地源熱泵與水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)運行策略重新制定

張君美， 楊 紅， 羅丹吳

(1.天津大學建筑設計研究院，天津 300072;2.天津市建筑設計院，天津 300074;3.天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384)

1 概述

現(xiàn)階段，常規(guī)能源短缺、環(huán)境污染問題日益凸顯，全國用電需求呈現(xiàn)逐年增長的態(tài)勢，電力供應量高峰不足而低谷過剩的矛盾也日趨嚴重。地埋管地源熱泵聯(lián)合水蓄能系統(tǒng)憑借顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益得到關注，特別是在降低一次能源消耗、提高能源利用率、平衡電網(wǎng)方面。

20世紀80年代以來，中國的地埋管地源熱泵技術迅速發(fā)展，研究主要集中在不同形式的地埋管換熱器性能、傳熱計算研究，地埋管合理間距的理論分析，回填材料的研究，土壤物性測量方法，地埋管換熱器間歇運行策略等［1－7］。采用地埋管地源熱泵與水蓄能相結(jié)合的方法，一方面實現(xiàn)熱泵機組間歇運行，延長機組使用壽命，另一方面可減少機組在非滿負荷下的運轉(zhuǎn)時間，提高能源利用率［8］。

本文以天津市某能源站內(nèi)地埋管地源熱泵與水蓄能聯(lián)合運行系統(tǒng)(聯(lián)合運行系統(tǒng)還配置了市政熱源接口、電制冷機組作為補充)為研究對象。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，重新確定運行策略。利用TRNSYS軟件建立聯(lián)合運行系統(tǒng)仿真模型，對地埋管地源熱泵機組優(yōu)先單機運行方式、雙機運行方式下的季節(jié)能效比進行模擬。

2 調(diào)研結(jié)果

2.1 設備配置

該能源站采用聯(lián)合運行系統(tǒng)為總建筑面積為306 494 m2的6座單體辦公建筑供能(供暖期供熱，供冷期供冷)，建筑辦公時間為8:00—18:00。為了能為辦公人員提供舒適的辦公環(huán)境，在7:00提前開啟空調(diào)裝置對室內(nèi)環(huán)境進行干預。建筑供暖期、供冷期典型日(出現(xiàn)最大冷熱負荷日)的逐時負荷見圖1。由圖1可知，供暖期建筑最大熱負荷為10 000 kW，供冷期建筑最大冷負荷為5 700 kW。聯(lián)合運行系統(tǒng)的設備配置見圖2。

圖1 建筑供暖期、供冷期典型日逐時負荷

由調(diào)研結(jié)果可知，聯(lián)合運行系統(tǒng)主要分為夜間蓄能工況、日間供能工況。①夜間蓄能工況:供暖期利用4臺蓄能罐蓄熱，供冷期利用4臺蓄能罐蓄冷。供暖期地埋管地源熱泵機組向蓄能罐提供65℃的熱水，蓄能罐出水溫度50℃。供冷期地埋管地源熱泵機組向蓄能罐提供4℃的冷水，蓄能罐出水溫度10℃。②日間供能工況:日間供能工況分為日間釋能、直接供能(為便于分析，本文將蓄能罐供能稱為釋能，將地埋管地源熱泵機組、市政熱源、電制冷機組供能稱為直接供能)工況。蓄能罐根據(jù)建筑負荷優(yōu)先通過蓄能換熱器向建筑釋能，當蓄冷熱量全部釋放之后，由地埋管地源熱泵機組向建筑供能。當供暖期地埋管地源熱泵機組不足以負擔建筑熱負荷時，將接通市政熱源供熱。當供冷期地埋管地源熱泵機組不足以負擔建筑冷負荷時，啟動電制冷機組供冷。供暖期用戶供、回水溫度為47、37℃，供冷期用戶供、回水溫度為6、13℃。

通過實際調(diào)研得知，地埋管換熱器采用規(guī)格為D32×3的雙U形地埋管，鉆孔深度為120 m，鉆孔數(shù)量為1 400個，間距為4.2 m。聯(lián)合運行系統(tǒng)的主要設備及性能參數(shù)見表1。

表1 聯(lián)合運行系統(tǒng)的主要設備及性能參數(shù)

2.2 2012—2015年供能情況

圖2 聯(lián)合運行系統(tǒng)的設備配置

2012—2015年聯(lián)合運行系統(tǒng)的供能情況見表2。表2中的輔助供能量，對于供暖期為市政熱源供熱量，對于供冷期為電制冷機組供冷量，釋能比例為蓄能罐釋能量占聯(lián)合運行系統(tǒng)供能量(蓄能罐釋能量與地埋管地源熱泵機組直接供能量之和)的比例。

由表2可知，在供冷期，聯(lián)合運行系統(tǒng)的供能量遠大于輔助供能量，說明建筑所需制冷量基本可以由聯(lián)合運行系統(tǒng)提供，其制冷能力與建筑冷負荷是相匹配的，而且釋能比例也比較高。在供暖期，各年市政熱源供熱量、聯(lián)合運行系統(tǒng)供能量變化并不一致，而且釋能比例也比較低。因此，我們對聯(lián)合運行系統(tǒng)的運行策略進行重新制定，使運行策略更加優(yōu)化。

