基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

盧海勇 董彥軍 李 津 張正文 祝金會(huì)

1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司

3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司

0 引言

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，空調(diào)冷熱負(fù)荷需求增大，空調(diào)的能耗也顯得越來越突出，我國(guó)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占總建筑能耗已超過30%[1]。21世紀(jì)地源熱泵被稱為一項(xiàng)最具發(fā)展前途的節(jié)能型供能技術(shù)[2]，同時(shí)地源熱泵以地?zé)釣橘Y源，具有綠色環(huán)保、污染小的特點(diǎn)。目前，地源熱泵系統(tǒng)因投資大、占地面積大，供能建筑負(fù)荷波動(dòng)大且供能時(shí)間短，導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)性不理想，阻礙其推廣應(yīng)用。而蓄冷蓄熱系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)移高峰冷熱負(fù)荷、平衡峰谷差的功能[3]，與地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行合理耦合，可有效減少地源熱泵系統(tǒng)的規(guī)模，充分利用電網(wǎng)低谷電，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)輔以部分低投資天然氣鍋爐作為調(diào)峰，可進(jìn)一步提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。因此，為了進(jìn)一步推廣地源熱泵的應(yīng)用，開展地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置研究非常有必要。本文以典型的民用地源熱泵項(xiàng)目為例，闡述系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算方法。基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)流程圖

1 優(yōu)化配置流程

基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置研究主要根據(jù)冷熱負(fù)荷需求和能源價(jià)格優(yōu)化確定以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）地源熱泵容量的選擇；（2）蓄能裝置的優(yōu)化組合；（3）調(diào)峰系統(tǒng)的類型及容量；（4）結(jié)合能源價(jià)格和負(fù)荷需求的運(yùn)行策略。由于地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)涉及冷熱多種能源輸出的耦合，以及多種能源利用方式的耦合，設(shè)備種類多。因此，地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置需要根據(jù)冷熱負(fù)荷需求和能源價(jià)格體系，針對(duì)可能的系統(tǒng)配置方式和運(yùn)行模式進(jìn)行模擬分析計(jì)算。基于優(yōu)化目標(biāo)，分析比較得出最佳的系統(tǒng)配置與運(yùn)行模式。地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置流程見圖2。

圖2 基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置流程圖

2 優(yōu)化配置模型

根據(jù)圖1地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)流程圖，對(duì)冷、熱進(jìn)行能量平衡分析，建立能量平衡模型和優(yōu)化目標(biāo)。

1）冷平衡：地源熱泵供冷功率、冷水機(jī)組供冷功率和蓄能裝置放冷功率之和去除蓄能裝置蓄冷功率等于用戶冷負(fù)荷需求功率；同時(shí)每天蓄能裝置放冷量和每天熱泵、冷水機(jī)組直接供冷量的總和應(yīng)與用戶每天冷負(fù)荷需求量平衡；此外，夜間蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡。

2）熱平衡：地源熱泵供熱功率、天然氣鍋爐供熱功率和蓄能裝置放熱功率之和去除蓄能裝置蓄熱功率等于用戶熱負(fù)荷需求功率；同時(shí)，每天蓄能裝置放熱量、每天熱泵直接供熱量和每天天然氣鍋爐供熱量應(yīng)與用戶每天熱負(fù)荷需求量平衡；此外，夜間蓄熱量和白天放熱量基本保持平衡。

3）天然氣平衡：年天然氣的總耗量等于年天然氣鍋爐耗量。

4）電平衡：年電力的總耗量等于冷水機(jī)組、熱泵以及輔助系統(tǒng)在不同時(shí)段的耗電量之和。

5）優(yōu)化目標(biāo)：本文以度熱（冷）成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，采用動(dòng)態(tài)成本計(jì)算方法[4]計(jì)算度熱（冷）成本，在供能的整個(gè)壽命期內(nèi)把供能過程中發(fā)生的全部費(fèi)用在整個(gè)壽命期內(nèi)進(jìn)行平均分?jǐn)偅?jì)算公式如下：

其中：

C——度熱（冷）成本，元/kWh

N——年供熱（冷）量，kWh

M——年維護(hù)費(fèi)用，元

O——年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，元；根據(jù)年天然氣和電消耗總量進(jìn)行計(jì)算。

I——項(xiàng)目初始投資，元

n——壽命期，年

m——貼現(xiàn)率

CRF——將初始投資折為等年值的系數(shù)因子。

地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置時(shí)，首先基于分析的冷熱負(fù)荷，初步確定幾種可能的配置方案；其次建立能量平衡模型，然后結(jié)合初步配置方案和運(yùn)行方式分析固定投資和運(yùn)行成本，最后以度熱（冷）成本最低對(duì)不同配置方案進(jìn)行比較評(píng)價(jià)選擇最優(yōu)配置方案。

