郭忠平，赵晓丹，任建花，张肖虎

(1.太原三剑自动化技术有限公司,山西 太原 030006; 2.山西五建集团有限公司,山西 太原 030013)

地源热泵所使用的地热能因其良好的稳定性和环境友好性将会是清洁能源开发的主要目标之一,但地源热泵系统作为单一热源容易出现热平衡失调等问题,影响系统工作效率。天然气因其储量大,洁净环保等优点可以作为辅助热源的首选,降低地热能利用过程中产生的热不平衡性。因此,地源热泵与燃气锅炉耦合供暖系统可以形成优势互补,并且较好解决单个热源供暖存在的问题,提高整个供暖系统的运行效率。

在双热源耦合供暖系统中,不同热源的容量配比参数设置会对系统的整体运行效率产生影响,是现有研究关注的重要方向之一[1]。由于建筑峰值负荷出现时间较短,如果单纯依据峰值负荷进行机组容量设计会造成机组功率放大,产生不必要的能源浪费[2-3]。所以在设计初期应该参考建筑逐时负荷,灵活调整热源机组的数量并提供多种热源装机容量搭配方案,合理分配热源承担的热负荷比例[4-5]。针对供热系统装机容量的合理配置以及热负荷恰当分配的问题,部分学者进行了研究,建立了便于优化以电、热、冷和燃料流量为特征的复杂能源网络的负荷分配数学模型[6]。目前,对于热源容量配比的研究相对有限,主要集中在理论数学模型的提出阶段,且计算方法较为复杂,对不同实体建筑供暖方案中热源容量配比的具体推荐值以及简单计算方法研究较少。

本文根据太原市的气象参数和地理位置参数,针对某高校内图书馆,依托TRNSYS模拟平台搭建了一套地源热泵与燃气锅炉耦合供暖系统模型。综合考虑对双热源耦合供暖系统运行效率的影响因素,改变两种热源承担的热负荷比例,对比系统经济效益选择出最佳的系统方案,为之后类似建筑的设计提供参考。

1 工程案例

1.1 项目概况

本文以太原市某高校图书馆为研究对象,建筑供热面积为70 510 m2,共15层,主要由阅览室、会议室、活动中心构成。太原市属于寒冷地区,冬季供暖期为冬季11月1日到次年3月31日,共150 d左右。图书馆末端形式采用地板辐射采暖,日间设计供暖水温度为45 ℃,回水温度为40 ℃,供回水温差为5 ℃,夜间设计供暖水温度为5 ℃,达到管道防冻效果。

1.2 建筑负荷模拟计算

依据GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范和GB 50176—93民用建筑热工设计规范对建筑围护结构的参数进行设置,具体参数设置见表1。采用TRNBuild软件对其进行建模和动态负荷模拟计算。

表1 建筑围护结构具体参数

动态逐时负荷模拟计算结果如图1所示,峰值负荷出现在12月中旬,约为5 000 kW。最低负荷出现在3月中旬,约为500 kW,仅为峰值负荷的10%左右。

2 系统设计

2.1 系统原理及控制策略

本文以地源热泵机组作为供暖系统的主要热源,配置燃气锅炉作为辅助热源,整个系统示意如图2所示。建筑的热负荷由地源热泵机组与燃气锅炉共同承担,根据不同的启停控制策略对燃气锅炉进行控制。具体的启停控制策略如下:

1)根据建筑的逐时负荷进行控制,当逐时负荷值高于地源热泵机组承担设计负荷时,锅炉侧水泵开启,燃气锅炉介入进行补热。当逐时负荷值低于地源热泵机组承担设计负荷时,锅炉侧水泵关闭,燃气锅炉停止补热。

2)根据储水水箱顶层温度进行控制。当储水水箱顶层温度低于设计供水温度45 ℃时,锅炉侧水泵开启,燃气锅炉介入进行补热。当储水水箱顶层温度高于设计供水温度45 ℃时,锅炉侧水泵关闭,燃气锅炉停止补热。

