分布式蓄熱器在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用及容量?jī)?yōu)化

朱應(yīng)杰 王海超 Esa Teppo Katja Granlund 余 力

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院 大連 116024；2.芬蘭Planora 公司 奧盧 90401）

0 前言

目前集中供熱系統(tǒng)是我國(guó)城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)的首選形式。但隨著供暖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供熱系統(tǒng)大延遲、強(qiáng)耦合、熱惰性越來越嚴(yán)重，水力和熱力失調(diào)問題頻發(fā)，導(dǎo)致熱網(wǎng)供給側(cè)與需求側(cè)熱負(fù)荷失調(diào)，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱[1]。為了解決熱能供需不匹配問題，蓄熱技術(shù)受到了關(guān)注。目前，大部分研究關(guān)注設(shè)置在熱源處的集中蓄熱系統(tǒng)，但供需不平衡的主要矛盾往往集中在用戶一側(cè)。而且隨著熱網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，集中蓄熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時(shí)滯效應(yīng)大、靈活性差的缺點(diǎn)也更加明顯。集中式蓄熱雖可起到“削峰填谷”的作用，但依然存在很大的輸送延遲，在解決水力失調(diào)和熱力失調(diào)方面效果并不明顯。而以熱力站為單位的分布式蓄熱系統(tǒng)距離熱用戶更近、靈活性更強(qiáng)，因此在熱力站設(shè)置分布式蓄熱罐對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果更加明顯[2]。

分布式蓄熱罐應(yīng)用在供熱系統(tǒng)中，首先應(yīng)該考慮與熱網(wǎng)合適的連接方式以及確定分布式蓄熱罐的運(yùn)行策略。其次蓄熱罐的容量大小也影響分布式蓄熱系統(tǒng)的能力，若罐體容量過大，會(huì)造成利用率不高，投資浪費(fèi)；而罐體容量過小，則會(huì)造成富裕的供熱能力沒有空間存儲(chǔ)，無法有效提高熱源調(diào)峰能力。因此，對(duì)分布式蓄熱罐容量進(jìn)行優(yōu)化以及確定分布式蓄熱罐與熱網(wǎng)合適的連接及運(yùn)行策略顯得尤為重要。本文首先對(duì)分布式蓄熱罐與供熱管網(wǎng)的合理連接方式及其運(yùn)行策略進(jìn)行了分析，其次提出了一種分布式蓄熱罐最大容量的計(jì)算方法，并基于TRNSYS對(duì)分布式蓄熱罐容量進(jìn)行了優(yōu)化。

1 分布式蓄熱罐與熱網(wǎng)的連接及運(yùn)行策略

1.1 分布式蓄熱罐與熱網(wǎng)的連接方式

當(dāng)前國(guó)內(nèi)多采用常壓式蓄熱罐，采用從一級(jí)管網(wǎng)蓄熱向二級(jí)管網(wǎng)放熱的方式，這樣蓄熱罐冷熱水溫差較大，儲(chǔ)存相同熱量時(shí)所需蓄熱罐的有效體積較小，可以減小占地面積和降低初投資[3]。蓄熱罐與一次網(wǎng)的連接方式分為直接連接與間接連接[4]。

蓄熱罐與供熱管網(wǎng)直接連接時(shí)，不設(shè)置換熱器，對(duì)供水溫度的需求小。蓄熱罐與供熱管網(wǎng)直接連接可以節(jié)省換熱器的設(shè)置，節(jié)約初投資。蓄熱罐與供熱管網(wǎng)間接連接時(shí)，設(shè)置換熱器，會(huì)避免蓄熱罐對(duì)一次網(wǎng)的水力工況產(chǎn)生影響。但是蓄熱罐與供熱管網(wǎng)間接連接需要增設(shè)換熱器初投資會(huì)增加，且供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的管理維護(hù)較為復(fù)雜。

需要注意的是，蓄熱罐與一次供熱管網(wǎng)的間接連接方式是按照高溫水系統(tǒng)（供水溫度大于100℃）進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)于低溫水系統(tǒng)，應(yīng)采用蓄熱罐與一次網(wǎng)直接連接的方式，而在實(shí)際工程應(yīng)用中供水溫度也很難達(dá)到100℃。因此分布式蓄熱罐與一次供熱管網(wǎng)的連接方式應(yīng)采用直接連接，同時(shí)避免蓄熱罐對(duì)二次網(wǎng)的水力工況產(chǎn)生較大影響應(yīng)采用間接連接的方式。

