基于TRNSYS的多熱源復合式供熱系統經濟性研究★

趙 攀 張翼飛 郭佳昌 王松慶

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

近年來，能源問題一直是人們密切關注的話題，常規能源日益枯竭，能源形勢愈發嚴峻，在這樣的背景下，如何提高能源效率，改善能源結構已成為當前研究的重中之重。在我國，隨著人們生活水平的不斷提高，供暖的需求也在不斷的增大，現有的熱網集中供暖方式無法滿足供暖需求的現象普遍存在；人們逐漸把眼光從單一熱源形式供熱轉移到了多熱源復合式供熱，在原來以不可再生能源為基礎的能源結構中，綜合利用兩類或幾類可再生能源、新能源，消除使用單一能源帶來的不利因素，發揮每種能源各自的優勢以提高能源利用效率，改善能源結構[1-3]。本文以瞬時仿真模擬軟件TRNSYS為平臺，構建了一套由太陽能、土壤源熱泵、熱網三種熱源組成的多熱源復合式供熱系統，結合目前我國實行峰谷電價的政策，本文提出了峰谷電價比的概念，即波峰電價與波谷電價的比值，研究不同的能源配比下，基于不同峰谷電價比，系統所能達到的經濟性，以期為實際工程提供一些參考。

2 多熱源復合式供熱系統的構建

2.1 系統設計

本文以哈爾濱市某小區一棟單體住宅建筑為研究案例，該建筑共8層，建筑總面積為8 942.4 m2。供熱時間為每年的10月20日至次年的4月20日。房間的供暖設計溫度為18 ℃，通風換氣次數為0.5次/h。末端散熱設備采用輻射地板，根據JGJ 142—2012輻射供暖供冷技術規程，取輻射地板的供水溫度為45 ℃、回水溫度38 ℃。通過TRNSYS模擬出該建筑全年的動態負荷，全年最大熱負荷為360.8 kW,全年累計熱負荷為2 992.62 GJ。

2.1.1太陽能集熱系統

系統采用平板型集熱器，其面積由下式確定：

其中，Q為建筑日均耗熱量；f為太陽能保證率，具體數值參考GB 50495—2009太陽能供熱采暖工程技術規范；Jt為供暖期日均太陽輻射照量；ηcd為太陽能集熱器的平均集熱效率；ηL為管路及儲熱裝置的熱損失率。通過計算，太陽能集熱器的面積定為750 m2。

2.1.2蓄熱水箱

關于不同類型太陽能系統所匹配的蓄熱水箱容積范圍，江輝民等人的研究[4]已給出了參考，結合太陽能集熱器的面積，初步確定蓄熱水箱的容積為100 m3。

2.1.3土壤源熱泵系統

地埋管換熱器采用單U型管，并聯同程式連接，關于地埋管換熱器的主要相關參數，具體通過參考《地源熱泵工程技術指南》，并結合工程實踐確定。

2.1.4熱網系統

熱網模型采用鍋爐+板式換熱器的形式，為簡化系統，由于本文模擬中只采納熱網熱水流量和熱水溫度，因此選用電加熱器來替代鍋爐[5]，系統的流量通過控制器控制的分水器調節其流出支路的流量比例確定。

2.1.5其他方面

太陽能系統和土壤源熱泵系統連接方式主要有串聯、并聯、交替連接，其中，根據源測回水流經地埋管換熱器和太陽能集熱器的順序不同，串聯連接又分為兩種[6]。有關研究表明，太陽能系統和土壤源熱泵系統串聯連接要比并聯連接效率更高[7,8]，而且，當采用串聯連接時，源測回水先流經地埋管換熱器要比先流經太陽能集熱器更節能，熱泵機組的COP和地埋管總換熱量均較高，可以更加合理地利用太陽能，節省更多的電能[9]。因此本文選擇采用源測回水先流經地埋管換熱器再流經太陽能集熱器的串聯連接方式。

