負荷密集區基于江水源熱泵供能的建筑用能特性分析

戴 安，萬長瑛

(1.國網電力科學研究院武漢能效測評有限公司，湖北 武漢 430074；2.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

在我國，采用江水源熱泵進行區域化供能的工程應用進一步帶動了相關學術研究，很多專家學者研究了采用江水源熱泵區域供能的系統設計方法。鄧波，龍惟定[1]等以上海世博園供能系統為例，分析了水源熱泵系統原理、低品位熱源評價、環境評價以及供冷系統配置選型，并研究了系統的經濟性。舒海文[2]以熱泵機組組合系統的能耗最低為目標，構建出基于動態規劃原理的機組最優負荷分配模型，再結合實際工程項目的熱泵機組組合情況，篩選出多種可行的組合方案，最終以“優中選優”的方式獲得年總能耗最小的機組組合方案。張廷學[3]以重慶市某商務區區域供能項目為例，對項目的方案比選、天然氣冷熱電三聯供聯合江水源熱泵供能系統的運行方案、技術可行性、經濟可行性進行分析，還分析了項目的示范引領作用。司鵬飛[4]通過建立冷熱電三聯供聯合水源熱泵供能系統的主要設備熱力模型及系統水源側逐時進水溫度模型，利用相關規劃計算理論，建立符合實際工況的優化配置模型，并結合相關工程案例驗證優化配置模型。張強[5]基于冷熱電三聯供復合水源熱泵供能系統，建立復合供能系統不同工況性能模型，提出復合供能系統的設計分析方法，并對復合供能系統進行綜合評價。

江水源熱泵供能技術是一種利用可再生能源的可持續發展技術，具有能效比高、節能低碳等優勢，在沿江城市應用越來越廣泛，國內如重慶江北CBD、上海世博園，上海十六鋪碼頭等工程都采用了該技術，取得了良好的降耗減排效果。

1 負荷特性指標

在評價建筑的用能特性時，可以結合建筑的冷負荷、熱負荷、電負荷具有的共性指標進行，冷、熱、電負荷會隨著建筑外部氣象條件及建筑內部用能情況實時變化，選取典型日的負荷密度、負荷率、峰谷差率、負荷波動率及負荷持續時間即日負荷密度、日負荷率、日峰谷差率、日負荷波動率、負荷持續時間作為冷、熱、電負荷的特性指標來評價有較強的代表性。

日負荷密度是指區域內最大負荷與建筑面積的比值，日負荷率是指區域內某日內的平均負荷與最大負荷的比值，日峰谷差率是指區域內某日內最大負荷與最小負荷之差與最大負荷的比值，日負荷波動率是指區域內某日內負荷標準差與負荷均值的比值，負荷持續時間指區域內某日內負荷持續的時間[6]。

一般情況下，項目的投資經濟性與日負荷密度、日負荷率、負荷持續時間成正比，與日峰谷差率、日負荷波動率成反比。

2 建筑負荷特性分析

2.1 建筑電負荷特性分析

項目位于重慶江北中央商務區核心區域，主要銀行機構總部、分行及大型企業總部匯集于此，且周邊負荷集高檔辦公寫字樓、大型商業體、高檔住宅小區以及重慶大劇院、重慶科技館等大型公益文化設施于一體。

該工程項目基于江水源熱泵供冷供熱的總建筑面積為400萬m2，項目共有2個能源站，分3期建設，其中1號能源站在最后一期建設，已在2017年投用。2018年已接入供冷供熱面積約244.38萬m2，為江北嘴高檔辦公寫字樓、大型商業體、高檔住宅小區提供冷熱供應服務；1號能源站配置18臺主機，其中單臺額定制冷量8 400 kW、額定制熱量8 645 kW的單工況離心式水源熱泵機組10臺，單臺額定制冷量8 545 kW、額定制冰量5 043 kW的雙工況離心式蓄冷冷水機組8臺，蓄冰盤管320臺，總蓄冷量33萬 kW·h。冰蓄冷系統利用夜間低價谷電制冰蓄冷，白天用電高峰時，進行融冰供冷，補充江水源熱泵供冷系統的供冷量，降低直接由江水源熱泵制冷帶來的高峰時段電力消耗，降低運行成本。

1號能源站2018年用電情況如圖1所示，全年耗電量約2 200萬 kW·h，9月是最大用電量月份，尖峰平谷時段總用電量 375萬 kW·h，占全年耗電量的17.3%。供冷區域內公共建筑供冷周期為5月中旬到9月中旬，期間可結合冰蓄冷系統供冷，供冷系統共消納谷段電量713萬 kW·h，占全年谷電消耗量的81%。供冷期冰蓄冷系統具有良好的削峰填谷效果，供暖期啟動江水源熱泵的供熱功能，獨立承擔區域供暖任務。

圖1 重慶江北CBD基于江水源熱泵的供能系統2018年用電情況

因重慶氣候條件及當地產業布局特點，當地電網峰谷負荷差較大，調節手段有限，平均峰谷差率達到40%。2018年夏季全市供冷所需的用電負荷最高達到1 000萬 kW，提高了電網尖峰負荷，對電網的安全穩定運行有一定的影響(見圖2)。江北CBD江水源熱泵供冷系統，有效利用冰蓄冷系統的削峰填谷供能，可有效降低電網尖峰負荷，減少供冷系統耗電量。