1.2 分布式蓄熱罐在供熱系統(tǒng)中的運(yùn)行策略

在一個(gè)24 小時(shí)的蓄放熱周期內(nèi)，根據(jù)用戶負(fù)荷情況確定基礎(chǔ)熱源供給恒定的熱量。在負(fù)荷低谷時(shí)，基礎(chǔ)熱源供給的多余的熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱罐中，在負(fù)荷高峰時(shí)，即負(fù)荷超過基礎(chǔ)熱源供給的熱量時(shí)，首先由蓄熱罐進(jìn)行放熱，當(dāng)蓄熱罐的放熱量仍不滿足負(fù)荷要求時(shí)，再?gòu)囊淮喂峁芫W(wǎng)供給不足的熱量。具體運(yùn)行流程如下：

當(dāng)基礎(chǔ)熱源供給的熱量Qp大于用戶負(fù)荷Qt時(shí)，蓄熱罐蓄熱，開啟循環(huán)水泵B，此時(shí)水泵A 處于關(guān)閉狀態(tài)。熱網(wǎng)供水進(jìn)入罐體。罐體底部的冷水經(jīng)循環(huán)泵B 輸出罐體，進(jìn)入熱網(wǎng)回水管道，如圖1所示。

圖1 蓄熱罐蓄熱模式Fig.1 Heat storage mode of heat storage tank

當(dāng)基礎(chǔ)熱源供給的熱量Qp小于用戶負(fù)荷Qt時(shí)，蓄熱罐放熱，關(guān)閉電動(dòng)循環(huán)水泵B，開啟循環(huán)水泵A。熱水經(jīng)循環(huán)泵A 輸出罐體，當(dāng)蓄熱罐的放熱量仍不滿足負(fù)荷要求時(shí)，再?gòu)囊淮喂峁芫W(wǎng)供給不足的熱量，如圖2 所示。

圖2 蓄熱罐放熱模式Fig.2 Heat release mode of heat storage tank

2 分布式蓄熱罐最大容量的計(jì)算

確定某個(gè)供暖季下的蓄熱罐容量需要根據(jù)供暖季的每一天的逐時(shí)熱負(fù)荷變化和基礎(chǔ)熱源供熱量，計(jì)算每一天的蓄熱罐容量。供暖季的蓄熱罐最大容量為供暖季中每一天計(jì)算蓄熱罐容量的最大值。在一個(gè)24 小時(shí)的蓄放熱周期內(nèi)，基礎(chǔ)熱源供熱量可由用戶熱負(fù)荷在這24 小時(shí)內(nèi)的平均值來確定。經(jīng)計(jì)算這樣確定的基礎(chǔ)熱源供熱量可基本實(shí)現(xiàn)在一個(gè)24 小時(shí)的蓄放熱周期內(nèi)達(dá)到蓄放熱平衡。當(dāng)蓄熱罐的放熱量仍不滿足用戶負(fù)荷要求時(shí)，可再?gòu)囊淮喂峁芫W(wǎng)供給不足的熱量。則蓄熱罐在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的蓄、放熱量為：

蓄熱罐的蓄熱量應(yīng)是該函數(shù)的最大值與最小值之差，即： Qχ= Qmax- Qmin。

集中供熱系統(tǒng)中蓄熱罐一般采用常壓熱水蓄熱罐，熱水溫度按90℃、冷水按60℃考慮[5]，則蓄熱罐有效體積為：

式中：Qx為蓄熱罐蓄熱量，J；V 為熱罐有效體積，m3；?為蓄熱罐有效體積參數(shù)，取0.9；ρ為蓄熱罐內(nèi)水的密度，kg/m3；C 為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；T1、T2為蓄熱罐熱水、冷水溫度，℃。

下面以某實(shí)際換熱站為例，計(jì)算分布式蓄熱罐最大容量。

濟(jì)南市某換熱站的供熱面積為106950.13m2，其負(fù)荷類型主要為居住建筑熱負(fù)荷。利用DeST 軟件對(duì)該換熱站承擔(dān)的所有建筑的熱負(fù)荷進(jìn)行模擬，從而獲得該換熱站整個(gè)供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。以模擬熱負(fù)荷為基礎(chǔ)，對(duì)分布式蓄熱罐容量進(jìn)行計(jì)算。

