重慶某江水源熱泵性能影響因素分析

吳 杰 李妤姝 盧 軍

重慶某江水源熱泵性能影響因素分析

吳 杰 李妤姝 盧 軍

（重慶大學 重慶 400045）

以重慶市某能源站為研究對象，該能源站服務片區處于分期階段，通過分析了在20%、50%、80%與100%四種開發規模對系統蓄冰/蓄熱優先和機組優先運行模式的影響，分別制定在各工況、各運行模式下供暖季和供冷季的運行策略。結果表明：總規模一定時，該系統在各運行模式下，冬、夏季系統電耗量、運行費和峰、谷段電耗均隨開發規模的加大而增加，且成線性相關，相對于機組優先運行，每增加1%開發規模，蓄冰/蓄熱優先運行模式電耗量增加率減少0.38%，運行費節省率減少0.13%，單位電耗費用節省率減少0.29%，移峰電量率減少0.27%，谷電利用率減少0.55%。該結論對后續該片區的建設中系統的運行策略具有現實的指導意義。

開發規模；蓄冰/蓄熱優先；機組優先；運行策略

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，我國能源的短缺與人們對于能源不斷增長的需求之間的矛盾日益嚴峻，其中尤為嚴重的為用電負荷的不斷攀升，我國現階段所存在的缺電現象，并不是電量供應的不足，而是電力的匱乏，同時電網用電高峰與低谷之間的差距與日俱增，用電的調峰問題日益嚴重。據統計，建筑能耗約占世界總能耗的1/3，而空調是各國住宅、行政、商業和工業建筑中最常見的能源消耗設備。目前，以化石燃料計算，約有75%的一次能源供應于建筑供暖和制冷，尤其是熱帶地區，約60%的電力消耗都與空調系統有關[1]。由于空調系統與人們的日常生活息息相關，因此在不影響室內人們正常辦公與生活的前提下，通過儲能的技術手段在電價處于谷值時將電能存儲起來以便在電價處于峰值的時間段內使用，以達到“削峰填谷”的功能，在諸多蓄能系統中，冰蓄冷與水蓄熱系統具有成本較低、占地較少的優點而愈發受到人們的關注[2-7]，本文以重慶某能源站已有的冰蓄冷/水蓄熱+江水源熱泵聯合運行的空調系統作為研究對象，由于該能源站所服務區域仍處于開發階段，因此在已有的運行策略上，分析了不同的能源站開發規模對該系統經濟與能耗的各項指標的影響，對后期運行策略的調控具有指導意義。

1 工程概況

1.1 建筑概況

本文以1號能源站作為研究對象，規劃圖如圖1所示。該能源站服務片區屬于分期開發階段。該站供能區域建筑面積約為244.38萬m2，主要包含金融保險業用地（214.76萬m2）、商業用地（17.31萬m2）、旅館業用地（8萬m2）及游樂業用地（4.31萬m2）。

圖1 某能源站服務區規劃圖

1.2 機組概況

利用Dest模擬軟件得到該區域最大冷負荷為193801kW，最大熱負荷為85679kW。該能源站供冷方式為江水源熱泵+冰蓄冷復合系統，以江水作為熱泵機組冷卻水，冰蓄冷系統為外融冰形式；供熱方式采用江水源熱泵+水蓄熱復合系統。能源站內共設有10臺制冷量與制熱量分別為8406kW與8650kW的熱泵機組；8臺雙工況機組，制冷量為8546kW/臺，制冰量為5067kW/臺；蓄冰裝置最大蓄冷量為323180kW·h。夏季，江水側制冷時供、回水溫度為27℃/37℃，制冰時供、回水溫度為27℃/33℃，系統原理圖如圖2所示；冬季供暖用戶側供、回水溫度為45℃/37℃，江水側供、回水溫度為10℃/3℃，系統原理圖如圖3所示。

