工業(yè)園區(qū)中央空調(diào)蓄冷蓄熱數(shù)字模型應(yīng)用研究

摘要：工業(yè)園區(qū)中，中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷一般為最大負(fù)荷，其冷、熱、氣等多重負(fù)荷匯集，耦合程度高，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)不能忽視其系統(tǒng)性作用。本文針對(duì)工業(yè)園區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備單元，構(gòu)建蓄冷蓄熱數(shù)字模型，并將數(shù)字模型應(yīng)用于實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)園區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高園區(qū)綜合能源利用效率。

關(guān)鍵詞：工業(yè)園區(qū)；綜合能源系統(tǒng)；中央空調(diào)系統(tǒng)；蓄冷蓄熱；數(shù)字模型；典型應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）03-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.047

Abstract： In industrial parks， the load of the central air conditioning system is generally the maximum load， and its multiple loads such as cooling， heating， and gas gather， with a high degree of coupling， the comprehensive energy system in the park cannot ignore its systematic role. This paper constructs a digital model of cold and heat storage for the equipment units of the central air conditioning system in industrial parks， and applies the digital model to the actual central air conditioning system， in order to achieve the economic operation of the park’s air conditioning system and improve the comprehensive energy utilization efficiency of the park.

Keywords： industrial park; integrated energy system; central air conditioning system; cold and heat storage; digital model; typical applications

能源的生產(chǎn)和消費(fèi)是導(dǎo)致二氧化碳排放的主要原因。為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系，要積極推進(jìn)能源領(lǐng)域的碳減排。根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，工業(yè)園區(qū)能源消耗在我國(guó)能源消耗中的占比約為69%，而其碳排放量約占全國(guó)排放量的31%[1]。因此，工業(yè)園區(qū)成為實(shí)現(xiàn)科學(xué)精準(zhǔn)碳減排和碳中和的重要關(guān)注點(diǎn)。如何確保工業(yè)園區(qū)能源的可持續(xù)利用已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重要議題。

綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)的耦合，打破各個(gè)能源系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行、相互獨(dú)立的模式，其實(shí)現(xiàn)能源供需間的互動(dòng)和協(xié)同，提高能量利用效率[2]。綜合能源系統(tǒng)建模一直是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。目前，能源集線器模型被廣泛應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、需求響應(yīng)控制以及系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度等領(lǐng)域[4-7]。多能耦合聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用冷-熱-電聯(lián)供，其物理數(shù)字模型已經(jīng)建立[8-9]。廖春暉[10]對(duì)燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的物理數(shù)字模型進(jìn)行分析，研究熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱系統(tǒng)熱源優(yōu)化配置。祝榮等[11]設(shè)計(jì)一個(gè)綜合模型，將可再生能源的功率輸出不確定性、柔性負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)一體化。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)綜合能源系統(tǒng)的概念、物理結(jié)構(gòu)和相關(guān)模型進(jìn)行廣泛研究[12-13]。相關(guān)模型研究主要集中在冷熱電三聯(lián)供、風(fēng)光儲(chǔ)充一體化、熱電聯(lián)產(chǎn)等典型應(yīng)用，目前鮮有中央空調(diào)蓄冷蓄熱典型應(yīng)用的模型研究，缺少理論模型到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，而工業(yè)園區(qū)空調(diào)負(fù)荷一般占比最大，在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中，其系統(tǒng)性作用不可忽略。本文結(jié)合工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的典型應(yīng)用構(gòu)成，對(duì)園區(qū)中央空調(diào)蓄冷蓄熱典型應(yīng)用進(jìn)行數(shù)字建模，構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)備單元的數(shù)字模型，并將數(shù)字模型應(yīng)用于實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)。

1 工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的典型應(yīng)用構(gòu)成

工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)能量單元主要包括電、熱、氣三大能流。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)電、光伏等新能源生產(chǎn)單元得以應(yīng)用。能量耦合單元?jiǎng)t涵蓋冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、風(fēng)光儲(chǔ)充一體化系統(tǒng)、中央空調(diào)蓄冷蓄熱系統(tǒng)、電鍋爐、燃?xì)忮仩t等設(shè)備。同時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備的重要性逐漸凸顯，這些元素構(gòu)成一個(gè)完整的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、耦合和再傳輸?shù)榷喾N功能[14]。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 工業(yè)園區(qū)中央空調(diào)蓄冷蓄熱典型應(yīng)用的數(shù)字建模

