雙熱源耦合供暖系統運行方案比選及優化★

郭忠平，趙曉丹，任建花，張肖虎

(1.太原三劍自動化技術有限公司,山西 太原 030006; 2.山西五建集團有限公司,山西 太原 030013)

地源熱泵所使用的地熱能因其良好的穩定性和環境友好性將會是清潔能源開發的主要目標之一,但地源熱泵系統作為單一熱源容易出現熱平衡失調等問題,影響系統工作效率。天然氣因其儲量大,潔凈環保等優點可以作為輔助熱源的首選,降低地熱能利用過程中產生的熱不平衡性。因此,地源熱泵與燃氣鍋爐耦合供暖系統可以形成優勢互補,并且較好解決單個熱源供暖存在的問題,提高整個供暖系統的運行效率。

在雙熱源耦合供暖系統中,不同熱源的容量配比參數設置會對系統的整體運行效率產生影響,是現有研究關注的重要方向之一[1]。由于建筑峰值負荷出現時間較短,如果單純依據峰值負荷進行機組容量設計會造成機組功率放大,產生不必要的能源浪費[2-3]。所以在設計初期應該參考建筑逐時負荷,靈活調整熱源機組的數量并提供多種熱源裝機容量搭配方案,合理分配熱源承擔的熱負荷比例[4-5]。針對供熱系統裝機容量的合理配置以及熱負荷恰當分配的問題,部分學者進行了研究,建立了便于優化以電、熱、冷和燃料流量為特征的復雜能源網絡的負荷分配數學模型[6]。目前,對于熱源容量配比的研究相對有限,主要集中在理論數學模型的提出階段,且計算方法較為復雜,對不同實體建筑供暖方案中熱源容量配比的具體推薦值以及簡單計算方法研究較少。

本文根據太原市的氣象參數和地理位置參數,針對某高校內圖書館,依托TRNSYS模擬平臺搭建了一套地源熱泵與燃氣鍋爐耦合供暖系統模型。綜合考慮對雙熱源耦合供暖系統運行效率的影響因素,改變兩種熱源承擔的熱負荷比例,對比系統經濟效益選擇出最佳的系統方案,為之后類似建筑的設計提供參考。

1 工程案例

1.1 項目概況

本文以太原市某高校圖書館為研究對象,建筑供熱面積為70 510 m2,共15層,主要由閱覽室、會議室、活動中心構成。太原市屬于寒冷地區,冬季供暖期為冬季11月1日到次年3月31日,共150 d左右。圖書館末端形式采用地板輻射采暖,日間設計供暖水溫度為45 ℃,回水溫度為40 ℃,供回水溫差為5 ℃,夜間設計供暖水溫度為5 ℃,達到管道防凍效果。

1.2 建筑負荷模擬計算

依據GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范和GB 50176—93民用建筑熱工設計規范對建筑圍護結構的參數進行設置,具體參數設置見表1。采用TRNBuild軟件對其進行建模和動態負荷模擬計算。

表1 建筑圍護結構具體參數

動態逐時負荷模擬計算結果如圖1所示,峰值負荷出現在12月中旬,約為5 000 kW。最低負荷出現在3月中旬,約為500 kW,僅為峰值負荷的10%左右。

2 系統設計

2.1 系統原理及控制策略

本文以地源熱泵機組作為供暖系統的主要熱源,配置燃氣鍋爐作為輔助熱源,整個系統示意如圖2所示。建筑的熱負荷由地源熱泵機組與燃氣鍋爐共同承擔,根據不同的啟停控制策略對燃氣鍋爐進行控制。具體的啟停控制策略如下:

1)根據建筑的逐時負荷進行控制,當逐時負荷值高于地源熱泵機組承擔設計負荷時,鍋爐側水泵開啟,燃氣鍋爐介入進行補熱。當逐時負荷值低于地源熱泵機組承擔設計負荷時,鍋爐側水泵關閉,燃氣鍋爐停止補熱。

2)根據儲水水箱頂層溫度進行控制。當儲水水箱頂層溫度低于設計供水溫度45 ℃時,鍋爐側水泵開啟,燃氣鍋爐介入進行補熱。當儲水水箱頂層溫度高于設計供水溫度45 ℃時,鍋爐側水泵關閉,燃氣鍋爐停止補熱。

