分布式蓄熱器在供熱系統(tǒng)中的應用及容量優(yōu)化

朱應杰 王海超 Esa Teppo Katja Granlund 余 力

（1.大連理工大學土木工程學院 大連 116024；2.芬蘭Planora 公司 奧盧 90401）

0 前言

目前集中供熱系統(tǒng)是我國城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)的首選形式。但隨著供暖規(guī)模的不斷擴大，供熱系統(tǒng)大延遲、強耦合、熱惰性越來越嚴重，水力和熱力失調(diào)問題頻發(fā)，導致熱網(wǎng)供給側(cè)與需求側(cè)熱負荷失調(diào)，無法實現(xiàn)精準供熱[1]。為了解決熱能供需不匹配問題，蓄熱技術(shù)受到了關注。目前，大部分研究關注設置在熱源處的集中蓄熱系統(tǒng)，但供需不平衡的主要矛盾往往集中在用戶一側(cè)。而且隨著熱網(wǎng)規(guī)模的擴大，集中蓄熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時滯效應大、靈活性差的缺點也更加明顯。集中式蓄熱雖可起到“削峰填谷”的作用，但依然存在很大的輸送延遲，在解決水力失調(diào)和熱力失調(diào)方面效果并不明顯。而以熱力站為單位的分布式蓄熱系統(tǒng)距離熱用戶更近、靈活性更強，因此在熱力站設置分布式蓄熱罐對于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果更加明顯[2]。

分布式蓄熱罐應用在供熱系統(tǒng)中，首先應該考慮與熱網(wǎng)合適的連接方式以及確定分布式蓄熱罐的運行策略。其次蓄熱罐的容量大小也影響分布式蓄熱系統(tǒng)的能力，若罐體容量過大，會造成利用率不高，投資浪費；而罐體容量過小，則會造成富裕的供熱能力沒有空間存儲，無法有效提高熱源調(diào)峰能力。因此，對分布式蓄熱罐容量進行優(yōu)化以及確定分布式蓄熱罐與熱網(wǎng)合適的連接及運行策略顯得尤為重要。本文首先對分布式蓄熱罐與供熱管網(wǎng)的合理連接方式及其運行策略進行了分析，其次提出了一種分布式蓄熱罐最大容量的計算方法，并基于TRNSYS對分布式蓄熱罐容量進行了優(yōu)化。

1 分布式蓄熱罐與熱網(wǎng)的連接及運行策略

1.1 分布式蓄熱罐與熱網(wǎng)的連接方式

當前國內(nèi)多采用常壓式蓄熱罐，采用從一級管網(wǎng)蓄熱向二級管網(wǎng)放熱的方式，這樣蓄熱罐冷熱水溫差較大，儲存相同熱量時所需蓄熱罐的有效體積較小，可以減小占地面積和降低初投資[3]。蓄熱罐與一次網(wǎng)的連接方式分為直接連接與間接連接[4]。

蓄熱罐與供熱管網(wǎng)直接連接時，不設置換熱器，對供水溫度的需求小。蓄熱罐與供熱管網(wǎng)直接連接可以節(jié)省換熱器的設置，節(jié)約初投資。蓄熱罐與供熱管網(wǎng)間接連接時，設置換熱器，會避免蓄熱罐對一次網(wǎng)的水力工況產(chǎn)生影響。但是蓄熱罐與供熱管網(wǎng)間接連接需要增設換熱器初投資會增加，且供熱系統(tǒng)運行時的管理維護較為復雜。

需要注意的是，蓄熱罐與一次供熱管網(wǎng)的間接連接方式是按照高溫水系統(tǒng)（供水溫度大于100℃）進行設計的，對于低溫水系統(tǒng)，應采用蓄熱罐與一次網(wǎng)直接連接的方式，而在實際工程應用中供水溫度也很難達到100℃。因此分布式蓄熱罐與一次供熱管網(wǎng)的連接方式應采用直接連接，同時避免蓄熱罐對二次網(wǎng)的水力工況產(chǎn)生較大影響應采用間接連接的方式。

1.2 分布式蓄熱罐在供熱系統(tǒng)中的運行策略

在一個24 小時的蓄放熱周期內(nèi)，根據(jù)用戶負荷情況確定基礎熱源供給恒定的熱量。在負荷低谷時，基礎熱源供給的多余的熱量儲存在蓄熱罐中，在負荷高峰時，即負荷超過基礎熱源供給的熱量時，首先由蓄熱罐進行放熱，當蓄熱罐的放熱量仍不滿足負荷要求時，再從一次供熱管網(wǎng)供給不足的熱量。具體運行流程如下：