工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中央空調(diào)蓄冷蓄熱典型應(yīng)用的設(shè)備單元包括水源熱泵、空氣源熱泵、電鍋爐、磁懸浮冷水機(jī)組等，這些設(shè)備單元完成輸送、存儲(chǔ)、耦合和再輸送等功能，實(shí)現(xiàn)多能流的耦合與轉(zhuǎn)換，是園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中央空調(diào)蓄冷蓄熱典型應(yīng)用的重要組成部分。下面依次建立這些耦合設(shè)備單元的數(shù)字模型。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中央空調(diào)蓄冷蓄熱典型應(yīng)用的設(shè)備單元及其物理指標(biāo)如表1所示。

2.1 熱泵

2.1.1 水源熱泵

建立綜合能源系統(tǒng)模型時(shí)，隨著固定流量工況的設(shè)定，影響機(jī)組性能系數(shù)的主要參數(shù)是高溫?zé)嵩吹睦淠郎囟燃暗蜏責(zé)嵩吹恼舭l(fā)溫度。理想情況下，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最佳供熱性能系數(shù)，其采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水源熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行受到多種復(fù)雜因素的影響，兩側(cè)熱源溫度變化對(duì)機(jī)組性能系數(shù)的影響有所不同。因此，通過(guò)擬合和分析數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建適用于水源熱泵機(jī)組的供熱性能系數(shù)計(jì)算模型，如式（2）所示。

式中：COP，H為供熱性能系數(shù)；TH為高溫?zé)嵩礈囟龋籘C為低溫?zé)嵩礈囟龋籘CW為蒸發(fā)器側(cè)熱源溫度；THW為冷凝器側(cè)熱源溫度；A、B、C、D、E是試驗(yàn)計(jì)算得到的擬合系數(shù)。

水源熱泵供熱性能系數(shù)和制冷性能系數(shù)的關(guān)系如式（3）所示。水源熱泵運(yùn)行時(shí)需要輸入一小部分電能，其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用式（4）、式（5）和式（6）表示。

式中：COP，C為機(jī)組制冷性能系數(shù)；QH，tWHP、QC，tWHP分別為水源熱泵在t時(shí)段的供冷功率和供熱功率；PtWHP為t時(shí)段向水源熱泵輸入的電功率；Δt為水源熱泵調(diào)度時(shí)段區(qū)間長(zhǎng)度；αH，t、αC，t分別為t時(shí)段輸入電能用于供熱和制冷的調(diào)度系數(shù)；PWHPt，max、PWHPt，min為水源熱泵輸入電功率的上下限。

2.1.2 空氣源熱泵

考慮空氣源熱泵的變工況運(yùn)行特性，建立空氣源熱泵變工況模型，如式（7）、式（8）和式（9）所示。

式中：ηASHP（t）為t時(shí)段空氣源熱泵的能效比；Tout（t）為環(huán)境溫度；PhASHP（t）、PeASHP（t）為t時(shí)段空氣源熱泵的制熱及耗電功率；PeASHP，max和PeASHP，min是空氣源熱泵耗電功率上下限。

2.1.3 熱源塔熱泵

熱源塔熱泵主機(jī)制熱能效比（COP）采用式（10）計(jì)算，制熱工況下電功率滿足式（11）要求。主機(jī)熱源側(cè)出口溫度采用式（12）計(jì)算，主機(jī)負(fù)荷側(cè)出口溫度采用式（13）計(jì)算。

式中：Qh（t）為t時(shí)段制熱工況下熱源塔熱泵實(shí)際制熱量；Ph（t）為t時(shí)段制熱工況下熱源塔熱泵電功率；Ph，max和Ph，min為熱源塔熱泵電功率的上限和下限；Psource，out為主機(jī)熱源側(cè)出口溫度；Psource，in為主機(jī)熱源側(cè)進(jìn)口溫度；Msource為主機(jī)熱源側(cè)流量；Cp，source為熱源側(cè)溶液比熱容；Tload，out為主機(jī)負(fù)荷側(cè)出口溫度；Tload，in為主機(jī)負(fù)荷側(cè)進(jìn)口溫度；Mload為主機(jī)負(fù)荷側(cè)流量；Cp，load為負(fù)荷側(cè)溶液比熱容。

