某科研建筑能源系統優化設計研究

于 博 濤

(大同市重點工程建設服務中心，山西 大同 037003)

1 項目背景

項目主要包括科研中心、學術中心、主試驗樓、控制樓、氣源間、備料間、各類輔助試驗樓和專家公寓、食堂等，共計15個單體建筑。項目原設計能源系統為燃氣鍋爐、空氣源熱泵和多聯機。

2 系統整體架構

本項目供熱(冷)系統方案設計包含鈉硫電池儲能系統、低碳供熱(冷)能源系統和智慧供熱(冷)管理系統三個部分。

3 鈉硫電池儲能系統

設置鈉硫電池儲能系統在供電上可以發揮應急保障作用，增加供電系統的安全性和可靠性。同時移峰填谷，平衡電網峰谷用電量，利用谷電，降低運行費用；同時在同一個項目中，實現電力能源“儲電”和“儲熱”同時應用，增強了項目的示范引領作用，形成亮點。

鈉硫電池儲能系統采用模塊化設計，外觀見圖1。具有運行業績好、安全性高、結構緊湊、運行溫度范圍寬、使用壽命長，系統可擴展，即插即用等優點。單個模塊每小時蓄電量200 kW，本項目設置1個模塊，總蓄電量1 200 kWh。

4 低碳供熱(冷)能源系統

能源系統擬采用“地源熱泵+低溫空氣熱泵+太陽能+電鍋爐、相變儲能”等多項先進可再生能源利用技術，達到高質量滿足本項目冷熱需求，同時發揮示范引領作用。

4.1 地源熱泵系統、低溫空氣源熱泵系統

熱泵技術：是將自然界低溫熱能(淺層土壤中的低溫地熱能、空氣能、江河湖水能等)和人類生活生產中產生排放的余熱廢熱(城市污水熱、工業余廢熱等)，通過少量的電能驅動壓縮機做功，促進工質汽態—液態相變轉化，源源不斷地將低溫熱能轉化為可用于供暖供熱水的高溫熱能。電和熱轉化率(即系統能效)可以達到2.5以上，實現了可再生能源利用，熱能利用效率高，是21世紀人類重點推廣的節能環保技術之一。

根據其所利用的低溫熱源方式，熱泵系統分為地源熱泵、空氣源熱泵、江河湖水源熱泵等多種方式。利用土壤淺層地熱能的熱泵系統稱為地源熱泵系統，利用低溫空氣熱能的熱泵系統稱為空氣源熱泵系統。

在嚴寒地區，冬季室外溫度低于-20 ℃的時間較長，且極端天氣情況下，室外溫度可達到-30 ℃左右。設計可采用專為滿足東北、西北等極寒地區集中供熱系統需求設計的螺桿式超低溫空氣源熱泵機組。

4.2 相變儲能

相變儲能利用物質相轉變過程中伴隨的能量吸收和釋放而進行，由相變材料物態的往復循環實現熱量的存儲與釋放。相變過程中溫度恒定、吸收和釋放大量能量。

本方案采用模塊化熱庫裝置，采用高密度、高穩定性無機納米復合相變儲能材料，單臺熱庫相變儲熱量為650 MJ，具有體積小、儲熱量高、安裝靈活、簡單等優勢。夜間利用熱庫將產生的熱量儲存在熱庫中，白天峰電時段，僅開啟系統循環泵，將熱庫儲熱量釋放用于供熱，節省系統的運行費用。

4.3 太陽能光熱系統

通過太陽能真空管等集熱器將太陽輻射能收集起來，循環加熱水，儲存并加以利用。在本方案中，太陽能光熱系統除了在冬季收集熱能，直接用于供暖外，結合地源熱泵冬季運行時間長，從地下土壤取熱量大于夏季釋熱量的特殊使用條件，在夏季及過渡季節為地源熱泵室外地埋換熱系統補熱，“跨季蓄能”，用于改善室外地埋管全年取熱、放熱不平衡情況，提高土壤溫度，進一步提高地源熱泵運行效率。

4.4 供熱(冷)能源系統配置

地源熱泵機組、低溫空氣源熱泵機組：根據本項目常備供熱負荷需求配置地源熱泵系統及空氣源熱泵系統，地源熱泵系統制冷量滿足為夏季部分建筑供冷需要。

配置2臺螺桿地源熱泵機組，單臺機組制冷量為596.5 kW，制冷功率為102.6 kW，單臺機組制熱量為520.7 kW，制熱功率128.6 kW。兩臺熱泵機組同時運行，可以滿足夏季供冷負荷需求。

配置2臺低溫空氣源熱泵機組，單臺制熱量256.8 kW(室外溫度-25 ℃)，制熱功率116 kW，2臺機組總制熱量513.6 kW。

2臺地源熱泵機組及2臺低溫空氣源熱泵機組同時運行，總制熱量1 555 kW，完全能夠滿足本項目常備負荷1 470 kW的供熱需求。

熱泵機組、循環水泵等設備及電氣系統、控制系統等安裝在能源站房。低溫空氣源熱泵機組安裝在能源站房西南角，緊鄰能源站房布置。

真空電鍋爐、相變儲能：在最大作業熱負荷工況下，2臺地源 熱泵機組和2臺低溫空氣源熱泵機組共計可以提供1 555 kW的熱負荷，其余2 615 kW的熱負荷，配置3臺額定制熱量1 000 kW的電鍋爐滿足。

