基于TRNSYS的河水源热泵与电锅炉复合供暖系统仿真研究

牛蒙科，韩芳明，杨 旭，李炳熙，王 维

(1.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司，黑龙江 哈尔滨 150001；3.北京动力机械研究所，北京 100074)

碳中和与碳达峰已经成为我国尽力实现的目标，所以在这种情况下找到一种清洁能源来进行供热对于优化能源结构、减少污染物排放等具有重要意义[1].电能是一种安全、便捷的清洁能源，大规模推广电能可以有效推动国家能源战略的实施和促进清洁能源发展.目前的电代煤清洁供暖技术主要有蓄热电锅炉和热泵，热泵是将周围环境中的低品位热量转化成高品位热量的一种能量提升装置，具有较高的能耗比，在国内外供暖系统设计中应用也较广泛，主要集中在复合供暖系统设计方面.

邱国栋[2]等设计了太阳能、空气源热泵、太阳能辅助空气源热泵三种典型供暖系统，通过TRNSYS仿真和经济性分析，得出经济性和节能性最佳的方案.赵艺阳[3]以沈阳某小区为模板，设计了一种地下水源热泵和燃煤锅炉联合供热系统，对系统进行了能耗分析和经济性分析，综合比较得出了最佳热负荷配比方案.谢行杰[4]以哈尔滨某污水源热泵项目为模板，建立了一种污水源热泵与太阳能复合供暖系统，研究集热器与热泵承担不同热负荷配比时系统总能耗变化，再利用TRNSYS软件模拟，对系统进行优化设计.刘逸[5]等提出了利用太阳能-土壤源热泵进行供暖的方案，对五种供暖方式进行了比较分析，得出该复合供暖系统能耗最低，一次能源利用率最高的结论.宫静[6]等基于TRNSYS软件对某高速公路服务区建筑空气-土壤源热泵系统节能性开展案例研究，从节能性角度对比空气-土壤源热泵系统在6种负荷分担比例运行策略下的能效差异，得出了节能性最好时的最佳配比.

目前，对于河水源热泵和蓄热电锅炉供暖的研究还很少，系统的运行策略对系统的运行成本和运行效率有很大的影响，因此本文以东北某10万平米供暖需求小镇为模板，采用河水源热泵与蓄热电锅炉复合供暖系统进行供暖设计，利用TRNSYS软件进行仿真研究，并对其经济性进行分析比较.

1 复合供暖系统模型构建

1.1 系统组成及运行策略

本文设计的复合供暖系统主要包括河水源热泵系统、蓄热电锅炉系统、终端供热系统和室内外管网系统，系统组成示意图，如图1所示.

图1 复合供暖系统组成图

(1)河水源热泵系统

河水源热泵系统主要包括河水源热泵机组、水源测循环泵、取水井潜水泵、河水处理设备等.选取某型号水源热泵机组，名义制热量2 780 kW，电机制热功率700 kW.采用开式河水源热泵系统，采取河床式取水的方式，即设置取水井作为间接取水源.

(2)蓄热电锅炉系统

采用电极锅炉+水蓄热式电锅炉装置，水蓄热电锅炉系统主要由电热锅炉、储热罐和供热管路三部分组成：电锅炉起着将电能转化成热能的作用；储热罐储存电锅炉产生的一部分热能，待电热锅炉停止工作后，代替后者向外释放热能；该蓄热电锅炉的运行策略为谷电和平电蓄热，峰电时利用所蓄热量，据此设计蓄水量为3 000 m3.

(3)终端供热系统

终端供热系统位于整个供暖系统的末端，用于将来自热源的热量传递给供暖建筑，主要包括散热装置、水泵等设备.

(4)室内外管网系统

管网系统是整个供暖系统中水循环流动和热量传输的通道.是整个系统的基础，主要包括的设备有管线、阀门等.