分布式蓄熱罐為短期蓄熱，蓄放熱周期為24小時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)，蓄熱罐須完成一個(gè)完整的蓄放熱過程，在每個(gè)蓄放熱周期結(jié)束時(shí)，須保證蓄熱罐內(nèi)的蓄熱量接近于零，即下個(gè)蓄放熱周期開始時(shí)蓄熱罐內(nèi)沒有多余的熱量。根據(jù)計(jì)算居住建筑分布式蓄熱罐的蓄放熱周期為當(dāng)日11:00 至次日10:00。基礎(chǔ)熱源供熱量可由用戶熱負(fù)荷在這24 小時(shí)蓄放熱周期內(nèi)的平均值來確定，這樣可以基本保證蓄熱罐在每個(gè)蓄放熱周期結(jié)束時(shí)達(dá)到蓄放熱平衡。

分布式蓄熱罐的最大容量為以供暖季所有日期計(jì)算所得的容量的最大值。以供暖中期的某一天為例計(jì)算蓄熱罐容量，對(duì)蓄熱罐的基礎(chǔ)熱源、逐時(shí)蓄熱量、放熱量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 供熱系統(tǒng)在計(jì)算日的負(fù)荷分布情況Fig.3 The load distribution of the heating system on the calculation day

如圖3 所示，可以看出蓄熱罐在11 時(shí)至22 時(shí)，處于蓄熱狀態(tài)，總蓄熱量為5574.77kWh；23 時(shí)至次日10 時(shí)，蓄熱罐處于放熱狀態(tài)，放熱量5574.77kWh。因此，該計(jì)算日的蓄熱量為5574.77kWh。

以此類推，分別計(jì)算出供暖期每一天的蓄熱量，即獲得121 個(gè)數(shù)據(jù)。而蓄熱罐的最大蓄熱容量即為逐天計(jì)算的蓄熱量的最大值。通過計(jì)算可得知，該換熱站整個(gè)供暖季最大蓄熱能力為6573.12kWh，根據(jù)公式（2）可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)蓄熱罐體積約為208.7m3。

3 基礎(chǔ)熱源供熱量確定方式對(duì)比

3.1 平均值法

平均值法確定基礎(chǔ)熱源供熱量指的是將整個(gè)供暖季模擬得到的每一天逐時(shí)熱負(fù)荷相加再除以供暖天數(shù)（本文的實(shí)例位于濟(jì)南，因此是121 天）所求得的數(shù)作為整個(gè)供暖季每日每時(shí)刻的基礎(chǔ)熱源供熱量[6]。采用平均值法對(duì)基礎(chǔ)熱源供熱量進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)供暖季熱源供熱量不需要變化，僅有一個(gè)值。但是會(huì)造成熱量被大量浪費(fèi)以及嚴(yán)重不足的情況。

如圖4 所示正值表示基礎(chǔ)熱源供熱量按平均值法計(jì)算一個(gè)蓄放熱周期完成后剩余的熱量，負(fù)值則表示基礎(chǔ)熱源供熱量按平均值法計(jì)算一個(gè)蓄放熱周期完成后不足的熱量。從圖中可以看出采用平均值法計(jì)算基礎(chǔ)熱源供熱量，在供暖初期、末期甚至中期都會(huì)有大量的熱量在蓄熱罐在24 小時(shí)內(nèi)放熱完成后被剩余，儲(chǔ)存剩余的熱量需要建造更大體積的蓄熱罐會(huì)增加建設(shè)成本，而且長(zhǎng)期剩余的熱量會(huì)造成熱量損失無法被利用使蓄熱罐的優(yōu)勢(shì)無法發(fā)揮出來；而在供暖中期會(huì)出現(xiàn)僅靠蓄熱罐儲(chǔ)存的熱量和基礎(chǔ)熱源供熱量無法滿足用戶的用熱需求，缺乏大量的熱量，需由基礎(chǔ)熱源再次供給熱量或者增加調(diào)峰鍋爐等手段，增加了燃料成本和建設(shè)初投資，蓄熱罐調(diào)峰的靈活性也喪失掉了。

圖4 基礎(chǔ)熱源供熱量按平均值法計(jì)算一個(gè)蓄放熱周期完成后剩余或不足的熱量Fig.4 The heat supplied by the basic heat source is calculated by the average method to calculate the remaining or insufficient heat after a heat storage and release cycle is completed

