工業園區中央空調蓄冷蓄熱數字模型應用研究

摘要：工業園區中，中央空調系統負荷一般為最大負荷，其冷、熱、氣等多重負荷匯集，耦合程度高，園區綜合能源系統不能忽視其系統性作用。本文針對工業園區中央空調系統的設備單元，構建蓄冷蓄熱數字模型，并將數字模型應用于實際中央空調系統，從而實現園區空調系統的經濟運行，提高園區綜合能源利用效率。

關鍵詞：工業園區；綜合能源系統；中央空調系統；蓄冷蓄熱；數字模型；典型應用

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.047

Abstract： In industrial parks， the load of the central air conditioning system is generally the maximum load， and its multiple loads such as cooling， heating， and gas gather， with a high degree of coupling， the comprehensive energy system in the park cannot ignore its systematic role. This paper constructs a digital model of cold and heat storage for the equipment units of the central air conditioning system in industrial parks， and applies the digital model to the actual central air conditioning system， in order to achieve the economic operation of the park’s air conditioning system and improve the comprehensive energy utilization efficiency of the park.

Keywords： industrial park; integrated energy system; central air conditioning system; cold and heat storage; digital model; typical applications

能源的生產和消費是導致二氧化碳排放的主要原因。為了實現碳達峰碳中和目標，建設清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系，要積極推進能源領域的碳減排。根據國際能源署的數據，工業園區能源消耗在我國能源消耗中的占比約為69%，而其碳排放量約占全國排放量的31%[1]。因此，工業園區成為實現科學精準碳減排和碳中和的重要關注點。如何確保工業園區能源的可持續利用已經成為當前研究的重要議題。

綜合能源系統可以實現不同能源系統的耦合，打破各個能源系統單獨運行、相互獨立的模式，其實現能源供需間的互動和協同，提高能量利用效率[2]。綜合能源系統建模一直是研究者關注的熱點[3]。目前，能源集線器模型被廣泛應用于綜合能源系統規劃、需求響應控制以及系統優化運行調度等領域[4-7]。多能耦合聯產系統采用冷-熱-電聯供，其物理數字模型已經建立[8-9]。廖春暉[10]對燃煤熱電聯產機組的物理數字模型進行分析，研究熱電聯產區域供熱系統熱源優化配置。祝榮等[11]設計一個綜合模型，將可再生能源的功率輸出不確定性、柔性負荷和儲能設備相結合，以實現工業園區風光儲一體化。

國內外學者已對綜合能源系統的概念、物理結構和相關模型進行廣泛研究[12-13]。相關模型研究主要集中在冷熱電三聯供、風光儲充一體化、熱電聯產等典型應用，目前鮮有中央空調蓄冷蓄熱典型應用的模型研究，缺少理論模型到實際應用的轉化，而工業園區空調負荷一般占比最大，在園區綜合能源系統中，其系統性作用不可忽略。本文結合工業園區綜合能源系統的典型應用構成，對園區中央空調蓄冷蓄熱典型應用進行數字建模，構建系統設備單元的數字模型，并將數字模型應用于實際中央空調系統。

1 工業園區綜合能源系統的典型應用構成

工業園區綜合能源系統的基礎能量單元主要包括電、熱、氣三大能流。在此基礎上，風電、光伏等新能源生產單元得以應用。能量耦合單元則涵蓋冷熱電三聯供系統、風光儲充一體化系統、中央空調蓄冷蓄熱系統、電鍋爐、燃氣鍋爐等設備。同時，儲能設備的重要性逐漸凸顯，這些元素構成一個完整的綜合能源系統架構，實現生產、傳輸、儲存、耦合和再傳輸等多種功能[14]。園區綜合能源系統典型結構如圖1所示。

2 工業園區中央空調蓄冷蓄熱典型應用的數字建模

工業園區綜合能源系統中央空調蓄冷蓄熱典型應用的設備單元包括水源熱泵、空氣源熱泵、電鍋爐、磁懸浮冷水機組等，這些設備單元完成輸送、存儲、耦合和再輸送等功能，實現多能流的耦合與轉換，是園區綜合能源系統中央空調蓄冷蓄熱典型應用的重要組成部分。下面依次建立這些耦合設備單元的數字模型。園區綜合能源系統中央空調蓄冷蓄熱典型應用的設備單元及其物理指標如表1所示。

2.1 熱泵

2.1.1 水源熱泵

建立綜合能源系統模型時，隨著固定流量工況的設定，影響機組性能系數的主要參數是高溫熱源的冷凝溫度及低溫熱源的蒸發溫度。理想情況下，目標是實現最佳供熱性能系數，其采用式（1）進行計算。試驗發現，水源熱泵機組實際運行受到多種復雜因素的影響，兩側熱源溫度變化對機組性能系數的影響有所不同。因此，通過擬合和分析數據，成功構建適用于水源熱泵機組的供熱性能系數計算模型，如式（2）所示。

