基于TRNSYS的多热源复合式供热系统经济性研究★

赵 攀 张翼飞 郭佳昌 王松庆

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

近年来，能源问题一直是人们密切关注的话题，常规能源日益枯竭，能源形势愈发严峻，在这样的背景下，如何提高能源效率，改善能源结构已成为当前研究的重中之重。在我国，随着人们生活水平的不断提高，供暖的需求也在不断的增大，现有的热网集中供暖方式无法满足供暖需求的现象普遍存在；人们逐渐把眼光从单一热源形式供热转移到了多热源复合式供热，在原来以不可再生能源为基础的能源结构中，综合利用两类或几类可再生能源、新能源，消除使用单一能源带来的不利因素，发挥每种能源各自的优势以提高能源利用效率，改善能源结构[1-3]。本文以瞬时仿真模拟软件TRNSYS为平台，构建了一套由太阳能、土壤源热泵、热网三种热源组成的多热源复合式供热系统，结合目前我国实行峰谷电价的政策，本文提出了峰谷电价比的概念，即波峰电价与波谷电价的比值，研究不同的能源配比下，基于不同峰谷电价比，系统所能达到的经济性，以期为实际工程提供一些参考。

2 多热源复合式供热系统的构建

2.1 系统设计

本文以哈尔滨市某小区一栋单体住宅建筑为研究案例，该建筑共8层，建筑总面积为8 942.4 m2。供热时间为每年的10月20日至次年的4月20日。房间的供暖设计温度为18 ℃，通风换气次数为0.5次/h。末端散热设备采用辐射地板，根据JGJ 142—2012辐射供暖供冷技术规程，取辐射地板的供水温度为45 ℃、回水温度38 ℃。通过TRNSYS模拟出该建筑全年的动态负荷，全年最大热负荷为360.8 kW,全年累计热负荷为2 992.62 GJ。

2.1.1太阳能集热系统

系统采用平板型集热器，其面积由下式确定：

其中，Q为建筑日均耗热量；f为太阳能保证率，具体数值参考GB 50495—2009太阳能供热采暖工程技术规范；Jt为供暖期日均太阳辐射照量；ηcd为太阳能集热器的平均集热效率；ηL为管路及储热装置的热损失率。通过计算，太阳能集热器的面积定为750 m2。

2.1.2蓄热水箱

关于不同类型太阳能系统所匹配的蓄热水箱容积范围，江辉民等人的研究[4]已给出了参考，结合太阳能集热器的面积，初步确定蓄热水箱的容积为100 m3。

2.1.3土壤源热泵系统

地埋管换热器采用单U型管，并联同程式连接，关于地埋管换热器的主要相关参数，具体通过参考《地源热泵工程技术指南》，并结合工程实践确定。

2.1.4热网系统

热网模型采用锅炉+板式换热器的形式，为简化系统，由于本文模拟中只采纳热网热水流量和热水温度，因此选用电加热器来替代锅炉[5]，系统的流量通过控制器控制的分水器调节其流出支路的流量比例确定。

2.1.5其他方面

太阳能系统和土壤源热泵系统连接方式主要有串联、并联、交替连接，其中，根据源测回水流经地埋管换热器和太阳能集热器的顺序不同，串联连接又分为两种[6]。有关研究表明，太阳能系统和土壤源热泵系统串联连接要比并联连接效率更高[7,8]，而且，当采用串联连接时，源测回水先流经地埋管换热器要比先流经太阳能集热器更节能，热泵机组的COP和地埋管总换热量均较高，可以更加合理地利用太阳能，节省更多的电能[9]。因此本文选择采用源测回水先流经地埋管换热器再流经太阳能集热器的串联连接方式。