河水源热泵-蓄热电锅炉复合供暖系统的运行主要有三个过程：第一阶段：采暖初期河水源热泵单独运行，承担所有热负荷；第二阶段：蓄热电锅炉投入运行，分担一部分热负荷；第三阶段：蓄热电锅炉停止运行，河水源热泵再次独立供热.

1.2 系统仿真模型

在上面所构建的系统模型基础上，利用瞬态仿真软件TRNSYS建立了河水源热泵与蓄热电锅炉复合供暖系统，以模拟整个系统的能耗.建立起的系统仿真模型，如图2所示.该仿真系统主要包括：热负荷模块、热泵模块和蓄热电锅炉模块.各个模块均包含所需组件，并采用单独的控制策略.

图2 复合供暖系统仿真模型

热负荷模块主要就是利用Type9a读取逐时热负荷文件，然后在Type682流体负荷组件中转化成流体温度和流量的形式.

热泵模块主要由三个循环来实现，即源侧水循环、负荷侧水循环和热泵循环，由Type927水源热泵机组以及Type114循环水泵组成，另外需要一个循环水泵和Type5b板式换热器来将河水中的热量换至源侧水循环中.

蓄热电锅炉模块主要包括Type700电锅炉组件、Type114循环水泵组件和Type4c蓄热水箱组件.蓄热水箱为分层水箱，每层具有不同的温度，与外界传热系数较低，具有一定的保温效果.

除此之外，采用Type515组件来划分供暖和非供暖季节，从而进行采暖判断，然后利用计算器组件实现控制作用，通过0和1控制热泵、电锅炉、水泵等的启停，采用Type14h实现一天内不同电价时电锅炉功率的调节，不同月份的河水温度则用Type518组件来实现.

2 仿真模拟与结果分析

2.1 能耗模拟

模板小镇采暖面积约10万m2，供暖时间

为每年的10月22号至次年的4月9号.供暖室外计算温度为-18.4 ℃，供暖室内设计温度为20 ℃，冬季河水温度为6 ℃～8 ℃.通过面积指标概算可得小镇供暖设计热负荷为6.1 MW，进而根据气象数据计算出小镇供暖季的热负荷逐时变化情况如图3所示.

图3 小镇供暖季逐时热负荷

为了研究不同河水源热泵与蓄热电锅炉所承担热负荷配比条件下的能耗与经济性情况，本文设置25%热泵+75%电锅炉、40%热泵+60%电锅炉、55%热泵+45%电锅炉、75%热泵+25电锅炉、90%热泵+10%电锅炉五种工况，对这五种工况进行模拟运行，可以得到年耗电量变化如图4所示.

图4 不同热负荷配比方案的耗电量

从图4中可以看出，从1月1号(第0天)开始，系统的耗电量以近似正比例关系增加，但由于在实际工作中热泵的制热量和制热功率等性能参数随着进出口温度和流量的变化而变化，循环水泵也会存在热损失，蓄热电锅炉则存在蓄热和放热的过程，所以曲线的斜率也会随着时间而变化.从1月1日到4月9日(第99天)，随着气温的升高，热负荷逐渐降低，热泵性能系数下降，耗电量增长变慢，斜率略有降低；从4月9日到10月22日(第295天)期间为非供暖期，热泵和蓄热电锅炉停止工作，所以耗电量不变；从10月22日开始，重新开始供暖，由于电锅炉刚开始需要将水箱的水加热至设定温度，所以刚开始供暖时耗电量较高，等到水箱中的水稳定时，耗电量又趋于稳定，斜率基本不变.

通过对比图4中五种不同配比方案的系统耗电量可以得出，热泵所承担的热负荷越大，则系统总耗电量越低，这是因为热泵具有较高的能效比，可达3～4左右，而蓄热电锅炉的热效率为0.94，是小于1的，所以从节能方面来看，热泵具有更明显的优势.

