統(tǒng)由22:00至次日5:00處于低負載運行,隨著時間變化和溫度升高,地源熱泵系統(tǒng)的能耗也隨之升高,在6:00～9:00時段地源熱泵系統(tǒng)獨立運行,可滿足整個建筑物的制冷需求,9:00～18:00能耗負載呈上升趨勢,此時間段為地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)混合供能。地源熱泵系統(tǒng)做為基載處于滿載運行狀態(tài),最大制冷量為2282.58 kWh,耗電量為549.42 kWh;冷源系統(tǒng)做為調峰開始投入運行,并逐步達到峰值,累計調峰制冷量為4 160.34 kWh。

圖7 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)最大負荷日負荷曲線

地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在75%負荷日中不同時間段的耗能量與用電量如圖8所示。地源熱泵系統(tǒng)由22:00至次日5:00處于低負載運行,隨著時間變化和溫度升高,地源熱泵系統(tǒng)的能耗也隨之升高,在6:00～12:00時段地源熱泵系統(tǒng)獨立運行,可滿足整個建筑物的制冷需求,12:00～14:00能耗負載呈上升趨勢,此時間段為地源熱泵耦合冷源混合供能。地源熱泵做為基載處于滿載運行狀態(tài),最大制冷量為2 282.58 kWh,耗電量為549.42 kWh;耦合冷源僅在峰值時段投入運行,并逐步達到峰值,累計調峰制冷量為71.63 kWh。

圖8 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)75%負荷日負荷曲線

地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在50%負荷日中不同時間段的耗能量與用電量如圖9所示。此狀態(tài)下地源熱泵系統(tǒng)獨立運行作為基載,完全滿足建筑物制冷工況需求,不需制冷機組耦合運行調峰;整套系統(tǒng)累計耗電量的峰值時段為12:00～14:00,累計電能消耗為372 kWh。在50%負荷日地源熱泵累計全天電能消耗為5 323.68 kWh,對應的制冷量為22 117.54 kWh。

圖9 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)50%負荷日負荷曲線

地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在25%負荷日中不同時間段的耗能量與用電量如圖10所示。此狀態(tài)下地源熱泵系統(tǒng)獨立運行作為基載完全滿足建筑物制冷工況需求,不需制冷機組耦合運行調峰;整套系統(tǒng)累計耗電量的峰值時段為12:00～14:00,累計電能消耗為186.01 kWh。在25%負荷日地源熱泵累計全天電能消耗為2 661.84 kWh,對應的制冷量為11 058.77 kWh。

圖10 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)25%負荷日負荷曲線

由此可知,在100%負荷日、75%負荷日兩類工況下,綜合系統(tǒng)需要耦合冷源設備運行,以100%負荷日為例,結合三種方案設備運行綜合能效比可分別得出,耦合冷源設備峰值制冷量為808.62 kWh,三種設備用電量分別為:耦合制冷機組設備用電量194.63 kWh,耦合風冷熱泵設備用電量為346.68 kWh,耦合VRV設備用電量為278.83 kWh。

3.2.2 優(yōu)化運行策略

地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)運行策略以經(jīng)濟效益為前提,以用能設備的冷熱平衡為原則,包括以下幾個方面的內容:

(1)滿足基本負荷需求的地源熱泵組獨立運行優(yōu)化;

(2)滿足能量平衡條件下的地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)組合運行優(yōu)化;

(3)在極端負荷條件下的系統(tǒng)調峰運行優(yōu)化;

(4)在滿足經(jīng)濟效益最優(yōu)條件下負荷需求的優(yōu)化運行。

3.2.3 優(yōu)化運行模型

(1)總目標函數(shù)

綜合考慮能源、環(huán)境和經(jīng)濟因素來對整體地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)進行優(yōu)化,多目標函數(shù)如式(2)、(3)所示

minF(x)=[β1f1(x),β2f2(x),β3f3(x)]

(2)

f1(x)=f制冷(x)+f制熱(x)

(3)

式中 minF(x)——總體目標函數(shù);

f1(x)子目標函數(shù)——各類冷熱源系統(tǒng)耦合運行的一次能源最低能耗水平;

f2(x)子目標函數(shù)——各類冷熱源系統(tǒng)耦合運行的二氧化碳排放最低水平;

f3(x)子目標函數(shù)——系統(tǒng)經(jīng)濟效益最優(yōu)運行狀態(tài);

f制冷(x)——制冷狀態(tài)下子目標函數(shù);

f制熱(x)——制熱狀態(tài)下子目標函數(shù);

β1,β2,β3——三類評價指標的權重因子,每部分指標權重因子[2]由表5所示。

表5 公共建筑不同指標權重因子

(2)一次能源消耗最低

根據(jù)北京市地區(qū)供暖要求,供暖季為每年11月15日至次年3月15日,夏季制冷季為每年6～9月。制冷供暖時間均為120 d,2 880 h,目標函數(shù)為

(4)

式中P1(t)——地源熱泵系統(tǒng)供暖制冷工況電能消耗/kW;

P2(t)——耦合設備系統(tǒng)制冷工況電能消耗/kW;

Q1(t)——地源熱泵機組制熱、制冷量/kW;

Q2(t)——耦合設備制熱、制冷量/kW;

COP1——地源熱泵機組制熱效率;

