多能互补集中供热系统应用研究

孙 兵

（陕西秦元热力股份有限公司，陕西 西安 712038）

0 引言

城镇化的发展带来了区域经济的集聚发展，提供了大量的就业机会，人口大量向城镇涌入，由此衍生出住房和商业问题。在我国广大的北方地区，为了满足人民冬季的供暖要求，消耗了大量的煤炭、电力和化石能源，同时也产生了冬季漫长的雾霾天气，给城市的环境和国民的健康带来沉重的负担。

在我国的“碳中和、碳达峰”的双碳战略下，国家对能源供给侧进行了改革，不断减少化石能源的消耗，提高绿色清洁和可再生能源的利用率，城市热网功能的发展趋势也从“单一能源”向“多能源组合互补”发展，利用石化能源与可再生能源的实现多能互补，可以有效地调动资源配置，通过组合协同供热的方式，在系统稳定可靠的前提下，可以增加绿色清洁和可再生能源在整个供热体系中的比重，避免了由于新建或者改建集中供热管网系统中消耗的大量资金投入和供热能力不足等问题，解决了冬季集中供暖需求大的现实问题，降低集中供暖的运营成本，提高环境效益。

1 多能互补集中供热系统的基本原理

多能互补集中供热是最早在欧洲兴起的一种能源配给方式。通过修建大量的太阳能与生物能联合供热厂，为社区、政府办公楼、医院以及商业大楼等提供供热能源，该能源补给方式有效地提高了可再生能源的利用率，避免了冬季天然气和煤气的消耗，并在丹麦、挪威以及冰岛等国家成功应用。在英国、法国和德国等国家，采用集中利用太阳能与燃气结合的方式为生活热水、挂壁炉供热提供能量。在美国和加拿大等国家，也采用丰富的生物质能源与传统能源、太阳能相结合的方式进行供热，并提供了可供参考的能源建设方案和供热系统建设思路。

在我国，对集中供暖的需求主要是在北方地区，这些地区在集中供暖的过程中，为了减少不可再生能源的消耗以及化石能源带来的环境污染，采用太阳能、双热源热泵等方式扩大太阳能和空气能的利用率。多能互补集中供热系统主要由3个部分组成，分别是集中供热管网系统、双热源热泵机械系统以及太阳能集中供热系统，其原理图如图1所示。集中供热管网主要是利用市政供热管网中的热量，这些热量传递媒介为高温热水或者高温蒸汽，并经过两级转换进行利用，以经过一级市政管网运输至换热站，换热站对热能进行分配和转换，再输送到二次管网，到达用户终端；双热源热泵机组主要利用的热力来源为空气热量和太阳能集热水箱，通过并联的蒸发器对2种热源进行并联利用，同样地使用换热站对热量进行控制，调配到适宜温度后输送至客户终端；太阳能集中供热系统主要利用的的是太阳能，太阳能集热器将太阳光的热量吸收，转化为水的热量并存储在蓄热水箱中，当水温达到一定的温度时，可以向外输送热水供用户使用，温度较低时也可用采取热泵抽取的方式将温度进行提取，满足用户的热源要求。

图1 多能互补集中供热系统的原理图

2 基于TRNSYS仿真模拟的多能互补集中供热系统分析

本次研究的工程项目为陕西西咸新区某新城综合开发的PPP项目，开发新建工程，并对现有建筑立面进行施工改造，通过该方式提升城市形象，增加城市内涵，提高城市公共建筑的综合服务水平。总之，该项目所在地区是集会议中心、展览交流、景观生态、精品商业以及智慧城市等功能于一体的城市核心和城市地标空间。该工程项目绿化工程建设用地面积为18220.72m，其中包括A-19地块12976.31m，A-20地块1373.44m，道路3870.98m。地上建筑面积29660.64m。地下建筑面积16163.38m（已建4802m，新建11361.38m）。新建一栋地下2层、地上4～5层（含一层夹层）的城市客厅，建筑整体为框架式结构，建设设计涉及多种能源的综合利用，设计热负荷指标为45w/m。

建设场地行政隶属陕西西咸新区，处于关中平原核心地带，涉及西安市和咸阳市7个县区，23个乡镇和街道办事处，属于黄土台塬、河流阶地和洪积平原地貌。为了保证多能互补集中供热系统施工顺利实施，在开展施工前，由试验方与地方气象台进行信息对接，获取项目施工区域的气候特征，得到下述数据。年平均气压1015hPa；无霜期170d～205d；雾天20.7d；最大积雪20cm；年日照时数2017.5h～2346.8h。由此可见，该地区属于大陆性季风季候，雨水量充沛，冬季寒冷与夏季炎热多雨。

为了更好地对项目的多能互补集中供热系统进行分析，采用TRNSYS16动态模拟程序建立符合实际多种能源综合利用的供热仿真系统模型，在计算程序中嵌入了多种数学计算模块，对模型的计算只需自动地调用相应模块即可以直接求解，具有运行高效和准确的特点。在气象数据处理中，主要采用Type1o-TMY2模块，其涉及的气象参数很多，其中太阳辐射参数是最主要的计算参数，根据典型气象年数据可以按照公式（1）～公式（2）计算各太阳辐射参数。

式中：I为某一个倾斜面上，太阳光辐射在其表面的总辐射强度；I为某一个倾斜面上，太阳光直射在其表面的总强度，R为斜面太阳光的直射强度除以水平面太阳光的直射强度；I为某一个倾斜面上，太阳光的散射强度，R为斜面太阳光的散射强度除以水平面太阳光的散射强度；I为某一个倾斜面上，太阳光的反射强度，R为斜面太阳光的反射强度除以水平面太阳光的反射强度；为倾斜面的倾斜角度；为倾斜面的方位角，为太阳光的偏转角；为维度，为时角。

