小型能源总线系统全年动态热力性能仿真分析

王培培龙惟定

(1同济大学机械与能源工程学院 上海 200092;2同济大学中德工程学院 上海 200092)

小型能源总线系统全年动态热力性能仿真分析

王培培1龙惟定2

(1同济大学机械与能源工程学院 上海 200092;2同济大学中德工程学院 上海 200092)

能源总线系统是集成化规模化应用区域内的可再生能源及未利用能源的低碳区域能源系统。本文以TRNSYS为仿真平台，构建基于浅层地热能利用的土壤源与地表水源集成形式的能源总线系统各个部件的理论模型，对系统进行全年变工况动态逐时仿真研究，计算小型能源总线系统应用于金茂崇明低碳实验社区的全年逐时热力性能。研究结果表明，能源总线系统的全年系统综合热力性能系数达3.5，而常规方案的系统综合热力性能系数均小于1.5，节能率和减碳率均大于20%，实现了可再生能源利用与能量回收综合效益。

能源规划；能源总线系统；热泵；系统仿真；浅层地热能

气候变暖是全球共同面临的急迫挑战之一。国务院通过十二五控制温室气体排放方案，到2015年实现单位国内生产总值二氧化碳排放比2010年下降17%的目标。控制CO2排放涉及各行各业，在建设领域，低碳城市和低碳社区近年来逐渐成为规划设计的关注点，全球各地已出现了不少低碳社区或碳中和社区，典型的有英国的贝丁顿(BedZED)[1－3]、德国的弗班区(Vauban District)[4]、瑞典的韦克舍(Vaxjo)[5－6]、阿联酋的马斯达尔城(Masdar)[7－8]等。不同的自然条件和国情让我们在学习外国的同时又要发掘适合我国的低碳之路。

实现低碳的途径之一就是节能。在建筑能耗中，空调能耗约占2/3左右，占总能耗的22%左右。我国气候区域分布较广，对供冷供热都有较大需求。虽然在我国南方地区没有集中供热系统，但是供热需求是一直存在的。在建设低碳城市低碳社区及满足人民生活水平的要求下，采用低碳节能的区域供冷供热能源系统是最为重要的。目前，区域供冷或者区域供冷供热系统在法国、瑞典、日本等很多发达国家技术已经十分成熟；在中国，北方区域集中供热技术应用广泛，但是区域供冷或者区域供冷供热系统仍然处在摸索阶段，并且由于一些示范案例的冷价过高导致区域供冷技术的适应性问题在学术上存在分歧[9]。

能源总线系统是一种集成化规模化应用区域内的可再生能源及未利用能源的低碳区域供冷供热能源系统[10－11]。能源总线系统半集中的末端系统形式不但可以规避区域供冷系统末端负荷率低导致的系统能效降低的问题，还可以在区域级别上集成应用多种天然冷热源，同时回收热量，提高系统能效比。

本文以金茂崇明低碳实验社区中的运动会所为研究对象，在Trnsys平台上，对系统各个部件进行建模，搭建基于浅层地热能利用的土壤源与地表水源集成形式的小型能源总线系统，分析系统全年动态综合热力性能，为建设具有示范意义的低碳社区能源样板工程提供技术支撑。

1 小型能源总线系统

系统集成应用浅层地表蓄热能，地表水等低品位能源，末端采用热泵技术进行能源品位的提升，对建筑进行冷热能源供应。小型能源总线系统图见图1。

图1 小型能源总线系统图Fig·1 SchematiCdiagramof the small energy bus system

2 模型建立

2·1 建筑负荷模型

示范建筑位于崇明岛，功能为运动会所。运动会所服务于基地南侧的运动场地，地上建筑面积8371.45 m2，大部分3层，局部5层。主要为会员服务区、行政办公、餐厅、包房等。地下一层，建筑面积2838.45 m2，包括球车库、员工餐厅、员工更衣室、食品库房、设备用房等。