2.2 控制策略

本文构建的多热源复合式供热系统通过热网系统以及由土壤源热泵系统和太阳能系统耦合成的太阳能—土壤源热泵系统共同为建筑供热。这两个系统通过分水器和集水器与末端采暖设备辐射地板进行连接，通过调节热泵开启的数量以及由控制器2和3控制分、集水器的各个管路流量的比例，进而控制热泵系统在整个供热系统供热量的比例。控制器1和采暖期模块联合工作，控制整个系统各循环水泵的运行。太阳能集热器侧的循环水泵和蓄热水箱采用温差控制器控制，其实现的功能是：当太阳能集热器的出口温度与蓄热水箱内的温度差小于关闭温差ΔTL时，循环热泵1停止运行；当太阳能集热器出口温度与蓄热水箱内的温度差大于开启温差ΔTH时，循环水泵1开启。西华大学的研究结果[10]表明：温差控制为太阳能集热器运行的最佳控制方式。它能使热泵机组保持很高的能效比，最大程度地减少系统全年能耗，并且能使系统常年运行后土壤周围的温度得到很好的恢复。

3 仿真模拟及结果分析

3.1 仿真模拟

根据前文的设计思路，构建的仿真模型如图1所示。

为了研究不同能源配比下，系统所能达到的经济性，本文共设置了五种工况，具体情况如表1所示。

表1 多热源复合式供热系统运行工况设定

通过对五种不同工况的运行模式分别进行模拟，模拟系统运行一年的能耗情况，得出各工况运行结果如表2所示。

表2 不同工况运行模式下仿真模拟的结果 kW

3.2 结果分析

本文以目前黑龙江省物价监督管理局发布的峰谷电价标准为依据[11]，波峰电价0.585 8元/kWh,波谷电价0.326 3元/kWh，计算系统在五种不同工况的运行模式下运行一年所需的费用。同时对整个系统所需的初投资进行估算，以工况一的运行模式为例，如表3所示。

表3 工况一的运行模式下系统所需的初投资费用

仅从初投资和年运行费用方面考虑，还难以分析出系统在哪种工况的运行模式下经济性最优，因此考虑采用了费用现值[12]这一指标。假设该系统的寿命期为25年，折现率取8%，计算该系统的费用现值，综合各经济指标所得的结果如图2所示。

从图中可以看出，该系统随着热泵设计负荷占比的增加，热泵机组的台数也在不断增多，故初投资也在不断的增长。系统的年运行费用呈现逐步降低的趋势，这也恰恰体现了热泵的节能特性。但是也可以看到，工况五的运行模式下的年运行费用与工况四相差无几，甚至还要略高，分析其原因，是因为此时热泵机组的COP处在较低的值，运行热泵所需的电量大大增加，从而导致运行费用的增加。从费用现值上来看，在工况三的运行模式下，系统的费用现值最低，为258.01万元，也就是说，以工况三的运行模式运行，系统具有最佳的经济性。

现如今，我国各主要城市的峰谷电价比呈现不断拉大的趋势，一方面为了缓解高峰期电力紧张、供需不平衡的现象，另一方面国家提倡北方城市多采用电采暖，实现冬季清洁供热，其中如北京、天津以及河北省部分城市已经大面积推广。本文对哈尔滨市未来的峰谷电价进行合理预测，预测0.585 8/0.254 2元/kWh,0.585 8/0.186 8元/kWh这两种峰谷电价，即当峰谷电价比达到2倍和3倍以上时，分析该系统运行的经济性。预测的依据是根据电价形成机制，电价是由政府根据各地具体情况制定出来的，一般正常的电价是不会有太大的调整，而政府为了鼓励居民多用波谷电，所以夜晚的波谷电价一般可以有较大范围的上调或下浮。

基于预测的两种峰谷电价，系统运行一年各项经济指标如图3，图4所示。

从图3，图4的结果可以看出，系统的年运行费用仍是呈现出不断降低的趋势，且趋势愈加稳定。从费用现值上来看，依旧是工况三的运行模式下，费用现值最低，即当系统中太阳能—土壤源热泵承担55%的负荷，热网系统承担45%的负荷时，系统的经济性最优。

4 结语

通过本文的研究，可以发现，针对本文建立的多热源复合式供热系统，基于三种不同的峰谷电价比，当太阳能—土壤源热泵的设计负荷占55%，热网的设计负荷占45%时，系统均具有较优的经济性。这为实际工程中采用由太阳能—土壤源热泵和热网组成的多热源复合式系统供热提供了一定的参考。