基于TRNSYS的多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性研究★

趙 攀 張翼飛 郭佳昌 王松慶

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

近年來，能源問題一直是人們密切關(guān)注的話題，常規(guī)能源日益枯竭，能源形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，在這樣的背景下，如何提高能源效率，改善能源結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)前研究的重中之重。在我國，隨著人們生活水平的不斷提高，供暖的需求也在不斷的增大，現(xiàn)有的熱網(wǎng)集中供暖方式無法滿足供暖需求的現(xiàn)象普遍存在；人們逐漸把眼光從單一熱源形式供熱轉(zhuǎn)移到了多熱源復(fù)合式供熱，在原來以不可再生能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)中，綜合利用兩類或幾類可再生能源、新能源，消除使用單一能源帶來的不利因素，發(fā)揮每種能源各自的優(yōu)勢以提高能源利用效率，改善能源結(jié)構(gòu)[1-3]。本文以瞬時(shí)仿真模擬軟件TRNSYS為平臺(tái)，構(gòu)建了一套由太陽能、土壤源熱泵、熱網(wǎng)三種熱源組成的多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)，結(jié)合目前我國實(shí)行峰谷電價(jià)的政策，本文提出了峰谷電價(jià)比的概念，即波峰電價(jià)與波谷電價(jià)的比值，研究不同的能源配比下，基于不同峰谷電價(jià)比，系統(tǒng)所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)性，以期為實(shí)際工程提供一些參考。

2 多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以哈爾濱市某小區(qū)一棟單體住宅建筑為研究案例，該建筑共8層，建筑總面積為8 942.4 m2。供熱時(shí)間為每年的10月20日至次年的4月20日。房間的供暖設(shè)計(jì)溫度為18 ℃，通風(fēng)換氣次數(shù)為0.5次/h。末端散熱設(shè)備采用輻射地板，根據(jù)JGJ 142—2012輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程，取輻射地板的供水溫度為45 ℃、回水溫度38 ℃。通過TRNSYS模擬出該建筑全年的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，全年最大熱負(fù)荷為360.8 kW,全年累計(jì)熱負(fù)荷為2 992.62 GJ。

2.1.1太陽能集熱系統(tǒng)

系統(tǒng)采用平板型集熱器，其面積由下式確定：

其中，Q為建筑日均耗熱量；f為太陽能保證率，具體數(shù)值參考GB 50495—2009太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范；Jt為供暖期日均太陽輻射照量；ηcd為太陽能集熱器的平均集熱效率；ηL為管路及儲(chǔ)熱裝置的熱損失率。通過計(jì)算，太陽能集熱器的面積定為750 m2。

2.1.2蓄熱水箱

關(guān)于不同類型太陽能系統(tǒng)所匹配的蓄熱水箱容積范圍，江輝民等人的研究[4]已給出了參考，結(jié)合太陽能集熱器的面積，初步確定蓄熱水箱的容積為100 m3。

2.1.3土壤源熱泵系統(tǒng)

地埋管換熱器采用單U型管，并聯(lián)同程式連接，關(guān)于地埋管換熱器的主要相關(guān)參數(shù)，具體通過參考《地源熱泵工程技術(shù)指南》，并結(jié)合工程實(shí)踐確定。

2.1.4熱網(wǎng)系統(tǒng)

熱網(wǎng)模型采用鍋爐+板式換熱器的形式，為簡化系統(tǒng)，由于本文模擬中只采納熱網(wǎng)熱水流量和熱水溫度，因此選用電加熱器來替代鍋爐[5]，系統(tǒng)的流量通過控制器控制的分水器調(diào)節(jié)其流出支路的流量比例確定。

2.1.5其他方面

太陽能系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)連接方式主要有串聯(lián)、并聯(lián)、交替連接，其中，根據(jù)源測回水流經(jīng)地埋管換熱器和太陽能集熱器的順序不同，串聯(lián)連接又分為兩種[6]。有關(guān)研究表明，太陽能系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)連接要比并聯(lián)連接效率更高[7,8]，而且，當(dāng)采用串聯(lián)連接時(shí)，源測回水先流經(jīng)地埋管換熱器要比先流經(jīng)太陽能集熱器更節(jié)能，熱泵機(jī)組的COP和地埋管總換熱量均較高，可以更加合理地利用太陽能，節(jié)省更多的電能[9]。因此本文選擇采用源測回水先流經(jīng)地埋管換熱器再流經(jīng)太陽能集熱器的串聯(lián)連接方式。

2.2 控制策略

本文構(gòu)建的多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)通過熱網(wǎng)系統(tǒng)以及由土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)耦合成的太陽能—土壤源熱泵系統(tǒng)共同為建筑供熱。這兩個(gè)系統(tǒng)通過分水器和集水器與末端采暖設(shè)備輻射地板進(jìn)行連接，通過調(diào)節(jié)熱泵開啟的數(shù)量以及由控制器2和3控制分、集水器的各個(gè)管路流量的比例，進(jìn)而控制熱泵系統(tǒng)在整個(gè)供熱系統(tǒng)供熱量的比例?？刂破?和采暖期模塊聯(lián)合工作，控制整個(gè)系統(tǒng)各循環(huán)水泵的運(yùn)行。太陽能集熱器側(cè)的循環(huán)水泵和蓄熱水箱采用溫差控制器控制，其實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)太陽能集熱器的出口溫度與蓄熱水箱內(nèi)的溫度差小于關(guān)閉溫差ΔTL時(shí)，循環(huán)熱泵1停止運(yùn)行；當(dāng)太陽能集熱器出口溫度與蓄熱水箱內(nèi)的溫度差大于開啟溫差ΔTH時(shí)，循環(huán)水泵1開啟。西華大學(xué)的研究結(jié)果[10]表明：溫差控制為太陽能集熱器運(yùn)行的最佳控制方式。它能使熱泵機(jī)組保持很高的能效比，最大程度地減少系統(tǒng)全年能耗，并且能使系統(tǒng)常年運(yùn)行后土壤周圍的溫度得到很好的恢復(fù)。