當基礎熱源供給的熱量Qp大于用戶負荷Qt時，蓄熱罐蓄熱，開啟循環(huán)水泵B，此時水泵A 處于關閉狀態(tài)。熱網(wǎng)供水進入罐體。罐體底部的冷水經(jīng)循環(huán)泵B 輸出罐體，進入熱網(wǎng)回水管道，如圖1所示。

圖1 蓄熱罐蓄熱模式Fig.1 Heat storage mode of heat storage tank

當基礎熱源供給的熱量Qp小于用戶負荷Qt時，蓄熱罐放熱，關閉電動循環(huán)水泵B，開啟循環(huán)水泵A。熱水經(jīng)循環(huán)泵A 輸出罐體，當蓄熱罐的放熱量仍不滿足負荷要求時，再從一次供熱管網(wǎng)供給不足的熱量，如圖2 所示。

圖2 蓄熱罐放熱模式Fig.2 Heat release mode of heat storage tank

2 分布式蓄熱罐最大容量的計算

確定某個供暖季下的蓄熱罐容量需要根據(jù)供暖季的每一天的逐時熱負荷變化和基礎熱源供熱量，計算每一天的蓄熱罐容量。供暖季的蓄熱罐最大容量為供暖季中每一天計算蓄熱罐容量的最大值。在一個24 小時的蓄放熱周期內(nèi)，基礎熱源供熱量可由用戶熱負荷在這24 小時內(nèi)的平均值來確定。經(jīng)計算這樣確定的基礎熱源供熱量可基本實現(xiàn)在一個24 小時的蓄放熱周期內(nèi)達到蓄放熱平衡。當蓄熱罐的放熱量仍不滿足用戶負荷要求時，可再從一次供熱管網(wǎng)供給不足的熱量。則蓄熱罐在一個時間周期內(nèi)的蓄、放熱量為：

蓄熱罐的蓄熱量應是該函數(shù)的最大值與最小值之差，即： Qχ= Qmax- Qmin。

集中供熱系統(tǒng)中蓄熱罐一般采用常壓熱水蓄熱罐，熱水溫度按90℃、冷水按60℃考慮[5]，則蓄熱罐有效體積為：

式中：Qx為蓄熱罐蓄熱量，J；V 為熱罐有效體積，m3；?為蓄熱罐有效體積參數(shù)，取0.9；ρ為蓄熱罐內(nèi)水的密度，kg/m3；C 為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；T1、T2為蓄熱罐熱水、冷水溫度，℃。

下面以某實際換熱站為例，計算分布式蓄熱罐最大容量。

濟南市某換熱站的供熱面積為106950.13m2，其負荷類型主要為居住建筑熱負荷。利用DeST 軟件對該換熱站承擔的所有建筑的熱負荷進行模擬，從而獲得該換熱站整個供暖季逐時熱負荷數(shù)據(jù)。以模擬熱負荷為基礎，對分布式蓄熱罐容量進行計算。

分布式蓄熱罐為短期蓄熱，蓄放熱周期為24小時。在一個周期內(nèi)，蓄熱罐須完成一個完整的蓄放熱過程，在每個蓄放熱周期結(jié)束時，須保證蓄熱罐內(nèi)的蓄熱量接近于零，即下個蓄放熱周期開始時蓄熱罐內(nèi)沒有多余的熱量。根據(jù)計算居住建筑分布式蓄熱罐的蓄放熱周期為當日11:00 至次日10:00。基礎熱源供熱量可由用戶熱負荷在這24 小時蓄放熱周期內(nèi)的平均值來確定，這樣可以基本保證蓄熱罐在每個蓄放熱周期結(jié)束時達到蓄放熱平衡。

分布式蓄熱罐的最大容量為以供暖季所有日期計算所得的容量的最大值。以供暖中期的某一天為例計算蓄熱罐容量，對蓄熱罐的基礎熱源、逐時蓄熱量、放熱量進行分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 供熱系統(tǒng)在計算日的負荷分布情況Fig.3 The load distribution of the heating system on the calculation day

如圖3 所示，可以看出蓄熱罐在11 時至22 時，處于蓄熱狀態(tài)，總蓄熱量為5574.77kWh；23 時至次日10 時，蓄熱罐處于放熱狀態(tài)，放熱量5574.77kWh。因此，該計算日的蓄熱量為5574.77kWh。

以此類推，分別計算出供暖期每一天的蓄熱量，即獲得121 個數(shù)據(jù)。而蓄熱罐的最大蓄熱容量即為逐天計算的蓄熱量的最大值。通過計算可得知，該換熱站整個供暖季最大蓄熱能力為6573.12kWh，根據(jù)公式（2）可計算得到對應蓄熱罐體積約為208.7m3。

