基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置研究

盧海勇 董彥軍 李 津 張正文 祝金會

1.上海電力設計院有限公司

2.國網河北省電力有限公司

3.國網河北省電力有限公司雄安新區供電公司

0 引言

隨著人們對生活品質要求的提高，空調冷熱負荷需求增大，空調的能耗也顯得越來越突出，我國空調系統的能耗占總建筑能耗已超過30%[1]。21世紀地源熱泵被稱為一項最具發展前途的節能型供能技術[2]，同時地源熱泵以地熱為資源，具有綠色環保、污染小的特點。目前，地源熱泵系統因投資大、占地面積大，供能建筑負荷波動大且供能時間短，導致地源熱泵系統大部分時間處于閑置狀態，經濟性不理想，阻礙其推廣應用。而蓄冷蓄熱系統具有轉移高峰冷熱負荷、平衡峰谷差的功能[3]，與地源熱泵系統進行合理耦合，可有效減少地源熱泵系統的規模，充分利用電網低谷電，提升項目的經濟性，同時輔以部分低投資天然氣鍋爐作為調峰，可進一步提高項目的經濟性。因此，為了進一步推廣地源熱泵的應用，開展地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置研究非常有必要。本文以典型的民用地源熱泵項目為例，闡述系統優化計算方法。基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統流程見圖1。

圖1 地源熱泵的多能利用方式耦合系統流程圖

1 優化配置流程

基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置研究主要根據冷熱負荷需求和能源價格優化確定以下幾個方面的內容：（1）地源熱泵容量的選擇；（2）蓄能裝置的優化組合；（3）調峰系統的類型及容量；（4）結合能源價格和負荷需求的運行策略。由于地源熱泵的多能利用方式耦合系統涉及冷熱多種能源輸出的耦合，以及多種能源利用方式的耦合，設備種類多。因此，地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置需要根據冷熱負荷需求和能源價格體系，針對可能的系統配置方式和運行模式進行模擬分析計算。基于優化目標，分析比較得出最佳的系統配置與運行模式。地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置流程見圖2。

圖2 基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置流程圖

2 優化配置模型

根據圖1地源熱泵的多能利用方式耦合系統流程圖，對冷、熱進行能量平衡分析，建立能量平衡模型和優化目標。

1）冷平衡：地源熱泵供冷功率、冷水機組供冷功率和蓄能裝置放冷功率之和去除蓄能裝置蓄冷功率等于用戶冷負荷需求功率；同時每天蓄能裝置放冷量和每天熱泵、冷水機組直接供冷量的總和應與用戶每天冷負荷需求量平衡；此外，夜間蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡。

2）熱平衡：地源熱泵供熱功率、天然氣鍋爐供熱功率和蓄能裝置放熱功率之和去除蓄能裝置蓄熱功率等于用戶熱負荷需求功率；同時，每天蓄能裝置放熱量、每天熱泵直接供熱量和每天天然氣鍋爐供熱量應與用戶每天熱負荷需求量平衡；此外，夜間蓄熱量和白天放熱量基本保持平衡。

3）天然氣平衡：年天然氣的總耗量等于年天然氣鍋爐耗量。

4）電平衡：年電力的總耗量等于冷水機組、熱泵以及輔助系統在不同時段的耗電量之和。

5）優化目標：本文以度熱（冷）成本最低為優化目標，采用動態成本計算方法[4]計算度熱（冷）成本，在供能的整個壽命期內把供能過程中發生的全部費用在整個壽命期內進行平均分攤，計算公式如下：

其中：

C——度熱（冷）成本，元/kWh

N——年供熱（冷）量，kWh

M——年維護費用，元

O——年運營費用，元；根據年天然氣和電消耗總量進行計算。

I——項目初始投資，元

n——壽命期，年

m——貼現率

CRF——將初始投資折為等年值的系數因子。

地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置時，首先基于分析的冷熱負荷，初步確定幾種可能的配置方案；其次建立能量平衡模型，然后結合初步配置方案和運行方式分析固定投資和運行成本，最后以度熱（冷）成本最低對不同配置方案進行比較評價選擇最優配置方案。

