某典型區域能源站系統的設計與運行分析

王昌++李尤然++劉麗珍

摘 要：該文分析了天津生態城2號能源站的設計及運行情況。三年以來地源熱泵系統的冬季供熱比例不高，都在50%以下。地源熱泵雙機組蓄能工況下的1#和2#地源熱泵機組的平均COP值大致處于2.3～3.5之間，均低于額定COP值。但1#地源熱泵機組從2014年2月26日到2014年3月21日期間平均COP值均大于額定COP值3.5，且在4.0～4.5之間變化；2#地源熱泵機組從2014年3月11日開始到2014年3月21日期間均大于額定COP值，在3.8～4.3之間變化。機組冬季供水溫度低有利于COP值的提高。生態城2號能源站的運行使用可以為今后的區域能源站起到指導性的作用。

關鍵詞：生態城 區域能源 地源熱泵 COP

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0001-04

傳統以大型煤電廠和大電網長距離輸送電能的供應模式由于與二次能源供熱、供冷等設備設施分地分設，不僅總投資運行成本居高不下，而且遠距離輸送能量損耗大、能源利用效率低（約40%左右）、環境污染嚴重。20世紀70年代發源于美國，目前已經在發達國家普遍運用的分布式冷熱電三聯供能源系統，它以天然氣為主要的一次能源，能源站規模由區域負荷需求確定，可以建在城市負荷中心，實現冷熱電三聯供，使一次能源發電后產生的余熱煙氣得到了高效的梯度循環利用，能源利用率高（達80%以上），碳排放僅為傳統能源利用方式的1/4[1]。

該文以生態城動漫園2號能源站為例（該文討論的為供熱季）來具體分析區域能源系統的運行狀況。

1 能源站系統及運行策略

1.1 能源站系統組成

該能源站主要由一套冷熱電三聯供機組、二臺地源熱泵機組、二臺電制冷水冷機組、四個蓄能罐、換熱機組、循環水泵及管道閥門等部分組成。圖1所示為該能源站系統示意圖。

1.1.1 燃氣發電機組

本系統設計一臺常載負荷為1 480 kW的燃氣內燃機發電機組，發電電壓等級400 V，通過變電所升壓變壓器升壓為10 kV，與市網并網運行，當需要孤島運行時，為能源站的水泵、照明供電，同時發電機組為煙氣余熱溴冷機提供387 ℃的高溫煙氣，煙氣量7 922 kg/h，提供97/70 ℃的缸套水，缸套水流量：25.9 m3/h。

1.1.2 煙氣熱水型余熱吸收式空調機

本能源站三聯供系統的設計中，采用發電機組與余熱吸收機的直接連接方式。采用一臺Q冷=1 363 kW，Q熱=1 472 kW的機組。

1.1.3 地源熱泵機組

根據天津地區氣候特點及該項目現場條件，本項目采用土壤源熱泵系統提供動漫園二號站全年部分冷熱負荷。包括兩臺機組，一臺機組Q冷=3 550 kW、P冷=669 kW，另一臺機組Q熱=4 100 kW、P熱=1 187 kW。

1.1.4 電制冷水機組

電制冷機組選用兩臺制冷量為4 100 kW的機組作為調峰設備。

1.1.5 蓄能系統

系統選用4個容積為750 m3的蓄冷（熱）水罐.夏季水蓄冷按照4/12 ℃蓄冷溫度設計，總蓄冷能力為24 300 kWh。冬季水蓄熱按照65/50 ℃蓄熱溫度設計，總蓄熱能力為45 700 kWh。

1.2 系統的運行策略

能源站的供熱季運行策略為。

燃氣發電機的發電供應范圍為：煙氣熱水型余熱吸收式空調機及其輔機（水泵、冷卻塔）、1臺地源熱泵機組及2臺地源熱泵的所有輔機（用戶級泵、地源側泵）；能源站內其他用電由市電供應。

低谷期（23：00～7：00）：市電驅動兩臺地源熱泵機組在制熱工況下運行，向蓄能槽進行蓄熱，系統進入蓄熱工況。發電機組、余熱吸收機和電制冷機均處于停機狀態。

高峰期（8：00～11：00、18：00～23：00）：發電機驅動一臺地源熱泵機組制熱，并帶動余熱吸收機和能源站部分輔機；其煙氣余熱通過余熱吸收機制熱，缸套水通過換熱器提供熱量。同時市電驅動蓄冷循環泵，將低谷期蓄存在蓄能槽中的熱量進行釋熱。根據熱負荷變化情況，由市電驅動另一臺地源熱泵機組制熱，以補充熱量不足部分。