2.2 模拟计算工况

由于热源的运行费用以及初投资均有差异,所以不同的容量配比会产生不同的经济效益。以两种热源共同承担建筑需求负荷为目标,改变地源热泵机组承担的设计负荷比,依次计算热泵机组承担建筑热负荷比20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%七种工况。由于0 kW～500 kW区间内热负荷出现的小时数最多,在对热源机组进行选择时,以额定制热功率500 kW为梯度进行搭配组合,具体组合方案如表2所示。通过对比计算表2中15种工况下,方案1～方案6的经济效益,从而得到最优的热泵机组容量配比与最佳的系统运行方案。

表2 不同工况下的机组搭配组合方案

3 模拟结果分析

3.1 能效比SCOP

SCOP代表了整个供暖系统能源转化的效率,能效比越大,节能效果越好。不同运行方案下供暖系统的SCOP计算结果如图3所示。运行方案4,方案5下各个工况的SCOP较高,系统能源利用较为高效,而运行方案3下各个工况的SCOP较低,能源利用率较差。同一种运行方案下,从工况1到工况15,系统的SCOP值逐渐增加,且增加的速率逐渐减小,可以看出当地源热泵机组承担设计负荷比例逐渐增加时整个供暖系统的能效比也会随之增加,系统的节能效果也会更加明显。工况3、工况8、工况13中均采用了大机组搭配小机组的组合方式进行制热,额定功率较大的机组最后启动,机组的功率较高而建筑所需求的供热量较低,会使得整个系统的SCOP较低。所以针对建筑物所需求的供热量对热源机组进行合理的搭配组合会使得整个供暖系统具有良好的节能效果。

3.2 经济性分析

以太原市学校电价0.428元/(kW·h)、燃气费用2.93元/(N·m3)为标准,计算不同运行方案下供暖系统各个工况的年运行费用,结果如图4所示。通过对比系统各个工况在不同运行方案下年运行费用时得知,工况13,工况14年运行费用较低,分别为每年55.7万元和55.8万元,相较于使用运行方案3节省了39.1%和31.4%。可以看出,以水箱顶层温度作为燃气锅炉介入供暖系统的信号时具有良好的经济效益,热源机组采用变流量定温差的运行控制策略时具有较差的经济效益。

根据图5所示,随着地源热泵机组承担设计负荷比的增加,热泵机组部分的运行费用逐渐升高且变化速率逐渐降低,燃气费用逐渐降低且变化速率逐渐降低。在工况6中,系统在运行方案5下的运行费用突然升高,所以在选择机组组合时应该按照负荷区间划分选择合理的运行机组搭配方案,否则会大大增加机组的耗能。

单位供热量费用随着地源热泵机组承担的建筑负荷比的增加而逐渐减少。可以看出,在地源热泵机组承担的建筑热负荷比越多时,系统的年运行费用越少,地源热泵机组相对比燃气锅炉具有良好的经济效益。同时,在耦合系统中,当地源热泵机组承担建筑热负荷比例达到40%以上时,系统的节能效果就会大幅度下降。

4 结论

本研究中,针对太原地区某高校图书馆设计了一套双热源耦合的供暖系统,以地源热泵作为主要热源,燃气锅炉作为辅助热源进行供暖。利用TRNSYS软件对供暖系统进行建模,改变其不同热源承担的建筑热负荷比例和运行控制策略,分析不同工况下系统的能耗变化,利用净现值和费用现值等经济指标进行经济性评价,得到以下主要结论:

1)在地源热泵与燃气锅炉耦合供暖系统中,地源热泵系统具有良好的节能效果。当地源热泵机组承担的建筑热负荷比例越高,系统的年运行费用越低,供暖系统的SCOP值越高。2)在地源热泵与燃气锅炉耦合供暖系统中,对于热源容量配比设计方面,当地源热泵机组和燃气锅炉分别承担40%和60%建筑热负荷,同时采用变流量变温差的运行控制方式时,供暖系统经济性最具经济效益。此时,供暖系统年运行费用为73.7万元。全年减少二氧化碳排放2 461 t,减少氮氧化物排放37 t。