圖2 夏季供冷系統原理圖

圖3 冬季供暖系統原理圖

1.3 系統參數

評價系統經濟與節能程度的指標主要有電耗、運行費、單位電耗費用以及移峰填谷能力等多項指標。

其中移峰電量率與谷電利用率為衡量系統移峰填谷能力的兩項指標，二者計算公式分別如公式（1）與公式（2）所示。

式中：P為蓄熱優先運行下高峰時段耗電量，kWh；P為機組優先運行下高峰時段耗電量，kWh。

式中：P為系統用電低谷時耗電量，kWh；為總耗電量，kWh。

2 不同開發規模下運行策略分析

該能源站的服務片區處于分期開發階段，本項目中定義整片區域完全開發狀態為100%開發規模，完全未開發狀態為0開發規模，因此本區域的開發規模處于0與100%之間（包含0與100%）。為簡化模擬的工作量，選取100%、80%、50%與20%這四種典型開發規模為研究對象，開發規模的大小在建筑中以冷熱負荷的不同的形式展現。在每種開發規模下研究四種典型冷熱負荷率（100%負荷、80%負荷、50%負荷和20%負荷），在不同負荷率下實行蓄冰/蓄熱優先運行與機組優先運行兩種不同的運行策略，通過對比得出該區域不同開發階段的最佳運行策略。

2.1 100%開發規模下的運行策略

（1）蓄冰/蓄熱優先運行策略

當該區域處于完全開發階段（開發規模為100%），夏季蓄冰優先運行策略如圖4所示。

圖4 100%開發規模下夏季蓄冰優先運行策略

由圖4可知，當開發規模為100%時，蓄冰優先運行模式下，供冷季供冷量按照7天為一周期的規律變化，工作日的供冷量相較于周末有明顯的增長，這是由于該片區域建筑中絕大部分均為辦公建筑。在該開發規模下，蓄冰槽在夜間基本處于滿負荷蓄冰模式；在7～8月，除了使用蓄冰與熱泵主機供冷，大量雙工況的主機也被開啟以補充所需要的冷量，其余月份只需開啟少量雙工況機組即可滿足要求。

冬季蓄熱優先運行策略如圖5所示。由圖可知，同理于夏季蓄冰優先運行的策略，供暖季也呈現出7天為一個周期、周末供熱量低的規律。除了12月上旬的階段晝間僅開啟水槽供熱，夜間開啟熱泵機組供熱即可滿足要求，其余月份晝間均要開啟大量機組與水槽聯合運行以滿足供暖的要求，夜間水槽也在絕大部分時間內處于滿負荷運行狀態。

圖5 100%開發規模下冬季蓄熱優先運行策略

（2）機組優先運行策略

在100%的開發規模下，夏季機組優先運行策略如圖6所示。機組大體可滿足供冷季的冷量需求，冷量基本全由熱泵主機提供，7～8月份冷負荷較大，需要開啟大量雙工況主機聯合供冷，極少情況下需開啟冰槽補充供冷。供暖季由于所需熱負荷較少，因此僅開啟熱泵主機即可滿足供暖的要求，無需開啟雙工況主機和水槽補充蓄熱。

圖6 100%開發規模下夏季機組優先運行策略

2.2 80%開發規模下的運行策略

（1）蓄冰/蓄熱優先運行策略

80%開發規模下，蓄冰與蓄熱優先運行策略如圖7與圖8所示，運行策略類似于100%開發規模下的策略，冰槽在夏季夜間處于滿負荷蓄冰模式；供冷季以冰槽與熱泵主機為主，當冷負荷較大時，需開啟雙工況主機供冷，具體臺數由所需冷量大小確定。冬季周一至周五熱負荷較大，大量熱泵主機應開啟來補充熱量，其余時間段均以水槽供熱為主。

圖7 80%開發規模下夏季蓄冰優先運行策略

圖8 80%開發規模下冬季蓄熱優先運行策略

（2）機組優先運行策略

80%開發規模下，夏季機組優先運行策略見圖9。供冷季以熱泵主機為主，冷負荷較大的月份需開啟雙工況主機補充供冷。供暖季同100%開發規模相同，僅開啟熱泵主機即可滿足供暖。