3.2 特征日法

供暖季每個(gè)月對(duì)應(yīng)一個(gè)特征日，特征日的逐時(shí)熱負(fù)荷等于對(duì)應(yīng)時(shí)刻下該月每一天逐時(shí)熱負(fù)荷的平均值。每個(gè)月的熱負(fù)荷需求僅用特征日一天的熱負(fù)荷需求來表示[7]，即計(jì)算蓄熱罐容量時(shí)每月只對(duì)特征日進(jìn)行計(jì)算。特征日不是該月中具體的某一天，而是一個(gè)虛擬日。當(dāng)蓄熱罐采用短期蓄熱，即以24 小時(shí)為周期進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用特征日法計(jì)算蓄熱罐最大容量只需要對(duì)每個(gè)月份進(jìn)行一次計(jì)算，采用特征日法對(duì)整個(gè)供暖季的計(jì)算，可以大大減少計(jì)算量。但是采用特征日法會(huì)造成該月某日熱用戶的熱負(fù)荷在24 小時(shí)內(nèi)大部分時(shí)間都大于特征日求出的基礎(chǔ)熱源供熱量，蓄熱罐無法發(fā)揮作用且會(huì)增加燃料成本；而且也會(huì)造成該月某日熱用戶的熱負(fù)荷在24 小時(shí)內(nèi)大部分時(shí)間都小于特征日求出的基礎(chǔ)熱源供熱量，蓄熱罐無法儲(chǔ)存多余熱量，造成能源浪費(fèi)，也不能靈活發(fā)揮蓄熱罐的調(diào)節(jié)作用。

如圖5 所示，圖中的一條直線表示的是1月份按照特征日法計(jì)算得到的基礎(chǔ)熱源供熱量，實(shí)線表示的是1月份某日的逐時(shí)熱負(fù)荷，從圖中可以看出該日熱用戶的熱負(fù)荷在24 小時(shí)內(nèi)大部分時(shí)間都大于利用特征日法求出的基礎(chǔ)熱源供熱量，蓄熱罐蓄的熱量很少，僅靠蓄熱罐儲(chǔ)存的熱量和基礎(chǔ)熱源供熱量無法滿足用戶的用熱需求，缺乏大量的熱量，需由基礎(chǔ)熱源再次供給熱量或者增加調(diào)峰鍋爐等手段，增加了燃料成本和建設(shè)初投資，蓄熱罐無法發(fā)揮作用；而虛線表示的熱用戶的逐時(shí)熱負(fù)荷在24 小時(shí)內(nèi)大部分時(shí)間都小于用特征日法求出的基礎(chǔ)熱源供熱量，蓄熱罐需儲(chǔ)存的熱量過多，儲(chǔ)存剩余的熱量需要建造更大體積的蓄熱罐會(huì)增加建設(shè)成本，而且會(huì)造成能源浪費(fèi)。

圖5 基礎(chǔ)熱源供熱量按特征日法計(jì)算1月份特征日及某兩日的情況Fig.5 The basic heat source heat supply is calculated according to the characteristic day method in January on the characteristic day and the situation of a certain two days

本研究的基礎(chǔ)熱源供熱量確定方法為：以一個(gè)24 小時(shí)蓄放熱周期內(nèi)的用戶熱負(fù)荷的平均值作為基礎(chǔ)熱源供熱量。采用此種方法在一個(gè)24 小時(shí)周期蓄放熱內(nèi)，蓄熱罐的蓄熱量及放熱量基本一致，在每個(gè)蓄放熱周期結(jié)束時(shí)，可以保證蓄熱罐內(nèi)的熱量接近于零，即下個(gè)蓄放熱周期開始時(shí)蓄熱罐內(nèi)沒有多余的熱量。既可以降低建設(shè)處投資，又可以節(jié)約能源，而且可以充分發(fā)揮蓄熱罐靈活調(diào)峰的作用。

4 分布式蓄熱罐容量的優(yōu)化

最大蓄熱罐容量能保證系統(tǒng)的蓄熱潛力得到最大程度發(fā)揮，但計(jì)算結(jié)果顯示，該蓄熱能力僅出現(xiàn)在整個(gè)供暖季的短時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)頻率極低。因此當(dāng)考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，該蓄熱罐對(duì)應(yīng)最大蓄熱容量并非最佳[8]。因此，本文利用TRNSYS 對(duì)分布式蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行建模，優(yōu)化蓄熱罐的容量。