2.2 控制策略

本文構建的多熱源復合式供熱系統通過熱網系統以及由土壤源熱泵系統和太陽能系統耦合成的太陽能—土壤源熱泵系統共同為建筑供熱。這兩個系統通過分水器和集水器與末端采暖設備輻射地板進行連接，通過調節熱泵開啟的數量以及由控制器2和3控制分、集水器的各個管路流量的比例，進而控制熱泵系統在整個供熱系統供熱量的比例。控制器1和采暖期模塊聯合工作，控制整個系統各循環水泵的運行。太陽能集熱器側的循環水泵和蓄熱水箱采用溫差控制器控制，其實現的功能是：當太陽能集熱器的出口溫度與蓄熱水箱內的溫度差小于關閉溫差ΔTL時，循環熱泵1停止運行；當太陽能集熱器出口溫度與蓄熱水箱內的溫度差大于開啟溫差ΔTH時，循環水泵1開啟。西華大學的研究結果[10]表明：溫差控制為太陽能集熱器運行的最佳控制方式。它能使熱泵機組保持很高的能效比，最大程度地減少系統全年能耗，并且能使系統常年運行后土壤周圍的溫度得到很好的恢復。

3 仿真模擬及結果分析

3.1 仿真模擬

根據前文的設計思路，構建的仿真模型如圖1所示。

為了研究不同能源配比下，系統所能達到的經濟性，本文共設置了五種工況，具體情況如表1所示。

表1 多熱源復合式供熱系統運行工況設定

通過對五種不同工況的運行模式分別進行模擬，模擬系統運行一年的能耗情況，得出各工況運行結果如表2所示。

表2 不同工況運行模式下仿真模擬的結果 kW

3.2 結果分析

本文以目前黑龍江省物價監督管理局發布的峰谷電價標準為依據[11]，波峰電價0.585 8元/kWh,波谷電價0.326 3元/kWh，計算系統在五種不同工況的運行模式下運行一年所需的費用。同時對整個系統所需的初投資進行估算，以工況一的運行模式為例，如表3所示。

表3 工況一的運行模式下系統所需的初投資費用

僅從初投資和年運行費用方面考慮，還難以分析出系統在哪種工況的運行模式下經濟性最優，因此考慮采用了費用現值[12]這一指標。假設該系統的壽命期為25年，折現率取8%，計算該系統的費用現值，綜合各經濟指標所得的結果如圖2所示。

從圖中可以看出，該系統隨著熱泵設計負荷占比的增加，熱泵機組的臺數也在不斷增多，故初投資也在不斷的增長。系統的年運行費用呈現逐步降低的趨勢，這也恰恰體現了熱泵的節能特性。但是也可以看到，工況五的運行模式下的年運行費用與工況四相差無幾，甚至還要略高，分析其原因，是因為此時熱泵機組的COP處在較低的值，運行熱泵所需的電量大大增加，從而導致運行費用的增加。從費用現值上來看，在工況三的運行模式下，系統的費用現值最低，為258.01萬元，也就是說，以工況三的運行模式運行，系統具有最佳的經濟性。

現如今，我國各主要城市的峰谷電價比呈現不斷拉大的趨勢，一方面為了緩解高峰期電力緊張、供需不平衡的現象，另一方面國家提倡北方城市多采用電采暖，實現冬季清潔供熱，其中如北京、天津以及河北省部分城市已經大面積推廣。本文對哈爾濱市未來的峰谷電價進行合理預測，預測0.585 8/0.254 2元/kWh,0.585 8/0.186 8元/kWh這兩種峰谷電價，即當峰谷電價比達到2倍和3倍以上時，分析該系統運行的經濟性。預測的依據是根據電價形成機制，電價是由政府根據各地具體情況制定出來的，一般正常的電價是不會有太大的調整，而政府為了鼓勵居民多用波谷電，所以夜晚的波谷電價一般可以有較大范圍的上調或下浮。

基于預測的兩種峰谷電價，系統運行一年各項經濟指標如圖3，圖4所示。

從圖3，圖4的結果可以看出，系統的年運行費用仍是呈現出不斷降低的趨勢，且趨勢愈加穩定。從費用現值上來看，依舊是工況三的運行模式下，費用現值最低，即當系統中太陽能—土壤源熱泵承擔55%的負荷，熱網系統承擔45%的負荷時，系統的經濟性最優。

4 結語

通過本文的研究，可以發現，針對本文建立的多熱源復合式供熱系統，基于三種不同的峰谷電價比，當太陽能—土壤源熱泵的設計負荷占55%，熱網的設計負荷占45%時，系統均具有較優的經濟性。這為實際工程中采用由太陽能—土壤源熱泵和熱網組成的多熱源復合式系統供熱提供了一定的參考。