使用eQUEST软件对示范建筑进行物理建模，进行全年逐时空调冷热负荷及生活热水负荷分析，模拟结果见图3。

图2 示范建筑模型图Fig·2 Model diagramof the demonstration building

图3 示范建筑全年逐时负荷分布图Fig·3 The demonstration building annual hourly load curve

2·2 能源总线系统末端设备模型

能源总线系统中末端设备与总线热量交换，对末端设备建模，以用于系统仿真分析。本研究中末端设备主要涉及有两种，一是用于制冷制热的水冷变制冷剂流量机组，二是用于生活热水制备的水-水热泵机组。在建立末端设备模型时，既要考虑符合设备自身热力性能，又要与能源总线系统相匹配。

1)水冷VRF

通过分析水冷VRF机组热力性能测试数据，得到机组能效比COP与自变量负荷Q、水源侧进水温度tin、流量 G的相关性模型，选择一个基准状态(tin0、G0、Q0)，使数据无量纲化。

以某厂水冷多联机组的数据进行回归分析，结果见表1。a、b、c、d、e为回归系数，R2为拟合优度判定系数。

表1 水冷VRF模型回归结果Tab·1 The regression results of water-cooled VRFmodel

由水冷VRF机组数据分析可知:流量对机组性能的影响远小于进水温度与负荷率对机组性能的影响。因此，在系统配置设定参数的时候，不可为了提升机组性能系数而采用加大流量的方式，这样会大幅度增加输送能耗，反而得不偿失会造成系统总体能耗增加。

2)水-水热泵

通过分析水-水热泵机组热力性能测试数据，得到机组负荷Q、功率W、能效比COP与自变量水源侧进水温度tsin、水源侧流量Gs、负荷侧进水温度Tlin、负荷侧流量 Gls的相关性模型，选择一个基准状态(tsin0、Tlin0、Gs0、Gls0)，使数据无量纲化。

式中:Y代表因变量负荷Q、功率W和能效比COP；a、b、c、d、e为回归系数；R2为拟合优度判定系数。以某厂机组的数据进行回归分析，结果见表2。

2·3 能源总线系统源侧模型

1)土壤埋管换热模型

地埋管换热器的传热模型分析属于多孔介质中的传热传质问题，影响因素较多，包括地下水的渗流作用、回填材料的性能、岩土体热物性的变化以及传热过程涉及的时间尺度很长，至少为数月或者数年。地埋管换热器的模型据不完全统计约有30种[12]。其中的理论解主要为基于无线长线热源模型或者基于无线长圆柱面热源模型。数值解主要是有限差分法、有限元法等数值分析方法。

表2 水-水热泵模型回归结果Tab·2 The regression results of water-to-water heat pumPmodel

《地源热泵系统工程技术规范》(Technical code for ground-source heat pumPsystem)——hnical code f中推荐地埋管换热器的计算核心为瑞典隆德大学开发的g-functions[13－14]算法。该模型假定钻孔均匀的分布在地下一个虚拟的圆柱体内，U型管内是对流形式换热，钻孔与圆柱体间是导热形式换热。周围土壤温度分布通过三个部分计算获得，一个全局解，一个局部解，一个稳流解。全局解和局部解用有限差分法获得，稳流解用解析方法得到。最后整体的土壤温度场用叠加的方法得到。土壤埋管的模型使用TRNSYS中的模型。这也是规范推荐使用的模型之一。

2)地表水源换热模型

地表水源通过选用的管壳式换热器作为间接换热器，与总线进行热量交换。总线水流经壳程，河水流经管程。

其中最重要的模型为地表水温度模型。能源总线系统中，地表水温模型分两部分:1)地表水自然水温预测模型；2)系统运行时水温的变化模型。流动水体流速较快，无明显热分层现象，竖向水温分布均匀，江河水属于流动水体。

文献[15]中对黄浦江水温实施了连续实测(2006年6月—2006年7月)，对室外空气干湿球温度进行了同步测试。实测结果表明:水温的日较差相比气温很小，变化幅度在1℃以内，稳定性好，利于末端机组可靠运行。一年中，水温日均值在6.4～32.1℃之间变化。

能源系统能耗计算应该按照逐时数据进行计算，这样的计算才能正确的对不同性质的冷热源进行性能对比分析。月平均气温与江水温度呈现显著的线性关系，但逐时气温与水温线性相关性差，不能用月平均值替代逐时值进行计算。由于江水温度日差较小，加上逐时水温资料获取困难，可用江水日均值替代江水温度逐时值，空气温度采用逐时值进行计算。