2.2 電鍋爐

電鍋爐具有熱效率高、安裝簡(jiǎn)單、控制靈活、維修更換方便、節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)的供熱模塊。電鍋爐將電能轉(zhuǎn)化為熱能的數(shù)學(xué)模型如式（14）所示，電鍋爐所需用電功率滿足式（15）要求。

式中：HEB（t）為t時(shí)段電鍋爐制熱功率；PEB（t）為t時(shí)段電鍋爐所需用電功率；COPEB為電鍋爐電熱轉(zhuǎn)換效率；PEB，max、PEB，min為電鍋爐制熱電功率上下限。

2.3 磁懸浮冷水機(jī)組

與傳統(tǒng)離心式冷水主機(jī)相比，磁懸浮冷水主機(jī)具有效率高、調(diào)節(jié)范圍廣、部分負(fù)荷下效率高于額定工況等優(yōu)點(diǎn)。以冷機(jī)冷凍水出水溫度與冷卻水進(jìn)水溫度的溫差和冷機(jī)制冷量為自變量，以冷機(jī)能耗為因變量，構(gòu)建冷機(jī)能耗的數(shù)學(xué)模型，如式（16）所示，冷機(jī)能耗滿足式（17）要求。

式中：Pch（t）為t時(shí)段冷機(jī)能耗；a0、a1、a2、a3、a4和a5均為系數(shù)；Q為冷機(jī)制冷量；Two為冷機(jī)冷凍水出水溫度；Tci為冷卻水進(jìn)水溫度；Pch，max和Pch，min為冷機(jī)制冷電功率上下限。

3 數(shù)字模型在實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

某工業(yè)園區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)以地源熱泵、蓄熱式電鍋爐為主熱源，供暖期間采用外部電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)來(lái)滿足電力需求。為了滿足供熱需求，該工業(yè)園區(qū)構(gòu)建一個(gè)集中能源站，其中包括螺桿式地源熱泵主機(jī)和蓄熱式電鍋爐。系統(tǒng)可以產(chǎn)生空調(diào)熱水并將其輸送到各個(gè)樓宇。為了提供更好的供熱效果，使用風(fēng)機(jī)盤(pán)管。該系統(tǒng)的供能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)包含多個(gè)熱源，每個(gè)熱源都設(shè)定空調(diào)熱水的目標(biāo)溫度。熱水通過(guò)分水器供給各個(gè)樓宇進(jìn)行供熱，樓宇使用后，空調(diào)熱水溫度會(huì)降低，它通過(guò)回水管道返回集水器，在那里與其他回水混合。利用式（18），可以計(jì)算每個(gè)熱源的制熱量，其滿足式（19）要求。

式中：Qi為每個(gè)熱源的制熱量；cW、ρW分別為水的比熱容和密度；Fi為熱源i一次水泵的額定流量；Ts為空調(diào)熱水的目標(biāo)溫度；Tr為回水混合水溫度；Qi，max和Qi，min是熱源i制熱功率上下限。

依據(jù)式（18）的制熱量計(jì)算方法，熱源j和熱源k所供熱量的比例與它們各自一次水泵的流量存在關(guān)系，如式（20）所示。供暖期系統(tǒng)t時(shí)刻一次空調(diào)水泵總流量FtH采用式（21）進(jìn)行計(jì)算。空調(diào)熱水流量分配示意圖如圖3所示。

式中：Qj、Qk分別為熱源j和熱源k的制熱量；Fj、Fk分別為熱源j和熱源k的一次水泵流量；FtH為供暖期系統(tǒng)t時(shí)刻一次空調(diào)水泵總流量；F HP、F AWP分別為地源熱泵一次水泵和蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)空調(diào)熱水泵的額定流量；N HP為地源熱泵主機(jī)個(gè)數(shù)；N AWP為蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)空調(diào)熱水泵個(gè)數(shù)；Ut，iHP、Ut，iAWP分別為t時(shí)刻第i臺(tái)地源熱泵和空調(diào)熱水泵的運(yùn)行狀態(tài)。這些變量采用二進(jìn)制表示，取值為1或0。當(dāng)設(shè)備工況處于啟動(dòng)與執(zhí)行狀態(tài)時(shí)，取值為1，而關(guān)閉與不執(zhí)行狀態(tài)取值為0。

