分布式蓄熱罐容量優化及二級管網調節改進

1 概述

隨著供暖規模的不斷擴大，供熱系統能耗逐年增加

。2019年，我國建筑供暖能耗(折合標準煤)為2.3×10

t，占建筑能耗的25%左右

。集中供熱系統以其能提供可靠的高品質供熱、熱效率高等優勢，成為我國城鎮供熱系統的首選形式

，但部分集中供熱系統存在運行效率偏低、水力和熱力失調問題，用戶熱負荷波動使熱源(特別是熱電聯供機組)供熱量的調控難以符合預期。

對于不規則地貌，其表面積很難通過常規的方法來計算。目前，通常使用不規則三角網法提取地面和地物坐標信息，并進行擬合求解。CASS9.0軟件表面積計算是通過DTM(Digital Terrain Model，DTM)建模，在三維空間內將高程點生成為帶坡度的三角網，進行后續表面積的擬合計算[9]。通過實地測得的地面特征點三維坐標(X，Y，Z)數據生成三角網來計算擬定設計高程下每個三角形的表面積，疊加得到指定區域的總表面積。

為了解決熱能供需不匹配問題，蓄熱技術受到了關注。目前，大部分研究關注設置在熱源處的集中蓄熱裝置。但供需不平衡的主要矛盾往往集中在于用戶一側，而且隨著熱網規模的擴大，集中蓄熱裝置調節的時滯性大、靈活性差的缺點更加明顯。集中式蓄熱裝置遠離用戶，本質上相當于一個熱源，雖然可起到削峰填谷的作用，但依然存在很大的輸送延遲。

式中：A0為主閥芯下腔受力面積；A2為主閥芯上腔受力面積；m2為主閥芯當量質量；B2為主閥芯黏性阻尼系數；K2為主閥復位彈簧剛度；y0為主閥復位彈簧預壓縮量；y為主閥芯位移；D0為主閥閥座孔直徑；g為重力加速度；α為主閥芯半錐角。

針對集中蓄熱裝置存在的問題，有專家學者提出將蓄熱罐放置在熱力站、用戶的分布式蓄熱形式。分布式蓄熱裝置時滯性小，能快速地對用戶負荷變化進行響應，還能增加供熱可靠性，改善水力與熱力失調。因此，對分布式蓄熱罐容量和二級管網調節方法進行優化顯得尤為重要。本文介紹分布式蓄熱、二級管網調節方法研究現狀，對分布式蓄熱罐容量優化及二級管網調節方法改進途徑進行綜述。

2 研究現狀

近年來，國外對蓄熱罐的研究多集中在利用軟件及提出新的算法用于優化、比較蓄熱罐容量。Lorgio

提出一種簡化的蓄熱罐容量優化數學模型，并分析得到蓄熱罐的最優容量，在最優容量范圍內可明顯減少調峰鍋爐的使用量，并減少污染物排放。通過經濟分析，指出在蓄熱罐最優容量下，可以縮短供熱系統投資回收期。Katufic等人

提出一種新方法計算蓄熱罐的最佳容量，最佳容量取決于熱負荷、電價、燃料價格等因素，但是需要多次計算目標函數，計算比較復雜。韓國學者提出了一種遺傳算法，不過該算法僅適用于計算集中式蓄熱罐最優容量

。

張婷等人

針對分布式蓄熱方式，以蓄熱罐最大容量為基準，分析不同蓄熱罐容量下，熱力站購熱費用的變化。結果顯示：在熱力站設置分布式蓄熱罐，能減少熱力站的購熱費用，隨著蓄熱罐容量的增大，減少趨勢變緩。但沒有提出蓄熱罐經濟容量，也沒有對蓄熱罐容量進行優化。柳文潔

通過建立蓄熱罐經濟性數學優化模型，使用Matlab軟件比較了幾個典型方案，驗證了設置蓄熱罐的優勢以及蓄熱罐容量對供熱系統經濟性的影響，并采用遺傳算法(GA)對蓄熱罐容量進行優化。