考慮冬季采暖科研中心、學術中心等辦公建筑夜間處于低負荷運行狀態，實驗作業期內，經測算夜間低谷電時段逐時最大供熱負荷需求約為3 600 kW，2臺地源熱泵+2臺超低溫空氣源熱泵+2臺電鍋爐共同供熱可滿足夜間供熱需求，剩余一臺1 000 kW的電鍋爐用于相變儲能，谷電8 h相變總儲熱量為8 000 kWh。相變儲熱熱量在白天高峰電時段放熱供熱，降低運行費用。

太陽能光熱系統：在公寓樓屋布置太陽能真空管集熱器，總布置集熱設備采光面積約600 m2，配套1個20 m3的蓄熱水箱。

4.5 地埋管換熱系統

根據地區淺層地熱地質資料，項目地土壤溫度120 m以淺巖土體初始平均溫度偏低，約為10 ℃，因此導致地埋管換熱器延米換熱量較小，本方案夏季延米換熱量暫按60 W/m設計，冬季按23.8 W/m設計。

5 智慧供熱(冷)管理系統

5.1 管理對象

本項目智慧供熱(冷)管理系統的管理對象為能源中心和各建筑末端用能系統。能源中心管理系統包含地源熱泵系統、空氣源熱泵系統、太陽能系統、電鍋爐、相變儲能系統、地埋管換熱器等子系統。各建筑末端用能管理系統,以每棟用能建筑為一個單元和子系統，實現各建筑用能監測及用能優化控制，如分時分區控制、精準室溫控制、氣候補償等。

5.2 系統架構

智慧供熱(冷)管理系統由數據采集與傳輸、數據存儲、運行控制、能效分析、能源管理、數據共享與發布等幾個層級組成。

5.3 智慧供熱(冷)管理功能

5.3.1數據采集

能源中心數據采集內容包含：熱泵機組：電量，供熱量，供回水溫度；電鍋爐：電量，供回水溫度，壓力；

相變儲能系統：儲熱量、放熱量；

空氣源熱泵機組：電量，供熱量，供回水溫度；

太陽能系統：集熱器4個溫度測點，水箱溫度、液位，補熱量；循環水泵：電量；

水路系統：空調側供回水溫度、壓力、熱量，地源側供回水溫度、壓力、熱量；

設備狀態：熱泵機組、超低溫空氣源熱泵、循環泵、電鍋爐等設備運行狀態，包含設備運行時間、故障、能量輸出等；

其他：室外溫、濕度，室外地埋管區域溫度場地溫監測。

各建筑末端用能系統數據采集內容包含：

每棟建筑入戶主管供回水溫度、壓力、熱量、調節閥開度；建筑室內溫度。

5.3.2數據分析與控制

1)系統運行工況參數數據分析與控制。

監測供熱供冷系統運行過程中的工況參數，如系統供回水溫度、流量、壓力、熱泵機組冷熱量輸出、室內環境溫度等參數，結合建筑使用及用能要求，指導系統運行，設定、調節系統運行策略，例如：

定時運行：根據功能建筑工作作息時間按時啟?？刂圃O備，例如上班前提前開啟建筑內如風機盤管余熱，下班后關閉部分風機盤管系統節能。

溫度—時間延滯：根據建筑內溫度保持的延滯時間，提前關閉熱泵主機或電鍋爐達到節能目的。

調節供水溫度：根據建筑室內外實際溫度調節空調系統的供水溫度，設定合適的供水溫度減少系統主機的過度運行，實現節能。

延長設備壽命：對系統冷熱源主機進行等時間交替運行，延長設備的運行壽命，節省維護費用。

2)設備、儀表運行狀態分析與控制。

故障處理：監測各設備、儀表進行實時運行狀態，當發生故障時，通過監測數據，找出故障源，方便系統及時管理與維護。

3)系統能效分析與控制。

本項目能源管理系統包含地源熱泵、空氣源熱泵、太陽能補熱、電鍋爐相變儲熱、地埋管換熱器等5個子系統。

根據系統耗電量、耗熱量、耗冷量等數據，統計并分析整個項目能源系統及其各子系統運行能耗，判斷各系統運行情況是否達到設計效果。通過對能耗的分析、總結，提出利于整個項目能源系統運行的優化控制方案。

5.3.3數據共享與發布

預留標準的網絡接口，接入園區大的能源管理平臺，為其提供監測數據和分析成果，實現園區包含本供熱(冷)管理系統在內的數據共享與統一發布。

6 結語

通過對能源系統的優化設計，使得項目能源系統更加低碳、智能，本項目能源系統，除了高質量滿足項目供熱(冷)負荷需求外，為打造國際先進、國內領先的清潔可再生能源標桿示范項目提供了可復制、推廣的技術、模式和體制經驗。