2.2 经济性分析

但仅看节能效果并不能完全评价一个系统的适用性，还需要综合评价其经济性，来得到经济性最好的系统方案.费用年值法兼顾初始投资和运行成本，将所有费用按照一定关系折算，再累加作为综合成本的考量.这种方法也考虑了长期性投资的方案，应用广泛.故本系统采用的经济性分析方法为费用年值法.费用年值是评价项目是否具有经济性的主要参数.它主要包含项目的初投资、项目年运行费用以及项目年维护费用.

当不考虑通货膨胀时，系统费用年值计算公式如下[4]

C0=Cr+Cm+PI(C-S)+S×i，

(1)

(2)

公式中：PI为系统的资本收益系数，%；C为系统的初始投资，元；C0为系统的费用年值，元/年；Cr为系统的的年运行费用，元/年；Cm为系统的年维护费用，元/年；S为资本投资净残值，本文取0元；n为系统预计寿命，取20年；i为系统的折现率，取16%.

(1)初投资

根据《城市供热热源工程投资估算指标》推荐的数值估算，河水源热泵的初投资取350元/m2，蓄热电锅炉初投资取120元/m2，小镇取暖面积10万m2.将不同负荷配比方案的初投资进行统计，结果如表1所示.

表1 不同配比方案初投资

(2)年运行费用

河水源热泵与蓄热电锅炉复合供暖系统的运行费用为电费，对于热泵，运行时每天任何时刻都开启，对于蓄热电锅炉，由于每日电价各个时间段不同，为了达到消纳低谷电的作用，运行时每天开启加热时间跟随电价变化.设计蓄热电锅炉的功率为12 MW，在谷电期电锅炉满功率运行，平电期降低一半运行，峰电期停止运行，则电价和电锅炉运行策略如图5所示.

图5 分时电价和电锅炉运行策略

可根据蓄热电锅炉运行策略计算得蓄热电锅炉日平均电价为0.34元/度.对于河水源热泵，一天内24小时运行，可以算得河水源热泵的日平均电价为0.52元/度.由此根据各自的耗电量计算出热泵和电锅炉年运行费用如表2所示.

表2 不同配比方案年运行费用

(3)年维护费用

为了保证系统能够稳定可靠地运行，定期需要对各个设备进行维修、保养.年维护费用与初投资有关，通常为初投资乘以一定的计取系数，本文取0.02.

在已知了初投资、年运行费用和年维护费用后，便可利用公式(1)计算出各个方案的费用年值，不同配比方案的经济性比较如图6所示.

图6 不同热负荷配比方案的经济性比较

从图6中可以看出，随着热泵所承担热负荷配比的增加，初投资逐渐增加，而年运行费用逐渐下降，这是因为相比蓄热电锅炉来说，热泵具有较高的造价，但却具有较高的能效比，恰好体现了热泵的节能性.不同方案的费用年值相差在几十万左右，是综合考量初投资和运行费用的结果.热泵承担热负荷为25%时费用年值较低是因为初投资较低，初投资的影响大于运行费用，热泵承担热负荷为90%时费用年值较低是因为年运行费用较低，运行费用的影响大于初投资，而当热泵承担热负荷为55%时费用年值较低是因为兼顾了初投资与年运行费用的影响.将其综合比较而言，可以看出当热泵承担热负荷配比为55%时，系统费用年值最低，为954.12万元，也就是说以55%+45%热负荷配比方案运行，经济性最好.

3 结 论

本文设计了河水源热泵-蓄热电锅炉复合供暖系统，采用蓄热电锅炉作为调峰热源，针对五种不同热负荷配比的工况，利用TRNSYS软件进行能耗模拟，采用费用年值法进行经济性分析.可以得出随着热泵所承担热负荷配比的增加，系统耗电量逐渐减小，年运行费用逐渐降低，但系统总初投资和年维护费用增加，利用费用年值法综合考量不同配比方案的初投资、年运行费用和年维护费用，可以得出热泵承担55%热负荷、电锅炉承担45%热负荷的配比方案费用年值最低，也就是经济性最好.这可以为实际工程中热泵与蓄热电锅炉联合供热系统提供参考.