2.2 模擬計算工況

由于熱源的運行費用以及初投資均有差異,所以不同的容量配比會產生不同的經濟效益。以兩種熱源共同承擔建筑需求負荷為目標,改變地源熱泵機組承擔的設計負荷比,依次計算熱泵機組承擔建筑熱負荷比20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%七種工況。由于0 kW～500 kW區間內熱負荷出現的小時數最多,在對熱源機組進行選擇時,以額定制熱功率500 kW為梯度進行搭配組合,具體組合方案如表2所示。通過對比計算表2中15種工況下,方案1～方案6的經濟效益,從而得到最優的熱泵機組容量配比與最佳的系統運行方案。

表2 不同工況下的機組搭配組合方案

3 模擬結果分析

3.1 能效比SCOP

SCOP代表了整個供暖系統能源轉化的效率,能效比越大,節能效果越好。不同運行方案下供暖系統的SCOP計算結果如圖3所示。運行方案4,方案5下各個工況的SCOP較高,系統能源利用較為高效,而運行方案3下各個工況的SCOP較低,能源利用率較差。同一種運行方案下,從工況1到工況15,系統的SCOP值逐漸增加,且增加的速率逐漸減小,可以看出當地源熱泵機組承擔設計負荷比例逐漸增加時整個供暖系統的能效比也會隨之增加,系統的節能效果也會更加明顯。工況3、工況8、工況13中均采用了大機組搭配小機組的組合方式進行制熱,額定功率較大的機組最后啟動,機組的功率較高而建筑所需求的供熱量較低,會使得整個系統的SCOP較低。所以針對建筑物所需求的供熱量對熱源機組進行合理的搭配組合會使得整個供暖系統具有良好的節能效果。

3.2 經濟性分析

以太原市學校電價0.428元/(kW·h)、燃氣費用2.93元/(N·m3)為標準,計算不同運行方案下供暖系統各個工況的年運行費用,結果如圖4所示。通過對比系統各個工況在不同運行方案下年運行費用時得知,工況13,工況14年運行費用較低,分別為每年55.7萬元和55.8萬元,相較于使用運行方案3節省了39.1%和31.4%。可以看出,以水箱頂層溫度作為燃氣鍋爐介入供暖系統的信號時具有良好的經濟效益,熱源機組采用變流量定溫差的運行控制策略時具有較差的經濟效益。

根據圖5所示,隨著地源熱泵機組承擔設計負荷比的增加,熱泵機組部分的運行費用逐漸升高且變化速率逐漸降低,燃氣費用逐漸降低且變化速率逐漸降低。在工況6中,系統在運行方案5下的運行費用突然升高,所以在選擇機組組合時應該按照負荷區間劃分選擇合理的運行機組搭配方案,否則會大大增加機組的耗能。

單位供熱量費用隨著地源熱泵機組承擔的建筑負荷比的增加而逐漸減少。可以看出,在地源熱泵機組承擔的建筑熱負荷比越多時,系統的年運行費用越少,地源熱泵機組相對比燃氣鍋爐具有良好的經濟效益。同時,在耦合系統中,當地源熱泵機組承擔建筑熱負荷比例達到40%以上時,系統的節能效果就會大幅度下降。

4 結論

本研究中,針對太原地區某高校圖書館設計了一套雙熱源耦合的供暖系統,以地源熱泵作為主要熱源,燃氣鍋爐作為輔助熱源進行供暖。利用TRNSYS軟件對供暖系統進行建模,改變其不同熱源承擔的建筑熱負荷比例和運行控制策略,分析不同工況下系統的能耗變化,利用凈現值和費用現值等經濟指標進行經濟性評價,得到以下主要結論:

1)在地源熱泵與燃氣鍋爐耦合供暖系統中,地源熱泵系統具有良好的節能效果。當地源熱泵機組承擔的建筑熱負荷比例越高,系統的年運行費用越低,供暖系統的SCOP值越高。2)在地源熱泵與燃氣鍋爐耦合供暖系統中,對于熱源容量配比設計方面,當地源熱泵機組和燃氣鍋爐分別承擔40%和60%建筑熱負荷,同時采用變流量變溫差的運行控制方式時,供暖系統經濟性最具經濟效益。此時,供暖系統年運行費用為73.7萬元。全年減少二氧化碳排放2 461 t,減少氮氧化物排放37 t。