式中：COP，H為供熱性能系數；TH為高溫熱源溫度；TC為低溫熱源溫度；TCW為蒸發器側熱源溫度；THW為冷凝器側熱源溫度；A、B、C、D、E是試驗計算得到的擬合系數。

水源熱泵供熱性能系數和制冷性能系數的關系如式（3）所示。水源熱泵運行時需要輸入一小部分電能，其能量轉換關系可以用式（4）、式（5）和式（6）表示。

式中：COP，C為機組制冷性能系數；QH，tWHP、QC，tWHP分別為水源熱泵在t時段的供冷功率和供熱功率；PtWHP為t時段向水源熱泵輸入的電功率；Δt為水源熱泵調度時段區間長度；αH，t、αC，t分別為t時段輸入電能用于供熱和制冷的調度系數；PWHPt，max、PWHPt，min為水源熱泵輸入電功率的上下限。

2.1.2 空氣源熱泵

考慮空氣源熱泵的變工況運行特性，建立空氣源熱泵變工況模型，如式（7）、式（8）和式（9）所示。

式中：ηASHP（t）為t時段空氣源熱泵的能效比；Tout（t）為環境溫度；PhASHP（t）、PeASHP（t）為t時段空氣源熱泵的制熱及耗電功率；PeASHP，max和PeASHP，min是空氣源熱泵耗電功率上下限。

2.1.3 熱源塔熱泵

熱源塔熱泵主機制熱能效比（COP）采用式（10）計算，制熱工況下電功率滿足式（11）要求。主機熱源側出口溫度采用式（12）計算，主機負荷側出口溫度采用式（13）計算。

式中：Qh（t）為t時段制熱工況下熱源塔熱泵實際制熱量；Ph（t）為t時段制熱工況下熱源塔熱泵電功率；Ph，max和Ph，min為熱源塔熱泵電功率的上限和下限；Psource，out為主機熱源側出口溫度；Psource，in為主機熱源側進口溫度；Msource為主機熱源側流量；Cp，source為熱源側溶液比熱容；Tload，out為主機負荷側出口溫度；Tload，in為主機負荷側進口溫度；Mload為主機負荷側流量；Cp，load為負荷側溶液比熱容。

2.2 電鍋爐

電鍋爐具有熱效率高、安裝簡單、控制靈活、維修更換方便、節約能源等優勢，被廣泛應用于綜合能源系統的供熱模塊。電鍋爐將電能轉化為熱能的數學模型如式（14）所示，電鍋爐所需用電功率滿足式（15）要求。

式中：HEB（t）為t時段電鍋爐制熱功率；PEB（t）為t時段電鍋爐所需用電功率；COPEB為電鍋爐電熱轉換效率；PEB，max、PEB，min為電鍋爐制熱電功率上下限。

2.3 磁懸浮冷水機組

與傳統離心式冷水主機相比，磁懸浮冷水主機具有效率高、調節范圍廣、部分負荷下效率高于額定工況等優點。以冷機冷凍水出水溫度與冷卻水進水溫度的溫差和冷機制冷量為自變量，以冷機能耗為因變量，構建冷機能耗的數學模型，如式（16）所示，冷機能耗滿足式（17）要求。

式中：Pch（t）為t時段冷機能耗；a0、a1、a2、a3、a4和a5均為系數；Q為冷機制冷量；Two為冷機冷凍水出水溫度；Tci為冷卻水進水溫度；Pch，max和Pch，min為冷機制冷電功率上下限。

3 數字模型在實際中央空調系統中的應用

某工業園區中央空調系統以地源熱泵、蓄熱式電鍋爐為主熱源，供暖期間采用外部電網和光伏系統來滿足電力需求。為了滿足供熱需求，該工業園區構建一個集中能源站，其中包括螺桿式地源熱泵主機和蓄熱式電鍋爐。系統可以產生空調熱水并將其輸送到各個樓宇。為了提供更好的供熱效果，使用風機盤管。該系統的供能結構如圖2所示。

工業園區綜合能源系統包含多個熱源，每個熱源都設定空調熱水的目標溫度。熱水通過分水器供給各個樓宇進行供熱，樓宇使用后，空調熱水溫度會降低，它通過回水管道返回集水器，在那里與其他回水混合。利用式（18），可以計算每個熱源的制熱量，其滿足式（19）要求。