平段期（7：00～8：00、11：00～18：00）：由辦公建筑特點，這段時間能源站所負擔熱負荷變化較平穩。系統運行模式同高峰期。

1.3 系統運行方式

根據能源價格政策，優化選擇地源熱泵和直燃機運行，同時可以人工選擇。

根據天氣變化和負荷的實際需要，選擇主機設備運行臺數，制定主機及其輔機運行時間表，由程序按照事先設定的時間表，自動起停，方便管理、高效運行。

根據負荷情況自動加/減主機設備及輔助設備。

在系統節能控制模式下，根據預測負荷、實時負荷情況、主機設備及其輔機性能，優化選擇主機設備及其輔機臺數，保證系統整體效率最優。

根據負荷情況、室外氣象參數，優化設定空調冷熱水供水量，實現變水量調節，在保證供冷供熱需要的前提下，冷熱源中心整體效率最高，運行費用最省。

根據優化設定的空調冷熱水供水量自動控制水泵的運行頻率，方便管理、高效運行。

根據優化設定的地埋管循環水量自動控制水泵的運行頻率，方便管理、高效運行。

根據優化設定的冷卻水供水量自動控制冷卻水泵的運行頻率，方便管理、高效運行。

根據優化設定的冷卻水溫度自動控制冷卻塔風機頻率，方便管理、高效運行。

2 實際運行分析與討論

2.1 系統機組實際開啟運行工況

目前2號能源站已經有部分用戶使用，但因為使用率較低以及其他限制原因，冷熱電三聯供系統并未投入運行。2013—2014年冬季能源站投入運行的設備包括2臺地源熱泵機組、4臺蓄能罐、2臺板式換熱器。

2013—2014的供熱期為2013年11月10日至2014年3月21日，共計132 d。2013年冬季，2#能源站是為動漫園主樓01、02-01、02-02、02-03共4座辦公樓供暖，各樓建筑面積及設計負荷詳見表1。

2.2 冬季地源熱泵運行情況供能分析

2013—2014年冬季采暖投入運行的供暖設備包括2臺地源熱泵機組、4臺蓄能罐、2套板式換熱器和市政供暖。經統計，此次采暖季能源站總供熱量為32 363 GJ。兩臺地源熱泵機組共運行了1 093.7 h，總產熱量為12 548.9 GJ，占總供熱量的39%；市政供熱量為19 791.1 GJ，占總供熱量的61%。

2.3 空調側運行分析

能源站共有兩臺地源熱泵機組，型號為YORK_CYKKQKRH9H05CWCSG，基本參數如表2所示。

由表2計算可知，地源熱泵機組冬季直供工況額定COP為4.1，蓄能工況額定COP為3.5。

采用COP平均值評價地源熱泵的能效，計算公式為COP平均=制熱量/耗電量。制熱量為運行時段累計熱量，耗電量為運行時段累計耗電量。其熱量由溫差和流量計算得到，其數值取地源熱泵開啟到停止的中間一段穩定運行時的數據，耗電量為電表的累積電量。

在整個采暖季中，1#地源熱泵直供時間共7.2 h，蓄能時間共544 h，總運行時間為551.2 h。2#地源熱泵直供時間共5.3 h，蓄能時間共540.7 h，總運行時間為546 h。兩臺機組基本處于蓄能狀態，共有118次蓄熱運行。1#、2#同時蓄能時平均COP隨時間變化以及累計熱量和耗電量隨時間變化趨勢分別如圖3、4所示，平均供水溫度和平均COP隨時間變化如圖5所示。

雙機組蓄能工況下共蓄能12 395.7 GJ，占總供熱量的38%。由圖3可知，地源熱泵雙機組蓄能工況下的1#和2#地源熱泵機組的平均COP值大致處于2.3～3.5之間，均低于額定COP值。但1#地源熱泵機組從2014年2月26日到2014年3月21日期間平均COP值均大于額定COP值3.5，且在4.0～4.5之間變化；2#地源熱泵機組從2014年3月11日開始到2014年3月21日期間均大于額定COP值，在3.8～4.3之間變化。這其中原因可以從圖5中得到解釋。

由圖5可以看出，用戶側供水溫度從2014年3月12日開始快速下降，從原來的32 ℃下降到27.8 ℃，此時機組平均COP值明顯增大。進一步說明了機組冬季供水溫度低有利于COP值的提高。

3 結語

三年以來地源熱泵系統的冬季供熱比例不高，都在50%以下。由于冬季有其它熱源，如2011—2012年冬季有4臺燃氣鍋爐作為備用熱源，2012—2013年冬季以及2013—2014年冬季有市政熱作為補充熱源，所以在峰谷電價的存在下，應優先采用地源熱泵系統在夜間蓄能，從而可以充分利用地源熱泵系統以及蓄能系統的優勢，進而減少備用熱源的使用率，提高效率。地源熱泵雙機組蓄能工況下的1#和2#地源熱泵機組的平均COP值大致處于2.3～3.5之間，均低于額定COP值。但1#地源熱泵機組從2014-2-26到2014-3-21期間平均COP值均大于額定COP值3.5，且在4.0～4.5之間變化；2#地源熱泵機組從2014年3月11日開始到2014年3月日21日期間均大于額定COP值，在3.8～4.3之間變化。機組冬季供水溫度低有利于COP值的提高。生態城2號能源站的運行使用可以為今后的區域能源站起到指導性的作用。

參考文獻

[1] 黃聰健.區域分布式綜合能源系統視角下的控制性詳細規劃編制研究[D].廣州：華南理工大學，2012.