在太阳能集热器模型中，主要模拟平板型的太阳能集热器，其主要的计算方程如公式（3）所示。

式中：为设备的瞬时效率；Q为设备的有效热量；A为设备的采热面积；I为平板斜面收集到道德太阳能辐射强度；F为设备的热迁移因子；为温度。

建立的多种能源综合利用的供热仿真系统模型如图2所示。计算时，先对双热源热泵启用和停用信号进行输入、对双热源热泵的运行模式信号进行输入，然后判断双热源热泵信号和双热源热泵的运行模式信号是否为0，在双热源热泵信号中，0代表停止，1代表运行；在双热源热泵的运行模式中，0代表运行采用空气环境的热量，1代表运行采用太阳能集水箱的热量。如果为0，则输出双热源热泵侧的出口温度与水源热泵源侧的出口温度相等、双热源负荷侧的出口温度与水源负荷侧的出口温度相等，如果不为0，则输出水源热泵源侧的出口温度与空气源热泵负荷侧的出口温度相同双热源热泵制热量与空气源热泵的制热量相等、双热源热泵的能效比与空气源热泵的能效比相等。计算时分别设置5种工况，设计负荷分别为60%、70%、80%、90%和100%，观测运行7000h～10000h的热泵指标参数。

图2 基于TRNSYS程序的多能互补集中供热系统仿真模型

3 多能互补集中供热系统的热泵性能系数与能耗分析

由于热泵性能系数值（能效比）反映的是热泵制热量与热泵耗电量的比值，因此其是供热系统中重要的指标参数，可以预测能源的转化效率与节能效率，因此仿真模型主要集中于研究热泵性能系数值的变化。图3为基于TRNSYS程序的不同工况下的双热源热泵水源侧和空气侧的仿真计算结果。

从图3（a）中可以看出，随着时间的变化，60%负荷比例工况下，水源侧热泵性能系数值随时间的增长表现出剧烈的变化，其变化值为3.53～4.99，平均值为4.22；70%负荷比例工况下，水源侧热泵性能系数值变化有所收敛，其变化范围为3.64～4.47，平均值为4.05；80%负荷比例工况下，水源侧热泵性能系数值随时间的增长起伏变化较为平缓，其变化范围为3.81～4.43，平均值为4.18；90%负荷比例工况下，水源侧热泵性能系数值随时间的增长起伏变化较为平缓，其变化范围为3.50～4.49，平均值为4.02；在100%负荷比例工况下，水源侧热泵性能系数值随时间的增长起伏变化较为平缓，其变化范围从3.81～4.48，平均值为4.18。由此表明，各个工况下双热源热泵水源侧的平均值均大于4.00，处于高效率运行状态，能源转换率良好。

图3 基于TRNSYS程序的不同工况下的双热源热泵仿真计算结果

从图3（b）中可以看出，随着时间的变化，在60%负荷比例工况下，空气层热泵性能系数值随时间的增长起伏变化较为平缓，其变化范围为3.50～5.91，平均值为4.77；70%负荷比例工况下，热泵性能系数值变化有所收敛，其变化范围为3.50～5.82，平均值为4.47；80%负荷比例工况下，热泵性能系数值随时间的增长起伏变化剧烈，其变化范围为2.50～5.94，平均值为4.22；90%负荷比例工况下，热泵性能系数值随时间的增长起伏变化剧烈，其变化范围为3.50～4.98，平均值为4.30；100%负荷比例工况下，热泵性能系数值随时间的增长起伏变化较为剧烈，其变化范围为3.50～6.00，平均值为4.73。由此表明，各个工况下双热源热泵水源侧的平均值均大于4.00，处于高效率运行状态，能源转换率良好。

进一步对多能互补集中供热系统的一次能源利用率和一次能源消耗量进行分析，结果见表1和表2。从表1中可以看出，多能互补集中供热系统的一次能源利用率随着负荷比例的增加而增加，最小值为2.75，最大值为3.98，一次能源利用率远大于燃煤锅炉房的一次性能源利用率（1.63）和燃气锅炉房的一次性能源利用率（0.75）。表明多能互补集中供热系统具有良好的能源利用率且利用的绿色清洁能源比例不断增加，有利于环境保护。

表1 基于TRNSYS程序的多能互补集中供热系统一次能源利用率计算结果

从表2中可以看出，多能互补集中供热系统的一次能源消耗量随着负荷比例的增加而减少，单位面积年耗标煤量最小值为2.32kg/m，最大值为3.04kg/m，一次能源消耗量远大于燃煤热电厂的一次性能源消耗量（8.23kg/m）。表明多能互补集中供热系统具有良好的能源节约能力，有利于环境保护。

表2 基于TRNSYS程序的多能互补集中供热系统一次能源消耗量计算结果

4 结语

该文以陕西西咸新区某新城综合开发的PPP项目为研究对象，基于TRNSYS软件对多能互补集中供热系统进行仿真模拟，得到以下3个结论。1）各个工况下双热源热泵水源侧和空气侧的平均值均大于4.00，处于高效率运行状态，能源转换率良好。2）多能互补集中供热系统的一次能源利用率随着负荷比例的增加而增加，一次能源利用率远大于燃煤锅炉房的一次性能源利用率（1.63）和燃气锅炉房的一次性能源利用率（0.75），具有良好的能源利用率。3）多能互补集中供热系统的一次能源消耗量随着负荷比例的增加而减小，一次能源消耗量远大于燃煤热电厂的一次性能源消耗量（8.23kg/m），节约能源。