式中：Qi為每個熱源的制熱量；cW、ρW分別為水的比熱容和密度；Fi為熱源i一次水泵的額定流量；Ts為空調熱水的目標溫度；Tr為回水混合水溫度；Qi，max和Qi，min是熱源i制熱功率上下限。

依據式（18）的制熱量計算方法，熱源j和熱源k所供熱量的比例與它們各自一次水泵的流量存在關系，如式（20）所示。供暖期系統t時刻一次空調水泵總流量FtH采用式（21）進行計算。空調熱水流量分配示意圖如圖3所示。

式中：Qj、Qk分別為熱源j和熱源k的制熱量；Fj、Fk分別為熱源j和熱源k的一次水泵流量；FtH為供暖期系統t時刻一次空調水泵總流量；F HP、F AWP分別為地源熱泵一次水泵和蓄熱式電鍋爐系統空調熱水泵的額定流量；N HP為地源熱泵主機個數；N AWP為蓄熱式電鍋爐系統空調熱水泵個數；Ut，iHP、Ut，iAWP分別為t時刻第i臺地源熱泵和空調熱水泵的運行狀態。這些變量采用二進制表示，取值為1或0。當設備工況處于啟動與執行狀態時，取值為1，而關閉與不執行狀態取值為0。

根據蓄熱式電鍋爐系統的特性，可以通過計算空調熱水流量、系統總空調熱水流量等參數，得到供熱功率，如式（22）所示。該系統的供熱功率由電鍋爐供熱功率和蓄熱水箱供熱功率組成，如式（23）所示。

式中：QtB，WT，H為系統供熱功率；LtH為空調熱水流量；FH為系統總空調熱水流量；QtB，H為電鍋爐的供熱功率；QtWT，H為蓄熱水箱的供熱功率。

承壓電鍋爐的能源輸出功率由供熱功率、供熱水功率和蓄熱功率組成，如式（24）所示，同時相關參數滿足式（25）、式（26）、式（27）和式（28）要求。每個主機的啟動功率相同，不會超過運行功率的上限。值得注意的是，承壓電鍋爐和儲熱水箱不能同時操作，它們遵循特定的電鍋爐啟停次序要求。

式中：Q Bt，i、Q Bt， j分別為t時刻第i臺、第j臺電鍋爐供能功率；QtB，H、QtB，HW、QtB，S分別為電鍋爐機組供熱功率、供熱水功率、蓄熱功率；QiB為電鍋爐單體供能功率上限；UtWT為蓄熱水箱供能標志（采用二進制表示，取值為1或0）；U Bt，i、U Bt， j、U Bt，i+1分別為t時刻第i臺、第j臺、第i+1臺電鍋爐啟停狀態（采用二進制表示，取值為1或0）；N B為承壓電鍋爐個數；ΩB為承壓電鍋爐主機的集合。

電鍋爐機組耗電功率采用式（29）計算，蓄熱水箱蓄熱量采用式（30）計算，其滿足式（31）要求。水箱供能功率的約束條件如式（32）、式（33）和式（34）所示。

式中：PtB為電鍋爐機組耗電功率；ηB為電鍋爐熱效率；Pt，iB，WP為t時刻第i臺電鍋爐輸入電功率；WtHT為t時刻蓄熱水箱整體蓄熱量；εWT為蓄熱水箱熱損耗率；Wt-1WT、WtWT分別為t-1時刻、t時刻的水箱蓄熱量；QtWT，H、QtWT，HW分別為蓄熱水箱供熱、供熱水功率；WWT、WWT為水箱蓄熱量上下限；QtB，S為電鍋爐機組蓄熱功率；Δt為蓄熱水箱調度時段區間長度；QWT，H、QWT，HW、QWT分別為蓄熱水箱供熱功率、供熱水功率、整體供能功率的上限；NWT為蓄熱水箱臺數。

4 結論

在碳達峰碳中和背景下，工業園區中央空調系統輸入能源的主要形式為電能，而熱主要集中在末端，因此熱能顯得更為珍貴。通過蓄冷蓄熱技術收集系統的全年余熱，是實現工業園區零碳排放的重要手段。此外，儲熱比儲電更便宜，經濟效益更好，中央空調蓄冷蓄熱應用場景也會變得非常廣泛，它成為園區綜合能源系統的必要補充。研究表明，工業園區建立中央空調系統設備單元的蓄冷蓄熱數字模型，并將數字模型應用于實際中央空調系統中，可實現綜合能源系統模型理論到實際應用的轉化，確保園區空調系統經濟運行，提高園區綜合能源利用效率。

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收稿日期：2024-01-05

作者簡介：唐旺（1985—），男，湖南株洲人，碩士，工程師。研究方向：綜合能源技術。