COP2——耦合設備制熱效率;

t——機組運行時間/h。

根據(jù)北京地區(qū)建筑物熱負荷需求,在全年8 760 h中制熱時間段為每年11月15日至次年3月15日,地源熱泵系統(tǒng)在制熱工況運行小時數(shù)為0至2 880 h,夏季制冷季為每年6～9月。制冷供暖時間均為120 d,2 880 h。

(3)二氧化碳排放最少

二氧化碳排放量為地源熱泵耦合不同形式的冷熱源系統(tǒng)二氧化碳排放水平。

夏季二氧化碳排放表達式為

(5)

(6)

式中S1(t)——夏季地源熱泵二氧化碳排放量/t;

S2(t)——夏季耦合能源二氧化碳排放量/t;

Si(t)——整體系統(tǒng)夏季二氧化碳排放量/t。

冬季二氧化碳排放表達式為

(7)

式中Si(t)——冬季地源熱泵二氧化碳排放量/t;

Si(x)——整體系統(tǒng)冬季二氧化碳排放量/t。

(4)年總投資最小

年總投資節(jié)約率為地源熱泵耦合不同形式的冷熱源系統(tǒng)的最大初投資與最小初投資差值的比值,可表示為

minf3(x)=C1(y)+C2(y)

(8)

式中C1(y)——初始投資費用;

C2(y)——設備運行費用。

4 結果分析

4.1 能耗

由表6可得幾種能源耦合形式的冬季最大負荷日、夏季最大負荷日能源消耗,并折算出冬季、夏季系統(tǒng)運行電能消耗,結果顯示地源熱泵耦合制冷機組一次能源消耗最低。

表6 地源熱泵耦合一次能源消耗

4.2 碳排放指標

以100%運行日為例,地源熱泵系統(tǒng)耦合制冷機組投入運營后的間接排放。按式(8)計算,地源熱泵機組耦合制冷機組未涉及熱力運行,只對電力消耗二氧化碳排放量進行測算。因此,地源熱泵作為基載運行在夏季最大冷負荷日的二氧化碳排放如下[12]

E電=D地源熱泵f電力+D耦合系統(tǒng)f電力

(9)

D地源熱泵表示地源熱泵機組電力消耗量(MWh),由表6可得100%負荷日地源熱泵系統(tǒng)電力消耗為9.645 96 MWh;D耦合系統(tǒng)耦合系統(tǒng)電力消耗量(MWh),由表6可得制冷機組系統(tǒng)電力消耗為1.001 MWh。f電力表示電力二氧化碳排放因子取0.604[13]。經(jīng)數(shù)據(jù)測算,地源熱泵耦合制冷機組在夏季最大冷負荷日運行狀態(tài)下二氧化碳的總排放量為5.826 t。同理可得不同耦合系統(tǒng)全年二氧化碳排放量對比如表7所示。

4.3 經(jīng)濟效益

4.3.1 初期投資

地源熱泵系統(tǒng)的初期投資主要包括土建過程中的地埋管的設置、地源熱泵機組的配置與安裝,以及配套機組運行的水泵和補水裝置和末端機電安裝的管線設備、熱交換所需設備等設施購置于安裝費用。制冷機組設備為耦合地源熱泵系統(tǒng)同時運行的制冷設備,主要設備包括制冷機組、屋頂冷卻塔和機組運行相關配套的冷凍側水泵、用戶末端運行使用的用戶側和空調補水水泵等。各類耦合系統(tǒng)初投資金額可根據(jù)預算金額分類明確,地源熱泵及耦合系統(tǒng)初投資對比如表8所示。

表8 地源熱泵耦合系統(tǒng)初投資對比

4.3.2 運行費用

北京市地區(qū)對民用、普通工商業(yè)的用電負荷電價都有相關的政策要求,結合北京市針對普通商業(yè)辦公性質建筑使用峰谷電價制度,測算地源熱泵耦合三種不同形式冷源運行費用如表9所示。

表9 地源熱泵耦合系統(tǒng)運行費用

4.4 總目標函數(shù)

基于以上章節(jié)中的一次能源消耗最低、二氧化碳排放最少及年總投資最少,并結合各子目標函數(shù)的權重系數(shù)可得出地源熱泵耦合制冷機組為最優(yōu)運行策略,如表10所示。

5 結論

(1)本項目通過分析北京市某辦公建筑的日常運行制冷、供暖需求,模擬辦公樓在夏季與冬季運行的冷熱負荷量。利用數(shù)據(jù)分析冷熱源耦合系統(tǒng)最優(yōu)的運行策略。

(2)結合北京地區(qū)的室外環(huán)境特點、建筑物外圍護結構特性和辦公建筑冷熱負荷的需求,利用DeST軟件,模擬項目在日常運行所需的冷熱負荷量。得出北京地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)夏季負荷量大于冬季運行的整體負荷。

(3)基于以上分析內容,確定地源熱泵的耦合系統(tǒng)需夏季耦合冷源來避免冬季地源場回灌熱量不足的現(xiàn)象產(chǎn)生,并確定地源熱泵及其耦合系統(tǒng)的設備參數(shù)。

(4)分析地源熱泵系統(tǒng)單獨運行的用電參數(shù)指標與各類能源耦合系統(tǒng)的運行參數(shù)。并建立多目標函數(shù)耦合運行的數(shù)學模型。通過各類冷熱源系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和耗電量與二氧化碳間接排放量的數(shù)據(jù)對比,得出地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)運行的最優(yōu)運行策略。