圖9 80%開發規模下夏季機組優先運行策略

2.3 50%開發規模下的運行策略

（1）蓄冰/蓄熱優先運行策略

圖10 50%開發規模下夏季蓄冰優先運行策略

圖11 50%開發規模下冬季蓄熱優先運行策略

50%開發規模下，蓄冰與蓄熱優先模式運行策略如圖10與圖11所示。在此開發程度下，無論夏季與冬季雙工況機組均很少被使用，周末僅需開啟冰槽/水槽即可滿足供冷/供暖的要求，周一至周五工作日期間，大部分冷/熱量由冰槽與水槽提供，額外的少部分冷/熱量通過開啟部分熱泵機組補充。

（2）機組優先運行策略

在50%的開發規模下，夏季機組優先運行策略見圖12。供冷季和供暖季均開啟熱泵主機供能，僅需在夏季極少天氣開啟少量雙工況主機供冷。

圖12 50%開發規模下夏季機組優先運行策略

2.4 20%開發規模下的運行策略

（1）蓄冰/蓄熱優先運行策略

當開發規模為20%時，蓄冰/蓄熱優先策略如圖13與圖14所示。供冷與供暖季夜間均采用熱泵供能；晝間則采用冰槽/水槽供能，夏季少數幾天需開啟少數熱泵主機進行輔助供冷；夜間冰槽/水槽蓄能量的大小呈現周期性變化，周末蓄能量較低，工作日蓄能量較大。

圖13 20%開發規模下夏季蓄冰優先運行策略

圖14 20%開發規模下冬季蓄熱優先運行策略

（2）機組優先運行策略

20%開發規模下，機組優先運行模式在供冷季和供暖季均采用熱泵主機供能即可，供能量以7天為周期呈現規律性，同前文。

3 不同開發規模下系統參數對比

根據上述不同開發規模下的運行策略得到各不同工況下的系統運行參數，并計算出了各工況下蓄冰/蓄熱優先運行模式相對于機組優先運行模式下的各指標節省率。具體如表1與表2所示。

表1 不同開發規模下系統運行參數（1）

表2 不同開發規模下系統運行參數（2）

各參數變化趨勢如圖15所示。由圖可知，在不同的運行模式下，供冷季與供暖季系統的各項參數隨著開發規模的增大而增大，且各參數的變化規律幾乎均為線性變化。其中，相對于峰段與谷段的耗電量增長速率，各運行策略下兩季電耗與運行費用的數值更大，增長速率更快。在能耗與電費方面，蓄冰/蓄熱優先模式下的耗電量顯著大于機組優先運行模式，然而由于峰谷電價的原因，其運行費用顯著低于機組優先運行模式；在移峰填谷方面，由于需要夜間蓄冰/蓄熱，因此蓄冰/蓄熱優先模式下夜間（谷段）用電量遠高于機組優先運行模式，而晝間用電高峰期用電量遠低于機組優先運行模式，且差值隨開發規模的增大而增大。

圖15 各開發規模下冬夏季系統參數對比

相對于機組優先運行的模式，兩季中采用蓄冰/蓄熱優先運行模式下各個指標參數的節省率如圖16所示。從圖中輕易可以看出，電耗的節省率為負值，即采用蓄冰/蓄熱優先模式并不能節約用電，相反會使耗電量增加，然而耗電量的增長隨開發規模的逐漸增大而降低。在20%的開發規模下，兩季采用蓄冰/蓄熱優先運行的模式下，總耗電量增加率為45.31%，其中夏季增長54.06%，冬季增長18.68%；當開發規模達到100%時，兩季蓄冰/蓄熱優先運行耗電量增率為13.62%，其中夏季增長率為15.94%，冬季增長率為6.46%；導致這個現象的主要原因為為該片區域對冷負荷需求較大，因此夏季在冰槽中應有更多的能量被儲備，因此也需要消耗更多的電量來將冷量進行釋放。通過計算得知，每增加1%的開發規模，蓄冰/蓄熱優先運行模式相對于機組優先運行模式電耗量增加率降低0.38%。

