基于地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置研究

卢海勇 董彦军 李 津 张正文 祝金会

1.上海电力设计院有限公司

2.国网河北省电力有限公司

3.国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司

0 引言

随着人们对生活品质要求的提高，空调冷热负荷需求增大，空调的能耗也显得越来越突出，我国空调系统的能耗占总建筑能耗已超过30%[1]。21世纪地源热泵被称为一项最具发展前途的节能型供能技术[2]，同时地源热泵以地热为资源，具有绿色环保、污染小的特点。目前，地源热泵系统因投资大、占地面积大，供能建筑负荷波动大且供能时间短，导致地源热泵系统大部分时间处于闲置状态，经济性不理想，阻碍其推广应用。而蓄冷蓄热系统具有转移高峰冷热负荷、平衡峰谷差的功能[3]，与地源热泵系统进行合理耦合，可有效减少地源热泵系统的规模，充分利用电网低谷电，提升项目的经济性，同时辅以部分低投资天然气锅炉作为调峰，可进一步提高项目的经济性。因此，为了进一步推广地源热泵的应用，开展地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置研究非常有必要。本文以典型的民用地源热泵项目为例，阐述系统优化计算方法。基于地源热泵的多能利用方式耦合系统流程见图1。

图1 地源热泵的多能利用方式耦合系统流程图

1 优化配置流程

基于地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置研究主要根据冷热负荷需求和能源价格优化确定以下几个方面的内容：（1）地源热泵容量的选择；（2）蓄能装置的优化组合；（3）调峰系统的类型及容量；（4）结合能源价格和负荷需求的运行策略。由于地源热泵的多能利用方式耦合系统涉及冷热多种能源输出的耦合，以及多种能源利用方式的耦合，设备种类多。因此，地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置需要根据冷热负荷需求和能源价格体系，针对可能的系统配置方式和运行模式进行模拟分析计算。基于优化目标，分析比较得出最佳的系统配置与运行模式。地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置流程见图2。

图2 基于地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置流程图

2 优化配置模型

根据图1地源热泵的多能利用方式耦合系统流程图，对冷、热进行能量平衡分析，建立能量平衡模型和优化目标。

1）冷平衡：地源热泵供冷功率、冷水机组供冷功率和蓄能装置放冷功率之和去除蓄能装置蓄冷功率等于用户冷负荷需求功率；同时每天蓄能装置放冷量和每天热泵、冷水机组直接供冷量的总和应与用户每天冷负荷需求量平衡；此外，夜间蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡。

2）热平衡：地源热泵供热功率、天然气锅炉供热功率和蓄能装置放热功率之和去除蓄能装置蓄热功率等于用户热负荷需求功率；同时，每天蓄能装置放热量、每天热泵直接供热量和每天天然气锅炉供热量应与用户每天热负荷需求量平衡；此外，夜间蓄热量和白天放热量基本保持平衡。

3）天然气平衡：年天然气的总耗量等于年天然气锅炉耗量。

4）电平衡：年电力的总耗量等于冷水机组、热泵以及辅助系统在不同时段的耗电量之和。

5）优化目标：本文以度热（冷）成本最低为优化目标，采用动态成本计算方法[4]计算度热（冷）成本，在供能的整个寿命期内把供能过程中发生的全部费用在整个寿命期内进行平均分摊，计算公式如下：

其中：

C——度热（冷）成本，元/kWh

N——年供热（冷）量，kWh

M——年维护费用，元

O——年运营费用，元；根据年天然气和电消耗总量进行计算。

I——项目初始投资，元

n——寿命期，年

m——贴现率

CRF——将初始投资折为等年值的系数因子。

地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置时，首先基于分析的冷热负荷，初步确定几种可能的配置方案；其次建立能量平衡模型，然后结合初步配置方案和运行方式分析固定投资和运行成本，最后以度热（冷）成本最低对不同配置方案进行比较评价选择最优配置方案。

3 工程案例

3.1 案例概况

以上海某100 000 m2商务办公楼为例，针对商务办公楼的冷热电能源需求，为其量身打造基于地源热泵的多能利用方式耦合系统的供能方式，典型日负荷曲线见图3和图4。

图3 典型日逐时热负荷曲线

图4 典型日逐时冷负荷曲线

根据典型日负荷分析，最大冷负荷为8.5MW，最大热负荷为6MW。

3.2 地源热泵与蓄能耦合分析

根据3.1节冷热负状况分析，结合冷热平衡，地源热泵与蓄能耦合系统初步拟选五个配置方案，见表1。

对不同配置方案的冷热综合供能成本分析，不同方案的供能成本见图5。方案1没有配置蓄能装置，综合供能成本0.535元/kWh；方案5按全蓄供热和部分蓄供冷，综合供能成本0.47元/kWh；方案2、方案3和方案4的典型日热泵蓄热供热占比分别为30%、40%和50%，相应的综合供能成本分别为0.365元/kWh、0.354元/kWh和0.359元/kWh。由图5可见，配置有蓄能的供能系统，供能成本均有所降低，可降低34%的供能成本，方案3综合供能成本最低，仅为0.354元/kWh，典型日热泵蓄热供热占比40%，由于方案3地源热泵晚上全部开启蓄热，高投资地源热泵配置最小且得到充分利用。因此，对于上海地区商务办公楼，典型日热泵蓄热供热占比40%左右时，地源热泵与蓄能耦合系统供能成本相对最低，为0.354元/kWh，同时占地面积仅为不配置蓄能的35%。

图5 不同方案的供能成本

3.3 地源热泵与蓄能和天然气耦合分析

根据3.1节冷热负荷，结合冷热平衡，地源热泵与蓄能和天然气耦合系统初步拟选四个配置方案，见表2。

对不同配置方案的冷热综合供能成本分析，不同方案的供能成本见图6和图7。由图6可见，配置适当规模的天然气锅炉调峰系统，可进一步降低供能成本，当典型日天然气锅炉供热占比20%时，供能成本由0.354元/kWh下降为0.353元/kWh，由于低投资的天然气锅炉替代部分高投资低利用的地源热泵系统，减少了供能成本；当天然气锅炉供热比例进一步提高时，则供能成本会增加，因天然气锅炉供热比例的增加减少了热泵蓄热供热的比例，热泵蓄热供热的低运行成本优势未得到充分发挥。因此，对于上海地区商务办公楼，典型日天然气锅炉供热占比20%左右和热泵蓄热供热占比33%左右时，地源热泵与蓄能和天然气耦合系统供能成本相对最低，仅为0.353元/kWh，同时占地面积仅为全部地源热泵的27.5%。

表1 地源热泵与蓄能耦合系统配置方案

表2 地源热泵与蓄能和天然气耦合系统配置方案

图6 不同热泵蓄热供热占比供能成本

图7 不同天然气锅炉供热占比供能成本

4 结论

1）提出了地源热泵的多能利用方式耦合系统的优化配置流程，建立了基于能量平衡的优化配置模型。

2）提出的地源热泵的多能利用方式耦合系统优化配置研究方法，对后续的工程实践中地源热泵的推广应用具有一定的指导意义。

3）对于上海地区商务办公楼，典型日热泵蓄热供热占比40%左右时，地源热泵与蓄能耦合系统供能成本相对最低，仅0.354元/kWh，同时占地面积仅为不配置蓄能的35%。

4）对于上海地区商务办公楼，典型日天然气锅炉供热占比20%和热泵蓄热供热占比33%时，地源热泵与蓄能和天然气耦合系统供能成本相对最低，为0.353元/kWh，同时占地面积仅为全部地源热泵的27.5%。