小型能源總線系統(tǒng)全年動態(tài)熱力性能仿真分析

王培培龍惟定

(1同濟大學機械與能源工程學院 上海 200092;2同濟大學中德工程學院 上海 200092)

小型能源總線系統(tǒng)全年動態(tài)熱力性能仿真分析

王培培1龍惟定2

(1同濟大學機械與能源工程學院 上海 200092;2同濟大學中德工程學院 上海 200092)

能源總線系統(tǒng)是集成化規(guī)模化應用區(qū)域內的可再生能源及未利用能源的低碳區(qū)域能源系統(tǒng)。本文以TRNSYS為仿真平臺，構建基于淺層地熱能利用的土壤源與地表水源集成形式的能源總線系統(tǒng)各個部件的理論模型，對系統(tǒng)進行全年變工況動態(tài)逐時仿真研究，計算小型能源總線系統(tǒng)應用于金茂崇明低碳實驗社區(qū)的全年逐時熱力性能。研究結果表明，能源總線系統(tǒng)的全年系統(tǒng)綜合熱力性能系數達3.5，而常規(guī)方案的系統(tǒng)綜合熱力性能系數均小于1.5，節(jié)能率和減碳率均大于20%，實現了可再生能源利用與能量回收綜合效益。

能源規(guī)劃；能源總線系統(tǒng)；熱泵；系統(tǒng)仿真；淺層地熱能

氣候變暖是全球共同面臨的急迫挑戰(zhàn)之一。國務院通過十二五控制溫室氣體排放方案，到2015年實現單位國內生產總值二氧化碳排放比2010年下降17%的目標。控制CO2排放涉及各行各業(yè)，在建設領域，低碳城市和低碳社區(qū)近年來逐漸成為規(guī)劃設計的關注點，全球各地已出現了不少低碳社區(qū)或碳中和社區(qū)，典型的有英國的貝丁頓(BedZED)[1－3]、德國的弗班區(qū)(Vauban District)[4]、瑞典的韋克舍(Vaxjo)[5－6]、阿聯(lián)酋的馬斯達爾城(Masdar)[7－8]等。不同的自然條件和國情讓我們在學習外國的同時又要發(fā)掘適合我國的低碳之路。

實現低碳的途徑之一就是節(jié)能。在建筑能耗中，空調能耗約占2/3左右，占總能耗的22%左右。我國氣候區(qū)域分布較廣，對供冷供熱都有較大需求。雖然在我國南方地區(qū)沒有集中供熱系統(tǒng)，但是供熱需求是一直存在的。在建設低碳城市低碳社區(qū)及滿足人民生活水平的要求下，采用低碳節(jié)能的區(qū)域供冷供熱能源系統(tǒng)是最為重要的。目前，區(qū)域供冷或者區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)在法國、瑞典、日本等很多發(fā)達國家技術已經十分成熟；在中國，北方區(qū)域集中供熱技術應用廣泛，但是區(qū)域供冷或者區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)仍然處在摸索階段，并且由于一些示范案例的冷價過高導致區(qū)域供冷技術的適應性問題在學術上存在分歧[9]。

能源總線系統(tǒng)是一種集成化規(guī)模化應用區(qū)域內的可再生能源及未利用能源的低碳區(qū)域供冷供熱能源系統(tǒng)[10－11]。能源總線系統(tǒng)半集中的末端系統(tǒng)形式不但可以規(guī)避區(qū)域供冷系統(tǒng)末端負荷率低導致的系統(tǒng)能效降低的問題，還可以在區(qū)域級別上集成應用多種天然冷熱源，同時回收熱量，提高系統(tǒng)能效比。

本文以金茂崇明低碳實驗社區(qū)中的運動會所為研究對象，在Trnsys平臺上，對系統(tǒng)各個部件進行建模，搭建基于淺層地熱能利用的土壤源與地表水源集成形式的小型能源總線系統(tǒng)，分析系統(tǒng)全年動態(tài)綜合熱力性能，為建設具有示范意義的低碳社區(qū)能源樣板工程提供技術支撐。

1 小型能源總線系統(tǒng)

系統(tǒng)集成應用淺層地表蓄熱能，地表水等低品位能源，末端采用熱泵技術進行能源品位的提升，對建筑進行冷熱能源供應。小型能源總線系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 小型能源總線系統(tǒng)圖Fig·1 SchematiCdiagramof the small energy bus system