3 基礎熱源供熱量確定方式對比

3.1 平均值法

平均值法確定基礎熱源供熱量指的是將整個供暖季模擬得到的每一天逐時熱負荷相加再除以供暖天數(shù)（本文的實例位于濟南，因此是121 天）所求得的數(shù)作為整個供暖季每日每時刻的基礎熱源供熱量[6]。采用平均值法對基礎熱源供熱量進行計算，整個供暖季熱源供熱量不需要變化，僅有一個值。但是會造成熱量被大量浪費以及嚴重不足的情況。

如圖4 所示正值表示基礎熱源供熱量按平均值法計算一個蓄放熱周期完成后剩余的熱量，負值則表示基礎熱源供熱量按平均值法計算一個蓄放熱周期完成后不足的熱量。從圖中可以看出采用平均值法計算基礎熱源供熱量，在供暖初期、末期甚至中期都會有大量的熱量在蓄熱罐在24 小時內(nèi)放熱完成后被剩余，儲存剩余的熱量需要建造更大體積的蓄熱罐會增加建設成本，而且長期剩余的熱量會造成熱量損失無法被利用使蓄熱罐的優(yōu)勢無法發(fā)揮出來；而在供暖中期會出現(xiàn)僅靠蓄熱罐儲存的熱量和基礎熱源供熱量無法滿足用戶的用熱需求，缺乏大量的熱量，需由基礎熱源再次供給熱量或者增加調(diào)峰鍋爐等手段，增加了燃料成本和建設初投資，蓄熱罐調(diào)峰的靈活性也喪失掉了。

圖4 基礎熱源供熱量按平均值法計算一個蓄放熱周期完成后剩余或不足的熱量Fig.4 The heat supplied by the basic heat source is calculated by the average method to calculate the remaining or insufficient heat after a heat storage and release cycle is completed

3.2 特征日法

供暖季每個月對應一個特征日，特征日的逐時熱負荷等于對應時刻下該月每一天逐時熱負荷的平均值。每個月的熱負荷需求僅用特征日一天的熱負荷需求來表示[7]，即計算蓄熱罐容量時每月只對特征日進行計算。特征日不是該月中具體的某一天，而是一個虛擬日。當蓄熱罐采用短期蓄熱，即以24 小時為周期進行計算時，采用特征日法計算蓄熱罐最大容量只需要對每個月份進行一次計算，采用特征日法對整個供暖季的計算，可以大大減少計算量。但是采用特征日法會造成該月某日熱用戶的熱負荷在24 小時內(nèi)大部分時間都大于特征日求出的基礎熱源供熱量，蓄熱罐無法發(fā)揮作用且會增加燃料成本；而且也會造成該月某日熱用戶的熱負荷在24 小時內(nèi)大部分時間都小于特征日求出的基礎熱源供熱量，蓄熱罐無法儲存多余熱量，造成能源浪費，也不能靈活發(fā)揮蓄熱罐的調(diào)節(jié)作用。

如圖5 所示，圖中的一條直線表示的是1月份按照特征日法計算得到的基礎熱源供熱量，實線表示的是1月份某日的逐時熱負荷，從圖中可以看出該日熱用戶的熱負荷在24 小時內(nèi)大部分時間都大于利用特征日法求出的基礎熱源供熱量，蓄熱罐蓄的熱量很少，僅靠蓄熱罐儲存的熱量和基礎熱源供熱量無法滿足用戶的用熱需求，缺乏大量的熱量，需由基礎熱源再次供給熱量或者增加調(diào)峰鍋爐等手段，增加了燃料成本和建設初投資，蓄熱罐無法發(fā)揮作用；而虛線表示的熱用戶的逐時熱負荷在24 小時內(nèi)大部分時間都小于用特征日法求出的基礎熱源供熱量，蓄熱罐需儲存的熱量過多，儲存剩余的熱量需要建造更大體積的蓄熱罐會增加建設成本，而且會造成能源浪費。

圖5 基礎熱源供熱量按特征日法計算1月份特征日及某兩日的情況Fig.5 The basic heat source heat supply is calculated according to the characteristic day method in January on the characteristic day and the situation of a certain two days

本研究的基礎熱源供熱量確定方法為：以一個24 小時蓄放熱周期內(nèi)的用戶熱負荷的平均值作為基礎熱源供熱量。采用此種方法在一個24 小時周期蓄放熱內(nèi)，蓄熱罐的蓄熱量及放熱量基本一致，在每個蓄放熱周期結(jié)束時，可以保證蓄熱罐內(nèi)的熱量接近于零，即下個蓄放熱周期開始時蓄熱罐內(nèi)沒有多余的熱量。既可以降低建設處投資，又可以節(jié)約能源，而且可以充分發(fā)揮蓄熱罐靈活調(diào)峰的作用。