建模采用的是蓄熱罐與一次供熱管網(wǎng)的直接連接方式。將利用DeST 計(jì)算出的逐時(shí)熱負(fù)荷讀入模型中即模擬圖中的建筑負(fù)荷，模擬圖中的一次管網(wǎng)供給熱量處的數(shù)據(jù)則為一個(gè)24 小時(shí)蓄放熱周期內(nèi)的用戶熱負(fù)荷的平均值，循環(huán)泵控制器模塊可根據(jù)前文提到的控制策略即基礎(chǔ)熱源和建筑負(fù)荷的大小關(guān)系設(shè)置循環(huán)泵的啟?？刂菩顭崴湫罘艧?，當(dāng)一次管網(wǎng)供給熱量及蓄熱罐的放熱量不滿足用戶用熱需求時(shí)，可再由補(bǔ)充熱源控制模塊控制一次管網(wǎng)補(bǔ)充熱量供給不足的熱量。變量計(jì)算器中儲(chǔ)存蓄熱水箱的體積變化范圍為1-250m3及一次供熱管網(wǎng)補(bǔ)充熱量，將費(fèi)用年值法的計(jì)算公式輸入優(yōu)化函數(shù)計(jì)算器中，最終可輸出蓄熱罐體積對(duì)應(yīng)的增加的燃料熱量及費(fèi)用年值，可通過優(yōu)化分析得到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的蓄熱罐體積，分布式蓄熱系統(tǒng)仿真模擬如圖6 所示。

圖6 分布式蓄熱系統(tǒng)仿真模擬圖Fig.6 Simulation diagram of distributed heat storage system

當(dāng)蓄熱罐的容量被優(yōu)化時(shí)，雖然蓄熱罐的建設(shè)成本被減少了，但蓄熱罐儲(chǔ)存的熱量會(huì)出現(xiàn)不滿足用戶用熱需求的情況，需要從一次供熱管網(wǎng)再次供給不足的熱量，會(huì)增加燃料成本。因此蓄熱罐的最優(yōu)容量為此容量下蓄熱罐的建設(shè)成本和增加的燃料成本的最小值?？稍赥RNSYS 模型中利用動(dòng)態(tài)計(jì)算費(fèi)用年值法作為優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。確定滿足用戶用熱需求的最優(yōu)的蓄熱罐容量和一次供熱管網(wǎng)補(bǔ)充熱量，費(fèi)用年值法的計(jì)算公式為：

式中，Z 為費(fèi)用年值，元；C 為蓄熱罐建設(shè)成本和增加的燃料成本，元；r 為折現(xiàn)率，取0.05；n為壽命年限，取10。

式中，v 為蓄熱罐體積，m3（變化范圍為1-250m3）；Qb為增加的燃料熱量；?為燃料熱損失，取0.9。

相關(guān)經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)為：燃料成本Ar為煤價(jià)0.65元/kg；蓄熱器單位體積成本At為1250 元/m3。

本文在TRNSYS 模型中利用動(dòng)態(tài)計(jì)算費(fèi)用年值法作為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化蓄熱罐容量，計(jì)算出費(fèi)用年值隨蓄熱罐體積的變化曲線如圖7 所示，從表1 中可以得到不同蓄熱罐體積對(duì)應(yīng)的費(fèi)用年值以及增加的燃料熱量。

圖7 費(fèi)用年值曲線Fig.7 Annual cost curve

表1 不同蓄熱器體積經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 1 Comparison of the economic efficiency of different heat accumulators

由圖7 可以得出，隨著蓄熱罐體積增大，費(fèi)用年值呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，存在最小值。結(jié)合表1 可以看出，在蓄熱罐體積為173m3時(shí)，系統(tǒng)費(fèi)用年值最低，為23.17 萬元，此時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。

5 結(jié)論

本文確定分布式蓄熱器與供熱管網(wǎng)的合理連接方式及其運(yùn)行策略，以某實(shí)際換熱站整個(gè)供暖季的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了一種分布式蓄熱罐最大容量的計(jì)算方法。根據(jù)濟(jì)南市某供熱站分布式蓄熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，計(jì)算得到該系統(tǒng)蓄熱罐的最大蓄熱容量為208.7m3；本文以費(fèi)用年值為目標(biāo)函數(shù)，通過TRNSYS 模擬優(yōu)化分析得出，在本供熱站中，蓄熱罐最優(yōu)體積為173m3，此時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好，費(fèi)用年值為23.17 萬元。