基于TRNSYS的河水源熱泵與電鍋爐復(fù)合供暖系統(tǒng)仿真研究

牛蒙科，韓芳明，楊 旭，李炳熙，王 維

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京動力機(jī)械研究所，北京 100074)

碳中和與碳達(dá)峰已經(jīng)成為我國盡力實現(xiàn)的目標(biāo)，所以在這種情況下找到一種清潔能源來進(jìn)行供熱對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少污染物排放等具有重要意義[1].電能是一種安全、便捷的清潔能源，大規(guī)模推廣電能可以有效推動國家能源戰(zhàn)略的實施和促進(jìn)清潔能源發(fā)展.目前的電代煤清潔供暖技術(shù)主要有蓄熱電鍋爐和熱泵，熱泵是將周圍環(huán)境中的低品位熱量轉(zhuǎn)化成高品位熱量的一種能量提升裝置，具有較高的能耗比，在國內(nèi)外供暖系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用也較廣泛，主要集中在復(fù)合供暖系統(tǒng)設(shè)計方面.

邱國棟[2]等設(shè)計了太陽能、空氣源熱泵、太陽能輔助空氣源熱泵三種典型供暖系統(tǒng)，通過TRNSYS仿真和經(jīng)濟(jì)性分析，得出經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性最佳的方案.趙藝陽[3]以沈陽某小區(qū)為模板，設(shè)計了一種地下水源熱泵和燃煤鍋爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析和經(jīng)濟(jì)性分析，綜合比較得出了最佳熱負(fù)荷配比方案.謝行杰[4]以哈爾濱某污水源熱泵項目為模板，建立了一種污水源熱泵與太陽能復(fù)合供暖系統(tǒng)，研究集熱器與熱泵承擔(dān)不同熱負(fù)荷配比時系統(tǒng)總能耗變化，再利用TRNSYS軟件模擬，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.劉逸[5]等提出了利用太陽能-土壤源熱泵進(jìn)行供暖的方案，對五種供暖方式進(jìn)行了比較分析，得出該復(fù)合供暖系統(tǒng)能耗最低，一次能源利用率最高的結(jié)論.宮靜[6]等基于TRNSYS軟件對某高速公路服務(wù)區(qū)建筑空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)節(jié)能性開展案例研究，從節(jié)能性角度對比空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在6種負(fù)荷分擔(dān)比例運行策略下的能效差異，得出了節(jié)能性最好時的最佳配比.

目前，對于河水源熱泵和蓄熱電鍋爐供暖的研究還很少，系統(tǒng)的運行策略對系統(tǒng)的運行成本和運行效率有很大的影響，因此本文以東北某10萬平米供暖需求小鎮(zhèn)為模板，采用河水源熱泵與蓄熱電鍋爐復(fù)合供暖系統(tǒng)進(jìn)行供暖設(shè)計，利用TRNSYS軟件進(jìn)行仿真研究，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析比較.

1 復(fù)合供暖系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)組成及運行策略

本文設(shè)計的復(fù)合供暖系統(tǒng)主要包括河水源熱泵系統(tǒng)、蓄熱電鍋爐系統(tǒng)、終端供熱系統(tǒng)和室內(nèi)外管網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成示意圖，如圖1所示.

圖1 復(fù)合供暖系統(tǒng)組成圖

(1)河水源熱泵系統(tǒng)

河水源熱泵系統(tǒng)主要包括河水源熱泵機(jī)組、水源測循環(huán)泵、取水井潛水泵、河水處理設(shè)備等.選取某型號水源熱泵機(jī)組，名義制熱量2 780 kW，電機(jī)制熱功率700 kW.采用開式河水源熱泵系統(tǒng)，采取河床式取水的方式，即設(shè)置取水井作為間接取水源.

(2)蓄熱電鍋爐系統(tǒng)

采用電極鍋爐+水蓄熱式電鍋爐裝置，水蓄熱電鍋爐系統(tǒng)主要由電熱鍋爐、儲熱罐和供熱管路三部分組成：電鍋爐起著將電能轉(zhuǎn)化成熱能的作用；儲熱罐儲存電鍋爐產(chǎn)生的一部分熱能，待電熱鍋爐停止工作后，代替后者向外釋放熱能；該蓄熱電鍋爐的運行策略為谷電和平電蓄熱，峰電時利用所蓄熱量，據(jù)此設(shè)計蓄水量為3 000 m3.

(3)終端供熱系統(tǒng)

終端供熱系統(tǒng)位于整個供暖系統(tǒng)的末端，用于將來自熱源的熱量傳遞給供暖建筑，主要包括散熱裝置、水泵等設(shè)備.

(4)室內(nèi)外管網(wǎng)系統(tǒng)

管網(wǎng)系統(tǒng)是整個供暖系統(tǒng)中水循環(huán)流動和熱量傳輸?shù)耐ǖ?是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括的設(shè)備有管線、閥門等.