3)辅助加热模型

当总线水的温度低于某一设定值时，进行补热。本研究设定总线水最低水温为10℃，不足时用燃气热水炉作为辅助加热器进行补热。

3 系统设计方案

1)总设计方案

系统采用土壤源热泵和地表水源热泵复合式能源总线系统，冬季热负荷由土壤源埋管承担，夏季负荷由土壤源与地表水源共同承担，以平衡土壤源冷热量，保持土壤温度全年平衡。

能源总线系统由于采用低品位能源与可再生能源，决定了能源总线系统设计的特殊性。负荷特性(包括负荷大小、整体趋势的舒缓、高峰期维持的时间等方面)对于低品位能源与可再生能源的性能有重要的影响，因此能源总线系统设计不仅要考虑最大容量时刻的负荷匹配，也要考虑源侧性能衰减，以确保系统匹配负荷的能力不会随着时间而衰减导致无法满足用户要求。能源总线系统的设计采用长时间逐时仿真进行，与采用静态的经验值或者最大值设计计算相对比，能更好的保证系统对负荷的匹配效果。

2)系统主要组件设计参数及容量配置

地埋管换热器采用单U型埋管，深度为100 m，孔间距取为5 m，换热器选用管材为PE100聚乙烯，规格为DN32。最大设计热负荷(空调热负荷＋热水负荷)是532 kW，总线侧设计温差为3℃，设计总流量为114 m3/h。

U型埋管内设计流速按照《地源热泵系统工程技术规范》(Technical code for ground-source heat pumPsystem)——hnical code f规定，单 U埋管流速选取0.6 m/s，单管内设计流量为1.277 m3/h，即1277 kg/ h，钻孔89个。总埋管面积为2231 m2。

按照上海市地矿工程勘察院对研究对象运动会所当地的现场勘察以及热响应测试，当地的0～100 m深度范围岩土体的综合导热系数为1.834W/(m· K)，热容量取2016 kJ/(m3·K)，初始地表温度为20℃。

根据《暖通空调气象资料集》，崇明地区冬季空气调节室外计算(干球)温度取－4℃。进水温度设定5℃。

峰值生活热水为300 kW，选择3台水-水热泵机组提供生活热水。水-水热泵热水机组按照最小进水温度10℃考虑，当进水温度小于10℃时，开启辅助加热器加热至10℃。单台机组设计工况下水源侧流量为17 m3/h，负荷侧流量为20.4 m3/h，制热量为116 kW，功率为35.4 kW，COP为3.3。

夏季工况进行空调机组配置，制冷总量为664 kW，制热总量为747 kW，选择9台水源VRF机组，机组最小容量控制8%。冬季制热工况单台机组流量7 m3/h，夏季热冷工况单台机组流量为17.31 m3/h。

地表水源部分需要承担的建筑冷负荷是142 kW，水-水换热系数为900～1800W/(m2·K)，管壳式换热器流量设计是35 m3/h。

4 模拟分析

1)运行方式和控制策略

总线水整体变流量运行，根据末端设备投入的台数进行控制。热水机组与空调机组并联运行，地源侧整体变流量运行，热水机组源侧流量与空调机组源侧流量在机组开机时段内，各自定流量运行。

热水机组源侧定流量运行，热水容量由运行的热泵台数与运行时间控制。选择储水罐供水，热水器将热水送至热水罐，热水罐储水后送至末端用户。模拟过程中，累计热水负荷侧供应热量与机组定流量运行提供热量比较值为控制参数，控制热泵热水机组启停，同时任何时刻均保证供水温度均大于50℃。

土壤源换热器和地表水源换热器并联运行。当河水温度与地表水源换热器源侧进水温差小于2℃时，关闭地表水源换热器，并加大土壤源换热器源侧流量。

2)仿真结果

机组运行时间设定为每天9:00～22:00，系统运行期间，总线内的水温以及总线水与各个源之间的换热量都随着时间发生着变化，见图4和图5。

能源总线系统由于水温和换热量的不断变化，系统末端机组的实际运行工况与名义工况差别较大，因此需要全年系统能耗指标来反映实际运行中的能耗情况。定义能源总线系统全年系统能效比COPEBSy和全年一次能源利用率EEBSy。COPEBSy＝(全年总供热量＋全年总供冷量)/(主机全年耗功＋输送系统全年耗功＋辅助热源加热量)；EEBSy＝(全年总供热量＋全年总供冷量)/系统全年消耗的一次能耗:

式中:∑Q为全年总供热量与总供冷量之和，kWh；∑Pi为全年总耗电量，kWh；η1为发电效率，火力发电取35%[16]；η2为输配电效率，取90%；Nj为燃气或煤消耗量，m3或者kg；Qdwj为燃气或煤的地位发热值，kJ/m3或者kJ/kg。

图4 总线水温全年逐时变化Fig·4 Changes of energy bus annual hourly water temperature

图5 总线水与多源之间热量交换Fig·5 The heat exchange between energy water and multi-sources

小型能源总线系统全年逐时功耗模拟结果见图6，全年系统能耗分布图见图7。

3)仿真结果分析

对比能源总线系统与常规系统的热力性能，可得到相对节能率与减碳率。对比方案选择两种:1)冷水机组夏季制冷，冬季燃气锅炉制热，生活热水由燃气锅炉制备；2)风冷热泵夏季制冷和冬季制热，生活热水燃气锅炉制备。

表3 节能量和减碳量计算表Tab·3 Calculation table of energy saving and carbon reduction quantity

图6 系统全年逐时总耗电量变化Fig·6 Changes of systemannual hourly total power consumption

冷水机组制冷系统季节COP取5.0，燃气锅炉制热COP取0.9，风冷热泵系统COP取3.0，则可计算出对比方案1的全年系统能效比COPEBSy为1.3，方案2的全年系统能效比COPEBSy为1.4。

减碳率的计算中，选取天然气电厂发电效率55%，电网输送效率90%[17]，天然气碳排放系数根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》取0.202 kg/ (kWh)[18]。

图7 系统全年总能耗分布图Fig·7 Distribution chart of systemannual total energy consumption

5 结论

低碳社区能源系统的选择规划对社区建筑能耗以及碳排放量至关重要。在社区层面集成应用可再生能源及未利用能源，注重热量回收，优化区域能源系统能级匹配。能源总线系统能有效的集成各项技术，提高能源利用效率，实现能源的阶梯利用，热量回收利用。能源总线系统在区域级别相比分散式系统和集中供冷供热更具有灵活性、扩展性、节能性。通过对应用于金茂崇明低碳实验社区的小型能源总线系统进行仿真分析，能源总线系统全年一次能源利用率1.1，全年系统能效比达3.4，对比常规能源系统的1.3，能源总线系统有可观的节能量和减排量。

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About the corresponding author

Wang Peipei，female，Ph.D.，School of Mechanical Engineering，Tongji University，＋86 13916459060，E-mail:wwwangwangaaa＠163.com.Research fields:district energy planning，low carbon building and energy-saving building.

Numerical Analyses on DynamiCThermal Performance of Small Energy Bus System

Wang Peipei1LongWeiding2

(1.School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai，200092，China；2.College of Engineering in Germany，Tongji University，Shanghai，200092，China)

The energy bus systemisAlow carbon thermal energy systemthat can make integration of renewable energy sources or untapped energy sources for district heating and cooling.A small energy bus systemwas constructed by combining ground soil and surface water as low grade energy.Themodels of components in the systemwere developed according to theoretical analyses and test data ofmanufacturer，and the whole systemwas constructed by connecting various components on TRNSYS platform.The hourly and annual thermal performance of the systemwas simulated when it was applied to the Jinmao Chong Ming low-carbon experiment community.The result shows that the annual thermal coefficientof performance of the systemis3.5，while the thermal coefficientof performance for conventional systems is less than 1.5.Both energy saving rate and carbon reduction rate of the systemaremore than 20%.It can be seen that comprehensive benefits of renewable energy use and energy recovery are achieved in energy bus system.

energy planning；energy bus system；heat pump；systemsimulation；shallow geothermal energy

TU831；TQ051.5；TP391.9

A

0253－4339(2015)02－0059－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.059

简介

王培培，女，博士，同济大学机械与能源工程学院，13916459060，E-mail:wwwangwangaaa＠163.com。研究方向:区域能源规划及低碳节能建筑。

2014年6月23日