根據(jù)蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的特性，可以通過(guò)計(jì)算空調(diào)熱水流量、系統(tǒng)總空調(diào)熱水流量等參數(shù)，得到供熱功率，如式（22）所示。該系統(tǒng)的供熱功率由電鍋爐供熱功率和蓄熱水箱供熱功率組成，如式（23）所示。

式中：QtB，WT，H為系統(tǒng)供熱功率；LtH為空調(diào)熱水流量；FH為系統(tǒng)總空調(diào)熱水流量；QtB，H為電鍋爐的供熱功率；QtWT，H為蓄熱水箱的供熱功率。

承壓電鍋爐的能源輸出功率由供熱功率、供熱水功率和蓄熱功率組成，如式（24）所示，同時(shí)相關(guān)參數(shù)滿足式（25）、式（26）、式（27）和式（28）要求。每個(gè)主機(jī)的啟動(dòng)功率相同，不會(huì)超過(guò)運(yùn)行功率的上限。值得注意的是，承壓電鍋爐和儲(chǔ)熱水箱不能同時(shí)操作，它們遵循特定的電鍋爐啟停次序要求。

式中：Q Bt，i、Q Bt， j分別為t時(shí)刻第i臺(tái)、第j臺(tái)電鍋爐供能功率；QtB，H、QtB，HW、QtB，S分別為電鍋爐機(jī)組供熱功率、供熱水功率、蓄熱功率；QiB為電鍋爐單體供能功率上限；UtWT為蓄熱水箱供能標(biāo)志（采用二進(jìn)制表示，取值為1或0）；U Bt，i、U Bt， j、U Bt，i+1分別為t時(shí)刻第i臺(tái)、第j臺(tái)、第i+1臺(tái)電鍋爐啟停狀態(tài)（采用二進(jìn)制表示，取值為1或0）；N B為承壓電鍋爐個(gè)數(shù)；ΩB為承壓電鍋爐主機(jī)的集合。

電鍋爐機(jī)組耗電功率采用式（29）計(jì)算，蓄熱水箱蓄熱量采用式（30）計(jì)算，其滿足式（31）要求。水箱供能功率的約束條件如式（32）、式（33）和式（34）所示。

式中：PtB為電鍋爐機(jī)組耗電功率；ηB為電鍋爐熱效率；Pt，iB，WP為t時(shí)刻第i臺(tái)電鍋爐輸入電功率；WtHT為t時(shí)刻蓄熱水箱整體蓄熱量；εWT為蓄熱水箱熱損耗率；Wt-1WT、WtWT分別為t-1時(shí)刻、t時(shí)刻的水箱蓄熱量；QtWT，H、QtWT，HW分別為蓄熱水箱供熱、供熱水功率；WWT、WWT為水箱蓄熱量上下限；QtB，S為電鍋爐機(jī)組蓄熱功率；Δt為蓄熱水箱調(diào)度時(shí)段區(qū)間長(zhǎng)度；QWT，H、QWT，HW、QWT分別為蓄熱水箱供熱功率、供熱水功率、整體供能功率的上限；NWT為蓄熱水箱臺(tái)數(shù)。

4 結(jié)論

在碳達(dá)峰碳中和背景下，工業(yè)園區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)輸入能源的主要形式為電能，而熱主要集中在末端，因此熱能顯得更為珍貴。通過(guò)蓄冷蓄熱技術(shù)收集系統(tǒng)的全年余熱，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)零碳排放的重要手段。此外，儲(chǔ)熱比儲(chǔ)電更便宜，經(jīng)濟(jì)效益更好，中央空調(diào)蓄冷蓄熱應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)變得非常廣泛，它成為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的必要補(bǔ)充。研究表明，工業(yè)園區(qū)建立中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備單元的蓄冷蓄熱數(shù)字模型，并將數(shù)字模型應(yīng)用于實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)模型理論到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，確保園區(qū)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高園區(qū)綜合能源利用效率。

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收稿日期：2024-01-05

作者簡(jiǎn)介：唐旺（1985—），男，湖南株洲人，碩士，工程師。研究方向：綜合能源技術(shù)。