河水源熱泵-蓄熱電鍋爐復(fù)合供暖系統(tǒng)的運行主要有三個過程：第一階段：采暖初期河水源熱泵單獨運行，承擔(dān)所有熱負(fù)荷；第二階段：蓄熱電鍋爐投入運行，分擔(dān)一部分熱負(fù)荷；第三階段：蓄熱電鍋爐停止運行，河水源熱泵再次獨立供熱.

1.2 系統(tǒng)仿真模型

在上面所構(gòu)建的系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，利用瞬態(tài)仿真軟件TRNSYS建立了河水源熱泵與蓄熱電鍋爐復(fù)合供暖系統(tǒng)，以模擬整個系統(tǒng)的能耗.建立起的系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示.該仿真系統(tǒng)主要包括：熱負(fù)荷模塊、熱泵模塊和蓄熱電鍋爐模塊.各個模塊均包含所需組件，并采用單獨的控制策略.

圖2 復(fù)合供暖系統(tǒng)仿真模型

熱負(fù)荷模塊主要就是利用Type9a讀取逐時熱負(fù)荷文件，然后在Type682流體負(fù)荷組件中轉(zhuǎn)化成流體溫度和流量的形式.

熱泵模塊主要由三個循環(huán)來實現(xiàn)，即源側(cè)水循環(huán)、負(fù)荷側(cè)水循環(huán)和熱泵循環(huán)，由Type927水源熱泵機(jī)組以及Type114循環(huán)水泵組成，另外需要一個循環(huán)水泵和Type5b板式換熱器來將河水中的熱量換至源側(cè)水循環(huán)中.

蓄熱電鍋爐模塊主要包括Type700電鍋爐組件、Type114循環(huán)水泵組件和Type4c蓄熱水箱組件.蓄熱水箱為分層水箱，每層具有不同的溫度，與外界傳熱系數(shù)較低，具有一定的保溫效果.

除此之外，采用Type515組件來劃分供暖和非供暖季節(jié)，從而進(jìn)行采暖判斷，然后利用計算器組件實現(xiàn)控制作用，通過0和1控制熱泵、電鍋爐、水泵等的啟停，采用Type14h實現(xiàn)一天內(nèi)不同電價時電鍋爐功率的調(diào)節(jié)，不同月份的河水溫度則用Type518組件來實現(xiàn).

2 仿真模擬與結(jié)果分析

2.1 能耗模擬

模板小鎮(zhèn)采暖面積約10萬m2，供暖時間

為每年的10月22號至次年的4月9號.供暖室外計算溫度為-18.4 ℃，供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為20 ℃，冬季河水溫度為6 ℃～8 ℃.通過面積指標(biāo)概算可得小鎮(zhèn)供暖設(shè)計熱負(fù)荷為6.1 MW，進(jìn)而根據(jù)氣象數(shù)據(jù)計算出小鎮(zhèn)供暖季的熱負(fù)荷逐時變化情況如圖3所示.

圖3 小鎮(zhèn)供暖季逐時熱負(fù)荷

為了研究不同河水源熱泵與蓄熱電鍋爐所承擔(dān)熱負(fù)荷配比條件下的能耗與經(jīng)濟(jì)性情況，本文設(shè)置25%熱泵+75%電鍋爐、40%熱泵+60%電鍋爐、55%熱泵+45%電鍋爐、75%熱泵+25電鍋爐、90%熱泵+10%電鍋爐五種工況，對這五種工況進(jìn)行模擬運行，可以得到年耗電量變化如圖4所示.

圖4 不同熱負(fù)荷配比方案的耗電量

從圖4中可以看出，從1月1號(第0天)開始，系統(tǒng)的耗電量以近似正比例關(guān)系增加，但由于在實際工作中熱泵的制熱量和制熱功率等性能參數(shù)隨著進(jìn)出口溫度和流量的變化而變化，循環(huán)水泵也會存在熱損失，蓄熱電鍋爐則存在蓄熱和放熱的過程，所以曲線的斜率也會隨著時間而變化.從1月1日到4月9日(第99天)，隨著氣溫的升高，熱負(fù)荷逐漸降低，熱泵性能系數(shù)下降，耗電量增長變慢，斜率略有降低；從4月9日到10月22日(第295天)期間為非供暖期，熱泵和蓄熱電鍋爐停止工作，所以耗電量不變；從10月22日開始，重新開始供暖，由于電鍋爐剛開始需要將水箱的水加熱至設(shè)定溫度，所以剛開始供暖時耗電量較高，等到水箱中的水穩(wěn)定時，耗電量又趨于穩(wěn)定，斜率基本不變.

通過對比圖4中五種不同配比方案的系統(tǒng)耗電量可以得出，熱泵所承擔(dān)的熱負(fù)荷越大，則系統(tǒng)總耗電量越低，這是因為熱泵具有較高的能效比，可達(dá)3～4左右，而蓄熱電鍋爐的熱效率為0.94，是小于1的，所以從節(jié)能方面來看，熱泵具有更明顯的優(yōu)勢.