期望進行金融改革。壟斷的存貸利息差，給銀行帶來幾乎壟斷的利潤，也養成了金融的傲慢。向來是錦上添花，從不雪里送炭。2013年，互聯網金融出現，大大沖擊了銀行家們。然而，互聯網金融帶來便利的同時，也帶來了e租寶、泛亞等騙錢的圈套，再想想2015年的股市崩盤、2016年的外匯離境，讓人不寒而栗。所以，中央把防范系統性金融風險放在重點工作的首位。

目前，我國有學者已經意識到隨著供熱管網規模的擴大集中蓄熱的不足，而以熱力站為單位的分布式蓄熱方式距離熱用戶更近、靈活性更強，對供熱系統的節能作用更加明顯

。也有學者對分布式蓄熱罐的經濟性進行了研究，結果表明：熱力站熱負荷越大、與熱源距離越遠，在熱力站設置分布式蓄熱罐的經濟性越好

。另外，有學者提出分布式變頻泵技術解決大規模熱網遠端熱力站資用壓頭不足以及管網水力不平衡的問題，該技術在保證熱網安全運行方面也取得了很好的效果

。

3 分布式蓄熱罐容量的優化

當前，國內多采用常壓式蓄熱罐，采用從一級管網蓄熱向二級管網放熱的方式，蓄熱罐冷熱水溫差比較大，儲存相同熱量時所需蓄熱罐的有效體積比較小，可以減小占地面積和降低投資。蓄熱罐與二級管網的連接方式不同，存在不同的效果，確定連接方式后也需要優化二級管網調節方式，減少水力失調現象

。

Stuhlenmiller等人

使用模擬程序TRNSYS對現有蓄熱罐進行建模，找到最佳的蓄熱罐容量，使總成本降至最低。Fragaki等人

利用Energy PRO軟件分析了含有蓄熱罐的熱電聯供機組的經濟效益和最佳規模。結果表明：含有蓄熱罐的熱電聯供機組投資回收率超過不含蓄熱罐的熱電聯供機組，且可有效節約成本。Lund等人

以實際熱電廠為例，利用Energy PRO軟件確定蓄熱罐的最佳容量，最佳容量不僅與蓄熱罐成本有關，還受燃料價格、電價等的影響。

盡管老款車型在國產之后針對隔音降噪表現進行了不少改進，但新一代C級轎車在此基礎上進行了進一步優化。坐進車內，關上車門，我仿佛被關進了醫院的CT室，四周安靜得很不真實。當然，具有48伏智能電機的1.5升渦輪增壓發動機功不可沒，而48伏電氣系統的介入也讓不少原本需要啟動發動機的工況變為僅需電機工作即可。配合9速自動變速箱合理的齒比，想擁有平順且靜謐的行駛體驗簡直是易如反掌。

在丹麥和法國，小型蓄熱罐廣泛應用于供熱調峰

。北歐一些集中供熱水平較高的國家，通過設置若干個分布式蓄熱罐配合熱電廠調整供熱量

。德國有學者以經濟指標和生態指標為目標，分析加裝蓄熱罐對供熱系統的影響。結果表明：熱電聯供供熱系統配置蓄熱設備既減少了對環境的影響，也節省了能源供應成本。與集中蓄熱裝置相比，分布式蓄熱裝置更加靈活且更加節能。并提出一種計算分布式蓄熱罐的最優安裝位置、運行方式和容量的算法

。歐洲一些學者提出未來的供熱系統必須足夠靈活，以應對用戶熱負荷變化，而熱能儲存是一種成熟有效的技術，可為供熱提供足夠的靈活性。研究顯示，集中蓄熱裝置的靈活性小于分布式蓄熱裝置

。日本學者提出將蓄熱裝置安裝在用戶端，研究發現，這種分布式蓄熱方式可縮短熱量調整時間，降低安裝成本，減少二氧化碳排放

。

蓄熱罐容量過小，易因罐體自身限制而不能充分發揮蓄熱技術的節能潛力。容量過大，易造成蓄熱罐空間閑置，蓄熱效率降低的同時也增加供熱系統的投資。籍舒然

以實際熱力站在整個供暖期的模擬熱負荷為基礎，計算逐日所需蓄熱量，從而確定蓄熱罐的最大容量。計算結果顯示：最大所需蓄熱量在供暖期僅出現數日。部分國內企業降低白天供熱量，在保證一定室溫的前提下蓄熱，將原有室內溫度與蓄熱工況室內溫度產生的熱負荷差作為分布式蓄熱罐的蓄熱量，但這并非是對蓄熱罐容量的優化