4 分布式蓄熱罐容量的優(yōu)化

最大蓄熱罐容量能保證系統(tǒng)的蓄熱潛力得到最大程度發(fā)揮，但計算結(jié)果顯示，該蓄熱能力僅出現(xiàn)在整個供暖季的短時間內(nèi)，出現(xiàn)頻率極低。因此當考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性時，該蓄熱罐對應最大蓄熱容量并非最佳[8]。因此，本文利用TRNSYS 對分布式蓄熱系統(tǒng)進行建模，優(yōu)化蓄熱罐的容量。

建模采用的是蓄熱罐與一次供熱管網(wǎng)的直接連接方式。將利用DeST 計算出的逐時熱負荷讀入模型中即模擬圖中的建筑負荷，模擬圖中的一次管網(wǎng)供給熱量處的數(shù)據(jù)則為一個24 小時蓄放熱周期內(nèi)的用戶熱負荷的平均值，循環(huán)泵控制器模塊可根據(jù)前文提到的控制策略即基礎熱源和建筑負荷的大小關系設置循環(huán)泵的啟停控制蓄熱水箱蓄放熱，當一次管網(wǎng)供給熱量及蓄熱罐的放熱量不滿足用戶用熱需求時，可再由補充熱源控制模塊控制一次管網(wǎng)補充熱量供給不足的熱量。變量計算器中儲存蓄熱水箱的體積變化范圍為1-250m3及一次供熱管網(wǎng)補充熱量，將費用年值法的計算公式輸入優(yōu)化函數(shù)計算器中，最終可輸出蓄熱罐體積對應的增加的燃料熱量及費用年值，可通過優(yōu)化分析得到經(jīng)濟性最優(yōu)的蓄熱罐體積，分布式蓄熱系統(tǒng)仿真模擬如圖6 所示。

圖6 分布式蓄熱系統(tǒng)仿真模擬圖Fig.6 Simulation diagram of distributed heat storage system

當蓄熱罐的容量被優(yōu)化時，雖然蓄熱罐的建設成本被減少了，但蓄熱罐儲存的熱量會出現(xiàn)不滿足用戶用熱需求的情況，需要從一次供熱管網(wǎng)再次供給不足的熱量，會增加燃料成本。因此蓄熱罐的最優(yōu)容量為此容量下蓄熱罐的建設成本和增加的燃料成本的最小值。可在TRNSYS 模型中利用動態(tài)計算費用年值法作為優(yōu)化函數(shù)進行計算。確定滿足用戶用熱需求的最優(yōu)的蓄熱罐容量和一次供熱管網(wǎng)補充熱量，費用年值法的計算公式為：

式中，Z 為費用年值，元；C 為蓄熱罐建設成本和增加的燃料成本，元；r 為折現(xiàn)率，取0.05；n為壽命年限，取10。

式中，v 為蓄熱罐體積，m3（變化范圍為1-250m3）；Qb為增加的燃料熱量；?為燃料熱損失，取0.9。

相關經(jīng)濟性數(shù)據(jù)為：燃料成本Ar為煤價0.65元/kg；蓄熱器單位體積成本At為1250 元/m3。

本文在TRNSYS 模型中利用動態(tài)計算費用年值法作為目標函數(shù)優(yōu)化蓄熱罐容量，計算出費用年值隨蓄熱罐體積的變化曲線如圖7 所示，從表1 中可以得到不同蓄熱罐體積對應的費用年值以及增加的燃料熱量。

圖7 費用年值曲線Fig.7 Annual cost curve

表1 不同蓄熱器體積經(jīng)濟性對比Table 1 Comparison of the economic efficiency of different heat accumulators

由圖7 可以得出，隨著蓄熱罐體積增大，費用年值呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，存在最小值。結(jié)合表1 可以看出，在蓄熱罐體積為173m3時，系統(tǒng)費用年值最低，為23.17 萬元，此時系統(tǒng)的經(jīng)濟性最好。

5 結(jié)論

本文確定分布式蓄熱器與供熱管網(wǎng)的合理連接方式及其運行策略，以某實際換熱站整個供暖季的熱負荷數(shù)據(jù)為基礎，提出了一種分布式蓄熱罐最大容量的計算方法。根據(jù)濟南市某供熱站分布式蓄熱系統(tǒng)實際運行情況，計算得到該系統(tǒng)蓄熱罐的最大蓄熱容量為208.7m3；本文以費用年值為目標函數(shù)，通過TRNSYS 模擬優(yōu)化分析得出，在本供熱站中，蓄熱罐最優(yōu)體積為173m3，此時系統(tǒng)的經(jīng)濟性最好，費用年值為23.17 萬元。