2 模型建立

2·1 建筑負荷模型

示范建筑位于崇明島，功能為運動會所。運動會所服務于基地南側的運動場地，地上建筑面積8371.45 m2，大部分3層，局部5層。主要為會員服務區(qū)、行政辦公、餐廳、包房等。地下一層，建筑面積2838.45 m2，包括球車庫、員工餐廳、員工更衣室、食品庫房、設備用房等。

使用eQUEST軟件對示范建筑進行物理建模，進行全年逐時空調冷熱負荷及生活熱水負荷分析，模擬結果見圖3。

圖2 示范建筑模型圖Fig·2 Model diagramof the demonstration building

圖3 示范建筑全年逐時負荷分布圖Fig·3 The demonstration building annual hourly load curve

2·2 能源總線系統(tǒng)末端設備模型

能源總線系統(tǒng)中末端設備與總線熱量交換，對末端設備建模，以用于系統(tǒng)仿真分析。本研究中末端設備主要涉及有兩種，一是用于制冷制熱的水冷變制冷劑流量機組，二是用于生活熱水制備的水-水熱泵機組。在建立末端設備模型時，既要考慮符合設備自身熱力性能，又要與能源總線系統(tǒng)相匹配。

1)水冷VRF

通過分析水冷VRF機組熱力性能測試數據，得到機組能效比COP與自變量負荷Q、水源側進水溫度tin、流量 G的相關性模型，選擇一個基準狀態(tài)(tin0、G0、Q0)，使數據無量綱化。

以某廠水冷多聯(lián)機組的數據進行回歸分析，結果見表1。a、b、c、d、e為回歸系數，R2為擬合優(yōu)度判定系數。

表1 水冷VRF模型回歸結果Tab·1 The regression results of water-cooled VRFmodel

由水冷VRF機組數據分析可知:流量對機組性能的影響遠小于進水溫度與負荷率對機組性能的影響。因此，在系統(tǒng)配置設定參數的時候，不可為了提升機組性能系數而采用加大流量的方式，這樣會大幅度增加輸送能耗，反而得不償失會造成系統(tǒng)總體能耗增加。

2)水-水熱泵

通過分析水-水熱泵機組熱力性能測試數據，得到機組負荷Q、功率W、能效比COP與自變量水源側進水溫度tsin、水源側流量Gs、負荷側進水溫度Tlin、負荷側流量 Gls的相關性模型，選擇一個基準狀態(tài)(tsin0、Tlin0、Gs0、Gls0)，使數據無量綱化。

式中:Y代表因變量負荷Q、功率W和能效比COP；a、b、c、d、e為回歸系數；R2為擬合優(yōu)度判定系數。以某廠機組的數據進行回歸分析，結果見表2。

2·3 能源總線系統(tǒng)源側模型

1)土壤埋管換熱模型

地埋管換熱器的傳熱模型分析屬于多孔介質中的傳熱傳質問題，影響因素較多，包括地下水的滲流作用、回填材料的性能、巖土體熱物性的變化以及傳熱過程涉及的時間尺度很長，至少為數月或者數年。地埋管換熱器的模型據不完全統(tǒng)計約有30種[12]。其中的理論解主要為基于無線長線熱源模型或者基于無線長圓柱面熱源模型。數值解主要是有限差分法、有限元法等數值分析方法。

表2 水-水熱泵模型回歸結果Tab·2 The regression results of water-to-water heat pumPmodel

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(Technical code for ground-source heat pumPsystem)——hnical code f中推薦地埋管換熱器的計算核心為瑞典隆德大學開發(fā)的g-functions[13－14]算法。該模型假定鉆孔均勻的分布在地下一個虛擬的圓柱體內，U型管內是對流形式換熱，鉆孔與圓柱體間是導熱形式換熱。周圍土壤溫度分布通過三個部分計算獲得，一個全局解，一個局部解，一個穩(wěn)流解。全局解和局部解用有限差分法獲得，穩(wěn)流解用解析方法得到。最后整體的土壤溫度場用疊加的方法得到。土壤埋管的模型使用TRNSYS中的模型。這也是規(guī)范推薦使用的模型之一。

2)地表水源換熱模型

地表水源通過選用的管殼式換熱器作為間接換熱器，與總線進行熱量交換。總線水流經殼程，河水流經管程。

其中最重要的模型為地表水溫度模型。能源總線系統(tǒng)中，地表水溫模型分兩部分:1)地表水自然水溫預測模型；2)系統(tǒng)運行時水溫的變化模型。流動水體流速較快，無明顯熱分層現象，豎向水溫分布均勻，江河水屬于流動水體。