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

但僅看節(jié)能效果并不能完全評價一個系統(tǒng)的適用性，還需要綜合評價其經(jīng)濟(jì)性，來得到經(jīng)濟(jì)性最好的系統(tǒng)方案.費用年值法兼顧初始投資和運行成本，將所有費用按照一定關(guān)系折算，再累加作為綜合成本的考量.這種方法也考慮了長期性投資的方案，應(yīng)用廣泛.故本系統(tǒng)采用的經(jīng)濟(jì)性分析方法為費用年值法.費用年值是評價項目是否具有經(jīng)濟(jì)性的主要參數(shù).它主要包含項目的初投資、項目年運行費用以及項目年維護(hù)費用.

當(dāng)不考慮通貨膨脹時，系統(tǒng)費用年值計算公式如下[4]

C0=Cr+Cm+PI(C-S)+S×i，

(1)

(2)

公式中：PI為系統(tǒng)的資本收益系數(shù)，%；C為系統(tǒng)的初始投資，元；C0為系統(tǒng)的費用年值，元/年；Cr為系統(tǒng)的的年運行費用，元/年；Cm為系統(tǒng)的年維護(hù)費用，元/年；S為資本投資凈殘值，本文取0元；n為系統(tǒng)預(yù)計壽命，取20年；i為系統(tǒng)的折現(xiàn)率，取16%.

(1)初投資

根據(jù)《城市供熱熱源工程投資估算指標(biāo)》推薦的數(shù)值估算，河水源熱泵的初投資取350元/m2，蓄熱電鍋爐初投資取120元/m2，小鎮(zhèn)取暖面積10萬m2.將不同負(fù)荷配比方案的初投資進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示.

表1 不同配比方案初投資

(2)年運行費用

河水源熱泵與蓄熱電鍋爐復(fù)合供暖系統(tǒng)的運行費用為電費，對于熱泵，運行時每天任何時刻都開啟，對于蓄熱電鍋爐，由于每日電價各個時間段不同，為了達(dá)到消納低谷電的作用，運行時每天開啟加熱時間跟隨電價變化.設(shè)計蓄熱電鍋爐的功率為12 MW，在谷電期電鍋爐滿功率運行，平電期降低一半運行，峰電期停止運行，則電價和電鍋爐運行策略如圖5所示.

圖5 分時電價和電鍋爐運行策略

可根據(jù)蓄熱電鍋爐運行策略計算得蓄熱電鍋爐日平均電價為0.34元/度.對于河水源熱泵，一天內(nèi)24小時運行，可以算得河水源熱泵的日平均電價為0.52元/度.由此根據(jù)各自的耗電量計算出熱泵和電鍋爐年運行費用如表2所示.

表2 不同配比方案年運行費用

(3)年維護(hù)費用

為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行，定期需要對各個設(shè)備進(jìn)行維修、保養(yǎng).年維護(hù)費用與初投資有關(guān)，通常為初投資乘以一定的計取系數(shù)，本文取0.02.

在已知了初投資、年運行費用和年維護(hù)費用后，便可利用公式(1)計算出各個方案的費用年值，不同配比方案的經(jīng)濟(jì)性比較如圖6所示.

圖6 不同熱負(fù)荷配比方案的經(jīng)濟(jì)性比較

從圖6中可以看出，隨著熱泵所承擔(dān)熱負(fù)荷配比的增加，初投資逐漸增加，而年運行費用逐漸下降，這是因為相比蓄熱電鍋爐來說，熱泵具有較高的造價，但卻具有較高的能效比，恰好體現(xiàn)了熱泵的節(jié)能性.不同方案的費用年值相差在幾十萬左右，是綜合考量初投資和運行費用的結(jié)果.熱泵承擔(dān)熱負(fù)荷為25%時費用年值較低是因為初投資較低，初投資的影響大于運行費用，熱泵承擔(dān)熱負(fù)荷為90%時費用年值較低是因為年運行費用較低，運行費用的影響大于初投資，而當(dāng)熱泵承擔(dān)熱負(fù)荷為55%時費用年值較低是因為兼顧了初投資與年運行費用的影響.將其綜合比較而言，可以看出當(dāng)熱泵承擔(dān)熱負(fù)荷配比為55%時，系統(tǒng)費用年值最低，為954.12萬元，也就是說以55%+45%熱負(fù)荷配比方案運行，經(jīng)濟(jì)性最好.

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了河水源熱泵-蓄熱電鍋爐復(fù)合供暖系統(tǒng)，采用蓄熱電鍋爐作為調(diào)峰熱源，針對五種不同熱負(fù)荷配比的工況，利用TRNSYS軟件進(jìn)行能耗模擬，采用費用年值法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析.可以得出隨著熱泵所承擔(dān)熱負(fù)荷配比的增加，系統(tǒng)耗電量逐漸減小，年運行費用逐漸降低，但系統(tǒng)總初投資和年維護(hù)費用增加，利用費用年值法綜合考量不同配比方案的初投資、年運行費用和年維護(hù)費用，可以得出熱泵承擔(dān)55%熱負(fù)荷、電鍋爐承擔(dān)45%熱負(fù)荷的配比方案費用年值最低，也就是經(jīng)濟(jì)性最好.這可以為實際工程中熱泵與蓄熱電鍋爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)提供參考.