3 運行策略制定

3.1 負荷率

由于建筑負荷不斷變化，聯(lián)合運行系統(tǒng)大部分時間是處于部分負荷條件下運行的，因此定義建筑單日逐時負荷的平均值與最大負荷之比為聯(lián)合運行系統(tǒng)的負荷率。根據(jù)2012—2015年供冷期、供暖期的實測數(shù)據(jù)，可以計算出不同負荷率時間分布。以負荷率持續(xù)時間的長短作為篩選條件，選取了具有代表性的供冷期負荷率為20%、40%、60%、80%，供暖期為30%、40%、50%、70%。

表2 2012—2015年聯(lián)合運行系統(tǒng)的供能情況

3.2 運行策略

結(jié)合天津地區(qū)峰谷電價(見表3)，對聯(lián)合運行系統(tǒng)的運行策略進行重新制定，基本原則如下。

供暖期:7:00—8:00，為使室溫盡快升上去，采用市政熱供熱。8:00—18:00，優(yōu)先選用蓄能罐釋熱，當不能滿足用戶需求時采用地埋管地源熱泵機組直供、市政熱源供熱。18:00—23:00，電價高峰時段，采用市政熱源提供建筑值班負荷。23:00—7:00，電力低谷時段，運行策略按調(diào)研得到的供暖期夜間蓄能工況執(zhí)行。

供冷期:7:00—8:00，為使室溫盡快降下來，采用電制冷機組供冷。8:00—18:00，優(yōu)先選用蓄能罐釋冷，當不能滿足用戶需求時采用地源熱泵機組直供、電制冷機組供冷。18:00—23:00，非建筑供冷時間。23:00—7:00，電力低谷時段，按調(diào)研得到的供冷期夜間蓄能工況執(zhí)行。

表3 天津地區(qū)電力峰谷電價

供暖期、供冷期不同負荷率下日間供能工況的運行策略分別見表4、5。表4、5中的蓄能率為蓄能罐實際蓄能量占用蓄能罐總蓄能能力的比例。對于夜間蓄能工況，采用地埋管地源熱泵機組雙機運行。對于日間供能工況，分別采用地埋管地源熱泵機組優(yōu)先單機運行方式、雙機運行方式。優(yōu)先單機運行方式，負荷優(yōu)先由1臺地埋管地源熱泵機組承擔，若超出單臺機組能力，再啟動另一臺，啟動后各負擔50%的負荷。雙機運行方式，負荷由兩臺地埋管地源熱泵機組各負擔50%。

表4 供暖期不同負荷率下日間供能工況的運行策略

表5 供冷期不同負荷率下日間供能工況的運行策略

4 季節(jié)能效比模擬

4.1 模型建立

筆者利用TRNSYS17軟件建立聯(lián)合運行系統(tǒng)的仿真模型，軟件截圖見圖3。模擬優(yōu)先單機運行、雙機運行方式下地埋管地源熱泵的季節(jié)能效比。設定條件為:忽略載冷熱流體熱物性隨溫度的變化。忽略管道熱損失。管內(nèi)流體在同一截面上溫度和速度分布是均勻一致的。認為土壤為均質(zhì)、各向同性的多孔介質(zhì)體，忽略土壤中因水分遷移引起的熱導率變化。地埋管與土壤間傳熱認為是接觸良好的導熱，忽略填料與孔壁間以及管壁與填料之間的接觸熱阻。土壤初始溫度為18.4℃。

由地埋管換熱器模塊type557、水源熱泵機組模塊type927、變頻泵模塊type110組成地下?lián)Q熱模塊。由地埋管換熱器模塊type557、水源熱泵機組模塊type927、蓄能罐模塊type4b組成蓄能模塊。由地埋管換熱器模塊type557、水源熱泵機組模塊type927、建筑負荷模塊type12c、變頻泵模塊type110組成直接供能模塊。各模塊通過輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關系建立連接，并配置了氣象模塊、逐時負荷模塊、數(shù)據(jù)導出模塊。

圖3 聯(lián)合運行系統(tǒng)的仿真模型(軟件截圖)

4.2 模擬結(jié)果與分析

筆者分別在地埋管地源熱泵機組優(yōu)先單機運行、雙機運行方式下，對地埋管地源熱泵機組的制熱季節(jié)能效比、制冷季節(jié)能效比進行模擬。模擬時間選取負荷率較高的時間:供暖期選取典型年的12月15至19日，供冷期選取典型年的7月15至19日。優(yōu)先單機運行、雙機運行方式下地埋管地源熱泵機組的制熱季節(jié)能效比、制冷季節(jié)能效比模擬結(jié)果見表6。由表6可知，與雙機運行方式相比，優(yōu)先單機運行方式的制熱季節(jié)能效比、制冷季節(jié)能效比均比較高，說明優(yōu)先單機運行方式的性能更優(yōu)。

表6 優(yōu)先單機運行、雙機運行方式下地埋管地源熱泵機組的制熱季節(jié)能效比、制冷季節(jié)能效比

5 結(jié)論

優(yōu)先單機運行方式制熱、制冷季節(jié)能效比分別為4.37、2.62，雙機運行方式制熱、制冷季節(jié)能效比分別為3.99、2.31。與雙機運行方式相比，優(yōu)先單機運行方式的制熱季節(jié)能效比、制冷季節(jié)能效比均比較高，說明優(yōu)先單機運行方式的性能更優(yōu)。