3 工程案例

3.1 案例概況

以上海某100 000 m2商務(wù)辦公樓為例，針對(duì)商務(wù)辦公樓的冷熱電能源需求，為其量身打造基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)的供能方式，典型日負(fù)荷曲線見圖3和圖4。

圖3 典型日逐時(shí)熱負(fù)荷曲線

圖4 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線

根據(jù)典型日負(fù)荷分析，最大冷負(fù)荷為8.5MW，最大熱負(fù)荷為6MW。

3.2 地源熱泵與蓄能耦合分析

根據(jù)3.1節(jié)冷熱負(fù)狀況分析，結(jié)合冷熱平衡，地源熱泵與蓄能耦合系統(tǒng)初步擬選五個(gè)配置方案，見表1。

對(duì)不同配置方案的冷熱綜合供能成本分析，不同方案的供能成本見圖5。方案1沒有配置蓄能裝置，綜合供能成本0.535元/kWh；方案5按全蓄供熱和部分蓄供冷，綜合供能成本0.47元/kWh；方案2、方案3和方案4的典型日熱泵蓄熱供熱占比分別為30%、40%和50%，相應(yīng)的綜合供能成本分別為0.365元/kWh、0.354元/kWh和0.359元/kWh。由圖5可見，配置有蓄能的供能系統(tǒng)，供能成本均有所降低，可降低34%的供能成本，方案3綜合供能成本最低，僅為0.354元/kWh，典型日熱泵蓄熱供熱占比40%，由于方案3地源熱泵晚上全部開啟蓄熱，高投資地源熱泵配置最小且得到充分利用。因此，對(duì)于上海地區(qū)商務(wù)辦公樓，典型日熱泵蓄熱供熱占比40%左右時(shí)，地源熱泵與蓄能耦合系統(tǒng)供能成本相對(duì)最低，為0.354元/kWh，同時(shí)占地面積僅為不配置蓄能的35%。

圖5 不同方案的供能成本

3.3 地源熱泵與蓄能和天然氣耦合分析

根據(jù)3.1節(jié)冷熱負(fù)荷，結(jié)合冷熱平衡，地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統(tǒng)初步擬選四個(gè)配置方案，見表2。

對(duì)不同配置方案的冷熱綜合供能成本分析，不同方案的供能成本見圖6和圖7。由圖6可見，配置適當(dāng)規(guī)模的天然氣鍋爐調(diào)峰系統(tǒng)，可進(jìn)一步降低供能成本，當(dāng)?shù)湫腿仗烊粴忮仩t供熱占比20%時(shí)，供能成本由0.354元/kWh下降為0.353元/kWh，由于低投資的天然氣鍋爐替代部分高投資低利用的地源熱泵系統(tǒng)，減少了供能成本；當(dāng)天然氣鍋爐供熱比例進(jìn)一步提高時(shí)，則供能成本會(huì)增加，因天然氣鍋爐供熱比例的增加減少了熱泵蓄熱供熱的比例，熱泵蓄熱供熱的低運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)未得到充分發(fā)揮。因此，對(duì)于上海地區(qū)商務(wù)辦公樓，典型日天然氣鍋爐供熱占比20%左右和熱泵蓄熱供熱占比33%左右時(shí)，地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統(tǒng)供能成本相對(duì)最低，僅為0.353元/kWh，同時(shí)占地面積僅為全部地源熱泵的27.5%。

表1 地源熱泵與蓄能耦合系統(tǒng)配置方案

表2 地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統(tǒng)配置方案

圖6 不同熱泵蓄熱供熱占比供能成本

圖7 不同天然氣鍋爐供熱占比供能成本

4 結(jié)論

1）提出了地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)的優(yōu)化配置流程，建立了基于能量平衡的優(yōu)化配置模型。

2）提出的地源熱泵的多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置研究方法，對(duì)后續(xù)的工程實(shí)踐中地源熱泵的推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

3）對(duì)于上海地區(qū)商務(wù)辦公樓，典型日熱泵蓄熱供熱占比40%左右時(shí)，地源熱泵與蓄能耦合系統(tǒng)供能成本相對(duì)最低，僅0.354元/kWh，同時(shí)占地面積僅為不配置蓄能的35%。

4）對(duì)于上海地區(qū)商務(wù)辦公樓，典型日天然氣鍋爐供熱占比20%和熱泵蓄熱供熱占比33%時(shí)，地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統(tǒng)供能成本相對(duì)最低，為0.353元/kWh，同時(shí)占地面積僅為全部地源熱泵的27.5%。