文獻[15]中對黃浦江水溫實施了連續(xù)實測(2006年6月—2006年7月)，對室外空氣干濕球溫度進行了同步測試。實測結果表明:水溫的日較差相比氣溫很小，變化幅度在1℃以內，穩(wěn)定性好，利于末端機組可靠運行。一年中，水溫日均值在6.4～32.1℃之間變化。

能源系統(tǒng)能耗計算應該按照逐時數據進行計算，這樣的計算才能正確的對不同性質的冷熱源進行性能對比分析。月平均氣溫與江水溫度呈現顯著的線性關系，但逐時氣溫與水溫線性相關性差，不能用月平均值替代逐時值進行計算。由于江水溫度日差較小，加上逐時水溫資料獲取困難，可用江水日均值替代江水溫度逐時值，空氣溫度采用逐時值進行計算。

3)輔助加熱模型

當總線水的溫度低于某一設定值時，進行補熱。本研究設定總線水最低水溫為10℃，不足時用燃氣熱水爐作為輔助加熱器進行補熱。

3 系統(tǒng)設計方案

1)總設計方案

系統(tǒng)采用土壤源熱泵和地表水源熱泵復合式能源總線系統(tǒng)，冬季熱負荷由土壤源埋管承擔，夏季負荷由土壤源與地表水源共同承擔，以平衡土壤源冷熱量，保持土壤溫度全年平衡。

能源總線系統(tǒng)由于采用低品位能源與可再生能源，決定了能源總線系統(tǒng)設計的特殊性。負荷特性(包括負荷大小、整體趨勢的舒緩、高峰期維持的時間等方面)對于低品位能源與可再生能源的性能有重要的影響，因此能源總線系統(tǒng)設計不僅要考慮最大容量時刻的負荷匹配，也要考慮源側性能衰減，以確保系統(tǒng)匹配負荷的能力不會隨著時間而衰減導致無法滿足用戶要求。能源總線系統(tǒng)的設計采用長時間逐時仿真進行，與采用靜態(tài)的經驗值或者最大值設計計算相對比，能更好的保證系統(tǒng)對負荷的匹配效果。

2)系統(tǒng)主要組件設計參數及容量配置

地埋管換熱器采用單U型埋管，深度為100 m，孔間距取為5 m，換熱器選用管材為PE100聚乙烯，規(guī)格為DN32。最大設計熱負荷(空調熱負荷＋熱水負荷)是532 kW，總線側設計溫差為3℃，設計總流量為114 m3/h。

U型埋管內設計流速按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(Technical code for ground-source heat pumPsystem)——hnical code f規(guī)定，單 U埋管流速選取0.6 m/s，單管內設計流量為1.277 m3/h，即1277 kg/ h，鉆孔89個。總埋管面積為2231 m2。

按照上海市地礦工程勘察院對研究對象運動會所當地的現場勘察以及熱響應測試，當地的0～100 m深度范圍巖土體的綜合導熱系數為1.834W/(m· K)，熱容量取2016 kJ/(m3·K)，初始地表溫度為20℃。

根據《暖通空調氣象資料集》，崇明地區(qū)冬季空氣調節(jié)室外計算(干球)溫度取－4℃。進水溫度設定5℃。

峰值生活熱水為300 kW，選擇3臺水-水熱泵機組提供生活熱水。水-水熱泵熱水機組按照最小進水溫度10℃考慮，當進水溫度小于10℃時，開啟輔助加熱器加熱至10℃。單臺機組設計工況下水源側流量為17 m3/h，負荷側流量為20.4 m3/h，制熱量為116 kW，功率為35.4 kW，COP為3.3。

夏季工況進行空調機組配置，制冷總量為664 kW，制熱總量為747 kW，選擇9臺水源VRF機組，機組最小容量控制8%。冬季制熱工況單臺機組流量7 m3/h，夏季熱冷工況單臺機組流量為17.31 m3/h。

地表水源部分需要承擔的建筑冷負荷是142 kW，水-水換熱系數為900～1800W/(m2·K)，管殼式換熱器流量設計是35 m3/h。

4 模擬分析

1)運行方式和控制策略

總線水整體變流量運行，根據末端設備投入的臺數進行控制。熱水機組與空調機組并聯(lián)運行，地源側整體變流量運行，熱水機組源側流量與空調機組源側流量在機組開機時段內，各自定流量運行。

熱水機組源側定流量運行，熱水容量由運行的熱泵臺數與運行時間控制。選擇儲水罐供水，熱水器將熱水送至熱水罐，熱水罐儲水后送至末端用戶。模擬過程中，累計熱水負荷側供應熱量與機組定流量運行提供熱量比較值為控制參數，控制熱泵熱水機組啟停，同時任何時刻均保證供水溫度均大于50℃。