。

4 二級管網調節的改進途徑

隨著供熱系統規模的不斷擴大，國外許多學者開始對熱網的優化運行進行研究。Bojic等人

建立了供熱系統的數學模型，分析結果顯示：在合適的地方設置循環泵、閥門可以緩解供熱系統的冷熱不均與水力失調。Sarbu等人

、Green

建模比較調節閥、變頻泵在供熱系統中的應用，發現：當采用變頻泵變流量調節時，供熱系統的節能效果比采用調節閥時更好。Truschel

通過對變流量系統的研究指出，將變頻泵應用在二級管網，能耗和電力成本均有大幅下降。Bahnfleth等人

通過對設置變頻泵的變流量系統進行數值模擬得出，二級管網設置變頻泵每年可節能2%～5%，節省投資4%～8%。

國內學者也對熱網的調節方式提出了很多新的想法并進行了研究。紀博淵

研究得出分布式供熱系統比傳統熱集中供熱系統能耗低，分布式供熱系統只有選擇合適的調節方式，才能更好地發揮節能效果。馬婉路

分析了采用調節閥調節的二級管網的水力、熱力工況。結果顯示：在有限制的條件下，閥門調節可以滿足需求，但造成了明顯的能源浪費。王紅霞等人

指出采用調節閥調節方式至少要損失30%的能量，而采用用戶混水變頻泵、加壓變頻泵和主循環變頻泵相結合的方法，可節能75%。尹榮杰

通過研究發現，分布式變頻泵技術可以保證供熱質量，并最大限度保證供熱系統的穩定性，延長設備的使用壽命。

薛林

采用TRNSYS軟件搭建居住建筑系統，模擬發現采用分布式變頻泵系統可以有效地降低供暖初期和末期的室內過熱情況，提高室內舒適度，建筑能耗有所降低。張昆

詳細闡述了分布式變頻泵系統的基本形式、特點、設計方法和節能效果，并針對運行控制策略進行了重點分析。對水力工況特性對比分析可知，分布式變頻泵系統具有更好的水力穩定性和節能性；并對采用變頻泵變流量調節的二級管網水力平衡過程進行了動態仿真模擬，制定了合理有效的調節方案。

5 結論

國內外均重視分布式蓄熱、二級管網調節方法的研究。采用蓄熱罐在帶來良好經濟效益的同時，還能實現節能減排，蓄熱罐容量對供熱系統的經濟性存在較大影響。對分布式蓄熱罐容量進行優化，是提高供熱系統經濟性的有效方法。在熱網的運行調節方面，變頻泵技術受到了廣泛關注，對變頻泵變流量調節與分布式蓄熱系統相結合的優化研究還比較缺乏。

[1] 江億. 我國北方供暖能耗和低碳發展路線[N]. 中國建設報，2019-07-15(4).

[2] 清華大學建筑節能研究中心. 中國建筑節能年度發展研究報告2019[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2019：1-10.

[3] 曹振. 熱電聯供機組集中供熱在節能減排中的作用[J]. 建筑工程技術與設計，2017(21)：4318.

[4] LODIGE D，THOMAS B，WIDMANN C. Intelligent management of the heat storage tank for production of electricity on demand using CHP units[J]. Energy Procedia，2015，73：239-243.

[5] BACHMAIER A，NARMSARA S，EGGERS J B，et al. Spatial distribution of thermal energy storage systems in urban areas connected to district heating for grid balancing—a techno-economical optimization based on a case study[J]. Journal of Energy Storage，2016(8)：349-357.

[6] RIEDER A，CHRISTIDIS A，TSATSARONIS G. Multi criteria dynamic design optimization of a small scale distributed energy system[J]. Energy，2014，74：230-239.

[7] JEBAMALAI J M，MARLEIN K，LAVERGE J. Influence of centralized and distributed thermal energy storage on district heating network design[J]. Energy，2020，202：117689.