3 仿真模擬及結(jié)果分析

3.1 仿真模擬

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建的仿真模型如圖1所示。

為了研究不同能源配比下，系統(tǒng)所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)性，本文共設(shè)置了五種工況，具體情況如表1所示。

表1 多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)運(yùn)行工況設(shè)定

通過對(duì)五種不同工況的運(yùn)行模式分別進(jìn)行模擬，模擬系統(tǒng)運(yùn)行一年的能耗情況，得出各工況運(yùn)行結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況運(yùn)行模式下仿真模擬的結(jié)果 kW

3.2 結(jié)果分析

本文以目前黑龍江省物價(jià)監(jiān)督管理局發(fā)布的峰谷電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)[11]，波峰電價(jià)0.585 8元/kWh,波谷電價(jià)0.326 3元/kWh，計(jì)算系統(tǒng)在五種不同工況的運(yùn)行模式下運(yùn)行一年所需的費(fèi)用。同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所需的初投資進(jìn)行估算，以工況一的運(yùn)行模式為例，如表3所示。

表3 工況一的運(yùn)行模式下系統(tǒng)所需的初投資費(fèi)用

僅從初投資和年運(yùn)行費(fèi)用方面考慮，還難以分析出系統(tǒng)在哪種工況的運(yùn)行模式下經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，因此考慮采用了費(fèi)用現(xiàn)值[12]這一指標(biāo)。假設(shè)該系統(tǒng)的壽命期為25年，折現(xiàn)率取8%，計(jì)算該系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值，綜合各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)所得的結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看出，該系統(tǒng)隨著熱泵設(shè)計(jì)負(fù)荷占比的增加，熱泵機(jī)組的臺(tái)數(shù)也在不斷增多，故初投資也在不斷的增長。系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，這也恰恰體現(xiàn)了熱泵的節(jié)能特性。但是也可以看到，工況五的運(yùn)行模式下的年運(yùn)行費(fèi)用與工況四相差無幾，甚至還要略高，分析其原因，是因?yàn)榇藭r(shí)熱泵機(jī)組的COP處在較低的值，運(yùn)行熱泵所需的電量大大增加，從而導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用的增加。從費(fèi)用現(xiàn)值上來看，在工況三的運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值最低，為258.01萬元，也就是說，以工況三的運(yùn)行模式運(yùn)行，系統(tǒng)具有最佳的經(jīng)濟(jì)性。

現(xiàn)如今，我國各主要城市的峰谷電價(jià)比呈現(xiàn)不斷拉大的趨勢，一方面為了緩解高峰期電力緊張、供需不平衡的現(xiàn)象，另一方面國家提倡北方城市多采用電采暖，實(shí)現(xiàn)冬季清潔供熱，其中如北京、天津以及河北省部分城市已經(jīng)大面積推廣。本文對(duì)哈爾濱市未來的峰谷電價(jià)進(jìn)行合理預(yù)測，預(yù)測0.585 8/0.254 2元/kWh,0.585 8/0.186 8元/kWh這兩種峰谷電價(jià)，即當(dāng)峰谷電價(jià)比達(dá)到2倍和3倍以上時(shí)，分析該系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。預(yù)測的依據(jù)是根據(jù)電價(jià)形成機(jī)制，電價(jià)是由政府根據(jù)各地具體情況制定出來的，一般正常的電價(jià)是不會(huì)有太大的調(diào)整，而政府為了鼓勵(lì)居民多用波谷電，所以夜晚的波谷電價(jià)一般可以有較大范圍的上調(diào)或下浮。

基于預(yù)測的兩種峰谷電價(jià)，系統(tǒng)運(yùn)行一年各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如圖3，圖4所示。

從圖3，圖4的結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用仍是呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，且趨勢愈加穩(wěn)定。從費(fèi)用現(xiàn)值上來看，依舊是工況三的運(yùn)行模式下，費(fèi)用現(xiàn)值最低，即當(dāng)系統(tǒng)中太陽能—土壤源熱泵承擔(dān)55%的負(fù)荷，熱網(wǎng)系統(tǒng)承擔(dān)45%的負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

4 結(jié)語

通過本文的研究，可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)本文建立的多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)，基于三種不同的峰谷電價(jià)比，當(dāng)太陽能—土壤源熱泵的設(shè)計(jì)負(fù)荷占55%，熱網(wǎng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷占45%時(shí)，系統(tǒng)均具有較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。這為實(shí)際工程中采用由太陽能—土壤源熱泵和熱網(wǎng)組成的多熱源復(fù)合式系統(tǒng)供熱提供了一定的參考。