3 工程案例

3.1 案例概況

以上海某100 000 m2商務辦公樓為例，針對商務辦公樓的冷熱電能源需求，為其量身打造基于地源熱泵的多能利用方式耦合系統的供能方式，典型日負荷曲線見圖3和圖4。

圖3 典型日逐時熱負荷曲線

圖4 典型日逐時冷負荷曲線

根據典型日負荷分析，最大冷負荷為8.5MW，最大熱負荷為6MW。

3.2 地源熱泵與蓄能耦合分析

根據3.1節冷熱負狀況分析，結合冷熱平衡，地源熱泵與蓄能耦合系統初步擬選五個配置方案，見表1。

對不同配置方案的冷熱綜合供能成本分析，不同方案的供能成本見圖5。方案1沒有配置蓄能裝置，綜合供能成本0.535元/kWh；方案5按全蓄供熱和部分蓄供冷，綜合供能成本0.47元/kWh；方案2、方案3和方案4的典型日熱泵蓄熱供熱占比分別為30%、40%和50%，相應的綜合供能成本分別為0.365元/kWh、0.354元/kWh和0.359元/kWh。由圖5可見，配置有蓄能的供能系統，供能成本均有所降低，可降低34%的供能成本，方案3綜合供能成本最低，僅為0.354元/kWh，典型日熱泵蓄熱供熱占比40%，由于方案3地源熱泵晚上全部開啟蓄熱，高投資地源熱泵配置最小且得到充分利用。因此，對于上海地區商務辦公樓，典型日熱泵蓄熱供熱占比40%左右時，地源熱泵與蓄能耦合系統供能成本相對最低，為0.354元/kWh，同時占地面積僅為不配置蓄能的35%。

圖5 不同方案的供能成本

3.3 地源熱泵與蓄能和天然氣耦合分析

根據3.1節冷熱負荷，結合冷熱平衡，地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統初步擬選四個配置方案，見表2。

對不同配置方案的冷熱綜合供能成本分析，不同方案的供能成本見圖6和圖7。由圖6可見，配置適當規模的天然氣鍋爐調峰系統，可進一步降低供能成本，當典型日天然氣鍋爐供熱占比20%時，供能成本由0.354元/kWh下降為0.353元/kWh，由于低投資的天然氣鍋爐替代部分高投資低利用的地源熱泵系統，減少了供能成本；當天然氣鍋爐供熱比例進一步提高時，則供能成本會增加，因天然氣鍋爐供熱比例的增加減少了熱泵蓄熱供熱的比例，熱泵蓄熱供熱的低運行成本優勢未得到充分發揮。因此，對于上海地區商務辦公樓，典型日天然氣鍋爐供熱占比20%左右和熱泵蓄熱供熱占比33%左右時，地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統供能成本相對最低，僅為0.353元/kWh，同時占地面積僅為全部地源熱泵的27.5%。

表1 地源熱泵與蓄能耦合系統配置方案

表2 地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統配置方案

圖6 不同熱泵蓄熱供熱占比供能成本

圖7 不同天然氣鍋爐供熱占比供能成本

4 結論

1）提出了地源熱泵的多能利用方式耦合系統的優化配置流程，建立了基于能量平衡的優化配置模型。

2）提出的地源熱泵的多能利用方式耦合系統優化配置研究方法，對后續的工程實踐中地源熱泵的推廣應用具有一定的指導意義。

3）對于上海地區商務辦公樓，典型日熱泵蓄熱供熱占比40%左右時，地源熱泵與蓄能耦合系統供能成本相對最低，僅0.354元/kWh，同時占地面積僅為不配置蓄能的35%。

4）對于上海地區商務辦公樓，典型日天然氣鍋爐供熱占比20%和熱泵蓄熱供熱占比33%時，地源熱泵與蓄能和天然氣耦合系統供能成本相對最低，為0.353元/kWh，同時占地面積僅為全部地源熱泵的27.5%。