相對于機組優先運行的模式，兩季中采用蓄冰/蓄熱優先運行模式下總運行費用與單位電耗費用均將低，然而兩個節省率隨開發規模的增大而減少。20%的開發規模下，采用蓄熱/蓄冰優先運行模式下，總運行費節省率為25.76%，其中夏季的節省率為19.49%，冬季節省率達40.32%；總單位電耗費用節省率為48.91%，其中夏季的節省率為47.74%，冬季的節省率為49.71%。在100%的開發規模下，采用蓄熱/蓄冰優先運行模式下，總運行費節省率為15.66%，其中夏季的節省率為11.73%，冬季的節省率為24.90%；總單位電耗費用節省率為25.7%，夏季與冬季的節省率分別為23.87%與29.46%。主要原因為夏季冷負荷較大，晝間冰槽所提供的冷量占比較小，因此相對于冬季，夏季需要額外開啟更多的機組用于制冷來承擔負荷，在電價較高的時間段內耗電量高，再結合我國峰谷電價的政策，導致夏季總運行費用較高。通過計算得知，開發規模每增加1%，蓄冰/蓄熱優先模式下總運行費用節省率降低0.13%，單位總電耗費用節省率減少0.29%。

在移峰填谷指標方面，相對于機組優先運行的模式，兩季中采用蓄冰/蓄熱優先運行模式下移峰電量率與谷電利用率隨著開發規模的增大而降低。在20%的開發規模下，采用蓄熱/蓄冰優先運行模式下總移峰電量率高達78.78%，其中夏季為76.23%，冬季為85.99%，總谷電利用率達到86.01%，其中夏季與冬季的數值分別為85.13%、89.45%；在100%的開發規模下，采用蓄熱/蓄冰優先運行模式下總移峰電量率為57.63%，其中夏季為53.05%，冬季為70.64%，總谷電利用率為41.94%，其中夏季為39.81%，冬季為49.11%。通過計算得知，開發規模每增加1%，蓄冰/蓄熱優先運行模式總移峰電量率減少0.27%，總谷電利用率減少0.55%。

圖16 各開發規模下冬夏季參數節省率對比

4 總結

本文研究了能源站服務片區的開發規模（20%、50%、80%、100%）對系統蓄熱/蓄冰優先運行與機組優先運行兩種運行模式的影響。分別確定了在各個不同工況下的運行策略，根據兩季能耗的分布以及各個參數的數值，得到了開發規模這一因素對系統運行模式的影響，由于該片區目前仍處于持續開發階段，因此該結論在后續的開發中具有很重要的指導意義。

主要結論為在不同的開發規模下，兩季系統的電耗量、運行費用、電價峰谷段的電耗量均隨著開發規模的增大而增大，且二者基本呈線性關系。與機組優先運行模式相比，蓄冰/蓄熱優先運行模式雖然可以減少耗電費用與運行費用，很好的起到調峰的作用，然而用電能耗卻增加，因此并無節能的作用。相對于機組優先運行，每增加1%開發規模，蓄冰/蓄熱優先運行模式電耗量增加率減少0.38%，運行費節省率減少0.13%，單位電耗費用節省率減少0.29%，移峰電量率減少0.27%，谷電利用率減少0.55%。

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Analysis of Factors Affecting the Performance of a Water Source Heat Pump in a River in Chongqing

Wu Jie Li Yushu Lu Jun

( Chongqing university, Chongqing, 400045 )

Taking an energy station in Chongqing as a research object, the service area of the energy station is in a staged phase. Through analysis of the development scales of 20%, 50%, 80%, and 100%,the impact of the four development scales on the system's ice / heat storage priority operation and unit priority operation modes are to formulate operating strategies for the heating season and the cooling season under each operating condition and operating mode.The results show that when the total scale is constant, the system's power consumption, operating costs, peak and valley power consumption in winter and summer under each operating mode increase with the development scale, and are linearly related. Relative to the priority operation of the unit, for each 1% increase in the development scale, the power consumption increase rate of ice storage / heat storage priority operation mode decreases by 0.38%, the operating cost savings rate decreases by 0.13%, and the unit power consumption cost savings rate decreases by 0.29%,the electricity rate decreased by 0.27%, and the valley electricity utilization rate decreased by 0.55%.This conclusion has practical guiding significance for the subsequent system operation strategy in the construction of this area.

Development scale; Ice / Heat storage priority; Unit priority; Operating strategy

TU831.7

A

1671-6612（2020）05-581-07

吳 杰（1995.11-），男，在讀碩士研究生，E-mail：6917012467@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，博士，教授，E-mail：1181367768@qq.com

2019-11-29