圖2 1號能源站電負荷曲線

如圖3所示，選擇2018年3月1日、6月1日、9月1日、12月1日四個典型日期，1號能源站四個日期的電負荷曲線變化趨勢大致一致，電負荷主要在8點到20點之間變化，最大負荷基本上均出現在上午10點。根據四個典型日全天電功率數據，可計算出1號能源站全年日負荷密度、日負荷率、日峰谷差率、日負荷波動率和負荷持續時間負荷指標，如表1所示。日負荷率、日峰谷差率、日負荷波動率等3項比較類指標結果，如圖4所示。

圖3 1號能源站典型日電負荷曲線

表1 日電負荷特性指標

圖4 1號能源站典型日電負荷比較類指標

結合表1和圖4分析可得：日負荷率在0.377～0.695，6月份最高，12月份最低，分析原因主要是6月份外界氣溫高，所需供冷負荷最大，12月份是供暖初期，外界氣溫未降至很低，且同一建筑(群)冷負荷指標大于熱負荷指標，故6月份日負荷率最高；日峰谷差率在0.663～0.978，3月份最高，6月份最低，分析原因主要是3月份為一年中的供冷期與供暖期之間的過渡期，能源站間歇啟停，6月份夏季氣溫很高，能源站幾乎全天滿負荷運行；日負荷波動率在0.263～0.812，12月份最高，6月份最低；負荷持續時間在11.0～13.0 h；年平均日負荷率為0.539，年平均日峰谷差率為0.830，年平均日負荷波動率為0.555，年平均負荷持續時間為11.75 h；年平均日負荷較低，說明能源站設備具有較大的可利用裕度，可以進一步優化調節；日峰谷差率較高，系統調節負荷峰值的潛力較大。

2.2 建筑冷負荷及熱負荷特性分析

本文選擇江北CBD區域供能能源站的1號能源站及其供能范圍為對象進行區域負荷特性的研究。

針對CBD內商業、酒店、辦公、住宅等四類建筑，將負荷率每隔10%劃分一個范圍。根據四類建筑的全年冷熱負荷，分別計算出各自全年逐時冷熱負荷率，并統計各負荷率的分布比例以及公共建筑與住宅在供冷期和供暖期的逐時負荷率，結果如圖5所示。

分析圖5可得：公共建筑的冷負荷率分布比例曲線符合正態分布曲線，冷負荷率為40%～50%的占比最大，約占22%，符合公共建筑每天用能時間集中，負荷波動較小的規律，負荷率為0%～20%及80%～100%的占比接近，均占5%；居住建筑冷負荷率為10%～20%的占比最大，約占1/3，符合居住建筑白天用能較少，晚上用能較多的規律；由于酒店的功能屬性，全年中每天用能規律基本一致，冷熱負荷率分布比例曲線走向類似，酒店熱負荷率30%～70%占比60%；其他三類建筑熱負荷率為0～10%的占比75%以上，熱負荷率在10%以上的時間很少，且隨著熱負荷率的增加，分布比例逐漸降低。

圖5 各類建筑冷熱負荷率分布比例曲線

針對上述四類建筑，計算出區域內所有建筑的綜合冷熱負荷的全年逐時負荷率，類似于負荷率的劃分方法，將綜合負荷率每隔10%劃分一個范圍，并統計所有建筑綜合負荷率的分布比例以及供冷期和供暖期的逐時負荷率的分布比例。按照商業、酒店、辦公、住宅整體為一種建筑類型，商業、酒店、辦公整體為另一種建筑類型，結果如圖6所示。

圖6 江水源熱泵綜合冷熱負荷率分布比例曲線

分析圖6可得：總體來看，綜合負荷的冷熱負荷率分布較商業、酒店等單一建筑業態的冷熱負荷率分布更加波動；綜合冷熱負荷率為0～40%的分布比例在60%以上，綜合冷熱負荷率為70%～100%的分布比例較小；兩種建筑類型的綜合冷負荷率為0～80%的分布比例約為95%，綜合熱負荷率絕大部分時間在0～40%；與單一建筑業態冷熱負荷率的分布規律相比，綜合冷熱負荷率為0～30%的分布比例最高，綜合冷熱負荷率為0～20%的分布比例接近1/2，除酒店外，單一建筑業態熱負荷率為0～20%的分布比例在3/4以上，冷負荷率為0～10%的分布比例僅為1/10。

3 結 論

本文以重慶江北 CBD 區域供能工程項目為案例，基于調研得到的建筑冷、熱、電負荷數據，并進行區域用能特性的研究，分析了區域日負荷密度、日負荷率、日峰谷差率、日負荷波動率、負荷持續時間等負荷特性評價指標，結果顯示：

(1)年平均日負荷較低，能源站設備具有較大的可利用裕度，可以進一步優化調節；

(2)日峰谷差率較高，系統調節負荷峰值的潛力較大；

(3)公共建筑的冷負荷率為40%～50%的占比最大，居住建筑冷負荷率為10%～20%的占比最大，熱負荷率為0～10%的占比75%以上；

(4)公共建筑綜合冷熱負荷率為0～40%的分布比例在60%以上，綜合冷熱負荷率為0～20%的分布比例接近1/2；

(5)江水源熱泵系統具有較大比例的可平移負荷。