[8] YAMAGUCHI H，MORITA H，ASANO H，et al. Energy supply performance and environmental load-reduction effect of a cogeneration system for an apartment building using distributed heat storage technology[J]. Heat Transfer—Asian Research，2013(8)：745-757.

[9] 張婷. 分布式蓄熱在集中供熱系統中的應用研究(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017：17-27.

[10] 籍舒然. 集中供熱系統分布式蓄熱模式優化研究(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018：38-52.

[11] 魯雪艷. 分布式變頻控制技術在供熱系統中應用探索[J]. 中國設備工程，2020(14)：7-8.

[12] 田立順. 蓄熱罐在熱電聯供集中供熱系統的應用[J]. 煤氣與熱力，2016(11)：A21-A24.

[13] 李連眾. 關于區域供暖系統的粗淺認識[J]. 區域供熱，2012(6)：29-32.

[14] 張婷，趙華，王芃. 罐體容量對分布式蓄熱罐應用于集中供熱系統的影響[C]// 中國建筑學會建筑熱能動力分會. 中國建筑學會建筑熱能動力分會第二十屆學術交流大會文集. 北京：《暖通空調》雜志社，2017：159-162.

[15] 柳文潔. 熱水蓄熱罐在熱電聯供供熱系統中的應用研究(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016：50-74.

[16] LORGIO S R. Modeling of a coupled with combined heat and power thermal energy storage system generation for the heating requirements of a university campus[J]. Applied Thermal Engineering，2010，30：1255-1261.

[17] KATUFIC S，CEHIL M，BOGDAN Z. A novel method for finding the optimal heat storage tank capacity for a cogeneration power plant[J]. Applied thermal Engineering，2014(1)：530-538.

[18] MOON H，KIM H，NAM Y. Study on the optimum design of a ground heat pump system using optimization algorithms[J]. Energies，2019(21)：1-17.

[19] STUHLENMILLER T，KOENIGSDORFF R. Optimum thermal storage sizing in building services engineering as a contribution to virtual power plants[J]. Journal of Building Performance Simulation，2010(1)：17-31.

[20] FRAGAKI A，ANDERSEN A N，TOKE D. Exploration of economical sizing of gas engine and thermal store for combined heat and power plants in the UK[J]. Energy，2008(11)：1659-1670.

[21] LUND H，ANDERSEN A N．Optimal designs of small CHP plants in a market with fluctuating electricity prices[J]. Energy Conversion & Management，2005(6)：893-904.

[22] BOJIC M，TRIFUNOVIC N，GUSTAFSSON S I. Mixed 0-1 sequential linear programming optimization of heat distribution in a district-heating system[J]. Energy & Buildings，2000(3)：309-317.

[23] SARBU I，VALEA E. Energy savings potential for pumping water in district heating stations[J]. Sustainability，2015(5)：5705-5719.

[24] GREEN R H. Air-conditioning control system using variable speed water pumps[J]. ASHRAE Transactions，1994(1)：463-470.

[25] TRUSCHEL A. Heating systems the effect of design on system sensitivity(Ph. D. Thesis)[D]. Gothenburg：Chalmers University of Technology，2002：1-226.

[26] BAHNFLETH W P，PEYER E B. Energy use and economic comparison of chilled-water pumping system alternatives[J]. ASHRAE Transactions，2006，112：198-208.

[27] 紀博淵. 動力分布式供熱系統的穩定性及節能性分析(碩士學位論文)[D]. 西安：西安工程大學，2016：27-30.

[28] 馬婉路. 二次管網平衡調節策略及其動態熱特性研究(碩士學位論文)[D]. 天津：河北工業大學，2017：75-93.

[29] 王紅霞，石兆玉，李德英. 分布式變頻供熱輸配系統的應用研究[J]. 區域供熱，2005(1)：31-38.

[30] 尹榮杰. 分布式變頻泵供熱系統的運行調節方式[J]. 區域供熱，2015(1)：6-10.

[31] 薛林. 分布式供熱系統節能優化控制策略研究(碩士學位論文)[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2017：38-78.

[32] 張昆. 分布式變頻泵—混水系統在二級管網的應用研究(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2016：32-49.