地源能量系统蓄能份额影响研究

齐子姝，曲 伸，郭 磊

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

根据我国《地热能开发利用 “十三五”规划》[1],预计“十三五”期末,我国地热能利用量将较“十二五”末增长2.5倍.吉林省能源发展“十三五”规划中[2],地热能的开发利用在省内重点推广实施,接轨东北供热可再生能源创新发展趋势,使全省2020年达到2 400×104m2供热制冷规划要求.2021年哈尔滨清洁能源供暖面积将达到2.5×108m2[3],城市城区、县城和城乡结合部、农村清洁取暖率分别达到80 %，70 %和40 %以上.地热能大面积的推广使用,将节约和替代大量化石能源,显著减少污染物和温室气体排放,降低单位GDP的碳排放强度,提高应对气候变化的能力,带来显著的环境效益.

1 地源能量系统蓄能基本模式

我国北方严寒和寒冷地区建筑物冷热负荷不均,地源能量系统多年期运行,设备效能下降,影响系统运行寿命.夏季系统将热量(太阳能、余热、废热或污水热能等)进行地下蓄存再利用,有效实现能源补充,部分减轻或消除冬夏负荷失衡影响.图1为太阳能蓄能的地源能量系统示意图.

图1 地源能量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of ground source energy system

本文通过搭建建筑物负荷、热泵机组、地下换热系统、蓄热源、蓄热装置和水泵等多模块组成地源能量系统分析平台,计算不同蓄能负荷份额比例系统运行工况,其中地埋管传热控制方程:

本文选取东北严寒地区一地源热泵工程为计算对象,建筑面积4 000 m2,地埋管8×8排列总共64孔,单孔孔深100 m,间距4.5 m. 图2为该建筑物热负荷(11月份～次年3月份)和地埋管蓄能负荷(4月份～10月份)且负荷比例相同.采用余热或废热为蓄热源且为连续蓄能方式.

图2 蓄能负荷和建筑物热负荷Fig.2 Energy storage load and building heat load

2 计算结果

本文通过夏季蓄能负荷强度和过程调控研究,实施能量利用优化.计算并讨论地源能量系统蓄能负荷:建筑物热负荷=1∶1,0.75∶1和0.5∶1时,系统运行20年过程中地埋管出口水温、热泵能效比和机组耗电量等重要参数.

2.1 地埋管出口水温

图3为地源能量系统蓄能负荷:建筑物热负荷=1∶1,0.75∶1和0.5∶1时,系统运行20年过程中地埋管出口水温逐月变化规律.由图3可见,夏季蓄能份额变化直接影响地埋管出口水温.当蓄能负荷:建筑物热负荷 = 0.75∶1时,地埋管出口水温逐年几乎不变,运行20年水温仅降低了0.1 ℃.当蓄能负荷：建筑物热负荷=1∶1和0.5∶1时,20年末地埋管出口水温较初始时分别升高6.53 ℃和降低4.82 ℃,差异显著.

图3 地埋管出口水温Fig.3 Water temperature of buried pipe outlet

2.2 热泵机组能效

图4为地源能量系统蓄能负荷:建筑物热负荷=1∶1,0.75∶1和0.5∶1时,系统运行20年过程中热泵机组能效规律.当蓄能负荷:建筑物热负荷=0.75∶1时,热泵机组能效比逐年几乎不变.当夏季蓄能负荷增大,冬季热泵机组入口水温升高,机组能效比提高.蓄能负荷:建筑物热负荷=0.5∶1时,系统运行20年热泵机组的能效比较第1年降低了10.96 %.

图4 热泵机组能效COPFig.4 Coefficient of performance(cOP) of heat pump unit

2.3 热泵机组耗电量

图5为当地源能量系统蓄能负荷:建筑物热负荷=1∶1,0.75∶1和0.5∶1时,系统运行20年过程中热泵机组年耗电量变化规律.随着夏季蓄能份额增加,热泵机组的年耗电量逐年减少.蓄能负荷:建筑物热负荷= 1∶1时,系统运行第20年热泵机组年耗电量与第1年相比降低6.93 %.

图5 热泵机组年耗电量Fig.5 Annual power consumption of heat pump unit

本文计算了地源能量系统蓄能负荷:建筑物热负荷=0.5∶1,0.7∶1,0.75∶1,1∶1,1.25∶1时,系统运行20年生命周期内热泵机组年耗电量.由图6可见,随着夏季蓄能负荷比例增加,热泵机组年耗电量减少,但蓄能比例持续增加对热泵机组耗电量的减少意义并不明显,故系统运行时应选取夏季蓄能负荷:热负荷=0.8～1.0范围中较为合理.

图6 系统年蓄热量和热泵机组年耗电量Fig.6 Annual heat storage of system and annual power consumption of heat pump unit

3 结论

我国大部分地区冷热负荷不平衡,严重抑制了地源能量系统的应用.本文通过研究严寒和寒冷地区地源能量系统夏季蓄能份额比例对地埋管出口水温、热泵机组耗电量及能效比影响及对比分析,为不同地域地源能量系统设计和高效运行提供有效手段.