土壤源換熱器和地表水源換熱器并聯(lián)運行。當河水溫度與地表水源換熱器源側進水溫差小于2℃時，關閉地表水源換熱器，并加大土壤源換熱器源側流量。

2)仿真結果

機組運行時間設定為每天9:00～22:00，系統(tǒng)運行期間，總線內的水溫以及總線水與各個源之間的換熱量都隨著時間發(fā)生著變化，見圖4和圖5。

能源總線系統(tǒng)由于水溫和換熱量的不斷變化，系統(tǒng)末端機組的實際運行工況與名義工況差別較大，因此需要全年系統(tǒng)能耗指標來反映實際運行中的能耗情況。定義能源總線系統(tǒng)全年系統(tǒng)能效比COPEBSy和全年一次能源利用率EEBSy。COPEBSy＝(全年總供熱量＋全年總供冷量)/(主機全年耗功＋輸送系統(tǒng)全年耗功＋輔助熱源加熱量)；EEBSy＝(全年總供熱量＋全年總供冷量)/系統(tǒng)全年消耗的一次能耗:

式中:∑Q為全年總供熱量與總供冷量之和，kWh；∑Pi為全年總耗電量，kWh；η1為發(fā)電效率，火力發(fā)電取35%[16]；η2為輸配電效率，取90%；Nj為燃氣或煤消耗量，m3或者kg；Qdwj為燃氣或煤的地位發(fā)熱值，kJ/m3或者kJ/kg。

圖4 總線水溫全年逐時變化Fig·4 Changes of energy bus annual hourly water temperature

圖5 總線水與多源之間熱量交換Fig·5 The heat exchange between energy water and multi-sources

小型能源總線系統(tǒng)全年逐時功耗模擬結果見圖6，全年系統(tǒng)能耗分布圖見圖7。

3)仿真結果分析

對比能源總線系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的熱力性能，可得到相對節(jié)能率與減碳率。對比方案選擇兩種:1)冷水機組夏季制冷，冬季燃氣鍋爐制熱，生活熱水由燃氣鍋爐制備；2)風冷熱泵夏季制冷和冬季制熱，生活熱水燃氣鍋爐制備。

表3 節(jié)能量和減碳量計算表Tab·3 Calculation table of energy saving and carbon reduction quantity

圖6 系統(tǒng)全年逐時總耗電量變化Fig·6 Changes of systemannual hourly total power consumption

冷水機組制冷系統(tǒng)季節(jié)COP取5.0，燃氣鍋爐制熱COP取0.9，風冷熱泵系統(tǒng)COP取3.0，則可計算出對比方案1的全年系統(tǒng)能效比COPEBSy為1.3，方案2的全年系統(tǒng)能效比COPEBSy為1.4。

減碳率的計算中，選取天然氣電廠發(fā)電效率55%，電網輸送效率90%[17]，天然氣碳排放系數根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》取0.202 kg/ (kWh)[18]。

圖7 系統(tǒng)全年總能耗分布圖Fig·7 Distribution chart of systemannual total energy consumption

5 結論

低碳社區(qū)能源系統(tǒng)的選擇規(guī)劃對社區(qū)建筑能耗以及碳排放量至關重要。在社區(qū)層面集成應用可再生能源及未利用能源，注重熱量回收，優(yōu)化區(qū)域能源系統(tǒng)能級匹配。能源總線系統(tǒng)能有效的集成各項技術，提高能源利用效率，實現能源的階梯利用，熱量回收利用。能源總線系統(tǒng)在區(qū)域級別相比分散式系統(tǒng)和集中供冷供熱更具有靈活性、擴展性、節(jié)能性。通過對應用于金茂崇明低碳實驗社區(qū)的小型能源總線系統(tǒng)進行仿真分析，能源總線系統(tǒng)全年一次能源利用率1.1，全年系統(tǒng)能效比達3.4，對比常規(guī)能源系統(tǒng)的1.3，能源總線系統(tǒng)有可觀的節(jié)能量和減排量。

[1] W W F.Living Planet Report[R].Gland，Switzerland，2004.

[2] Lazzrus N.Beddington zero(fossil)energy development: Toolkit for carbon neutral developments-partⅡ [R]. BioRegional Development Group，2003.

[3] CTwinn.BedZED[J].The AruPJournal，2003(1):10-16.

[4] 謝統(tǒng)勝.德國弗萊堡Vauban社區(qū):以人為本的可持續(xù)發(fā)展模式[J].社區(qū)，2007(10):30-31.(Xie Tongsheng.District Vauban in Freiburg，Germany:people oriented sustainable developmentmodel[J].Community，2007 (10):30-31.)

[5] 淺田.世界最環(huán)保小城——韋克舍[J].金融博覽(銀行客戶)，2010(3):68-69.(Qian Tian.Themost environmentally friendly small town in theworld——Vaxjo[J]. Financial View(Bank＆Customer)，2010(3):68-69.)

[6] 辛章平，張銀太.低碳社區(qū)及其實踐[J].城市問題，2008(10):91-95.(Xin Zhangping，Zhang Yintai.Lowcarbon community and practice on it[J].Urban Problems，2008(10):91-95.)

[7] Reich D.Renewable energy policies in the gulf countries:Acase study of the carbon-neutral“Masdar City”in Abu Dhabi[J].Energy Policy，2010，38(1):378-382.

[8] Nader S.Paths toAlow-carbon economy-the Masdar example[J].Energy Procedia，2009，1(1):3951-3958.

[9] 朱穎心，王剛，江億.區(qū)域供冷系統(tǒng)能耗分析[J].暖通空調，2008，38(1):36-40.(Zhu Yingxin，Wang Gang，Jiang Yi.Energy consumption analysis of district cooling systems[J].Journal of HV＆AC，2008，38(1): 36-40.)

[10]王培培，龍惟定，白瑋.能源總線系統(tǒng)研究——半集中式區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)[J].湖南大學學報(自然科學版)，2009，36(12):137-141.(Wang Peipei，LongWeiding，BaiWei.Study on energy bus system——semi-central DHC[J].Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2009，36(12):137-141.)

[11]Wang PP，LongW D.Research on energy consumption of regional distributed heat pumPenergy bus system[J].Advanced Materials Research，2012，374-377:425-429.

[12]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京:高等教育出版社，2006:7-8.

[13]Yavuzturk C，JD Spitler.A short time stePresponse factor model for vertical ground looPheat exchangers[J]. ASHRAE Transactions，1999，105(2):475-485.

[14]JE Gentry，J D Spitler，D E Fisher.7th International Conference on SystemSimulation in Buildings[C].Liège，2006.

[15]譚洪衛(wèi)，李瀟瀟，朱金明，等.黃浦江水溫變化規(guī)律與上海地區(qū)江水源熱泵節(jié)能潛力研究[C]//上海市制冷學會2007年學術年會論文集.上海:2007.

[16]徐偉.地源熱泵技術手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[17]清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009: 187-190.

[18]IPCC.2006年IPCC國家溫室氣體清單指南[M].日本神奈川:日本全球環(huán)境戰(zhàn)略研究所，2006.

About the corresponding author

Wang Peipei，female，Ph.D.，School of Mechanical Engineering，Tongji University，＋86 13916459060，E-mail:wwwangwangaaa＠163.com.Research fields:district energy planning，low carbon building and energy-saving building.

Numerical Analyses on DynamiCThermal Performance of Small Energy Bus System

Wang Peipei1LongWeiding2

(1.School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai，200092，China；2.College of Engineering in Germany，Tongji University，Shanghai，200092，China)

The energy bus systemisAlow carbon thermal energy systemthat can make integration of renewable energy sources or untapped energy sources for district heating and cooling.A small energy bus systemwas constructed by combining ground soil and surface water as low grade energy.Themodels of components in the systemwere developed according to theoretical analyses and test data ofmanufacturer，and the whole systemwas constructed by connecting various components on TRNSYS platform.The hourly and annual thermal performance of the systemwas simulated when it was applied to the Jinmao Chong Ming low-carbon experiment community.The result shows that the annual thermal coefficientof performance of the systemis3.5，while the thermal coefficientof performance for conventional systems is less than 1.5.Both energy saving rate and carbon reduction rate of the systemaremore than 20%.It can be seen that comprehensive benefits of renewable energy use and energy recovery are achieved in energy bus system.

energy planning；energy bus system；heat pump；systemsimulation；shallow geothermal energy

TU831；TQ051.5；TP391.9

A

0253－4339(2015)02－0059－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.059

簡介

王培培，女，博士，同濟大學機械與能源工程學院，13916459060，E-mail:wwwangwangaaa＠163.com。研究方向:區(qū)域能源規(guī)劃及低碳節(jié)能建筑。

2014年6月23日