地源热泵冷热源耦合供能最优运行策略

田路遥

(中建生态环境集团有限公司,北京 100037)

改革开放以来我国科技迅猛发展,随着城镇化步伐的加快,造成我国能源需求呈刚性增长,碳达峰、碳中和计划也随之提出[1]。因此,需要加强建筑节能工作有效控制,避免建筑能耗过快增长。地源热泵作为利用可再生能源的一种技术,具有节能、高效、环保的优势。但在不同气候条件的地区,建筑物冷热负荷差别较大,造成土壤温度降低或升高,导致整个系统效率下降,单一地源热泵系统可能无法满足建筑物的能量需求[2],因此地源热泵系统可同时采用空气源热泵、制冷机组、锅炉或其他辅助能源形式,实现“组合能源”供给建筑物的冷、热负荷需求。不同形式的能源供给优化策略则尤为重要。

Benjamin Hénault[3]等人引入建筑物逐时负荷控制策略和地源热泵设计温度因素,确定Spectral-based混合式地源热泵系统钻孔最优数量和位置,通过对地源井的优化,达到系统运行能耗最低水平。Martin Kegel[4]等人对加拿大高纬度建筑物进行太阳能耦合地源热泵系统研究,可再生能源复合系统将太阳能转换成电能后降低系统一次能源消耗,同时节省设备安装空间。Alexander Floss1[5]、Jens Glembin1[6]研究了地源热泵系统耦合水蓄能的系统运行效率,发现不同形式的机组连接方式对机组的运行效率起到决定性影响因素。卢海勇[7]等提出地源热泵多能利用方式可提高机组运行效益,并建立耦合系统最优运行的模型与算法。刘佳露[8]等模拟地源热泵辐射供冷系统在不同类型末端的控制方式,可有效提高系统性能,降低能源消耗。张喜明[9]等以原生污水为冷热源的污水源热泵系统工程选为研究对象,对集中供热与冷水机组系统进行能耗对比得出污水源热泵耦合运行性的节能特性。孟甲[10]等分析了农村地源热泵供暖在技术和经济上具有可行性,为我国广大农村在采暖模式转变和节能 减排等方面提供了一种较为可行的思路。宫静[11]等为解决严寒地区单一地源热泵系统运行的土壤热失衡问题,构建了空气土壤源热泵耦合运行系统,并分析了系统运行的经济性与碳排放减排率。

1 地源热泵系统

地源热泵系统主要由能量采集系统、能量提升系统和能量释放系统组成。如图1。

图1 地源热泵系统组成

1.1 能量采集系统

能量采集系统主要是通过地埋管与土壤的能量交换实现对地源侧地热能收集。地埋管敷设根据地下盘管的敷设方式可分为水平埋管、垂直两大类敷设方式。如图2所示。

图2 地埋管的敷设

1.2 能量提升系统

能量提升系统一般采用压缩式热泵,若热泵在运行过程中制冷量为A,设备用电功率为B,则热泵输出的功率与输入功率之比为机组效率,如下所示

(1)

地源热泵提升系统可消耗少量的高品位能源撬动大量的低品位能源变为所需要的高级热能,其设备机组效率永远大于1。

1.3 能量释放系统

能量释放系统为末端设备的循环系统,主要由末端设备如风机盘管、散热器、天棚辐射系统、毛细管网系统等末端辐射设备以及循环水泵、分集水器、定压补水、软水器等循环装置组合而成。

2 办公建筑中冷热源负荷的模拟计算

2.1 DeST建模

根据楼层平面绘制建模并将建模平面设置为DeST图层,明确模型的楼层高度、进行墙体的绘制,在墙体的基础上可插入建筑物内外的门窗并选择相关门窗墙体参数,建模平面如图3所示。

图3 DeST建模

2.2 室内外温度

2.2.1 全年室外温度

根据DeST软件提供的气象参数,北京地区全年室外日干球温度统计如图4所示。

图4 北京地区全年室外温度统计

由气象参数可得北京地区全年最高温度在7～8月,最高气温达37～38 ℃,全年平均最高温度为28～29 ℃;全年最低气温为12月至次年1月,气温低于-10 ℃,全年平均最低气温为-11℃。

2.2.2 全年室内温度

通过维护结构选取确定条件下,可得出室内的基础温度随外界的变化趋势。DeST软件模拟全年室内外温度的变化如图5所示。

图5 北京地区全年室内外温度统计

2.3 冷热源负荷需求的模拟

本办公建筑位于昌平区,总用地面积25 429 m2,建设规模性质为科研办公用房,总建筑面积33 600 m2。其中地上部分25 976 m2。

项目B1层设置冷热源机房、空调用地源热泵主机等设备。通过对项目建筑单体全年365天的冷、热负荷模拟,得到全年所需冷热负荷量如图6所示。

图6 办公建筑全年空调负荷量模拟结果

图6显示,全年冷负荷需求由5月份起开始,至10月份结束,在7～8月出现冷负荷最大时段;全年热负荷由11月份开始至次年3月份结束,全年热负荷最大时段出现在12月至次年1月份之间。

2.4 DeST模拟结果

利用DeST软件可模拟出办公建筑的空调冷热负荷需求,如表1所示。

表1 办公建筑的空调冷热负荷需求模拟结果

通过DeST对全年冷热负荷需求的模拟得出全年最高的逐时热负荷为指标68 W/m2,全年最高逐时冷负荷指标为92 W/m2。其中最大逐时热负荷为2.285 MW,最大逐时冷负荷为3.091 MW。

3 地源热泵耦合冷热源系统的优化运行策略

3.1 地源热泵耦合冷热源系统

3.1.1 能源需求补充量

由表1模拟计算可知项目全年空调供冷的总负荷为1 437 307 kWh,全年空调采暖总负荷为1 097 268 kWh。冬季与地源场交换的热量无法满足夏季制冷需求,长期采用单独的地源热泵系统运行会导致地源场的冷热不平衡,从而会使系统运行效率和运行状态下降。为此,夏季需采用冷负荷补充来满足地源场的冬夏平衡状态。地源热泵系统需耦合其他冷源系统运行才可满足地源场平衡的需求。能源需求补充量如表2所示。

表2 能源需求补充量

3.1.2 地源热泵耦合冷热源方案

方案一:地源热泵耦合制冷机组运行。

根据建筑物冷负荷需求,选用一台输入功率为200 kW制冷机组可实现耦合系统的夏季调峰功能,对应选用1台10.5 kW冷却塔。地源热泵耦合制冷机组的运行方式主要以地源热泵系统为基载,制冷机组调峰使用,分别有100%、75%、50%、25%四种工况。耦合冷源设备综合能效比为4.15。

方案二:地源热泵耦合风冷热泵运行。

地源热泵耦合风冷热泵根据建筑物冷负荷需求,选用10台模块式组合制冷机组作为夏季调峰使用,机组为全封闭涡旋压缩机,每台名义制冷量为130 kW,名义制冷输入总功率为44 kW。耦合冷源设备综合能效比为2.33。

方案三:地源热泵耦合VRV运行。

根据建筑物冷负荷需求,选用10台GMV-PD110VRV室外机,单台制冷量110 kW,输入功率28.31 kW。耦合冷源设备综合能效比为2.9。

3.2 优化运行策略

3.2.1 运行工况

在项目中,地源热泵耦合的冷热源系统的运行模式以地源热泵系统为基载,耦合冷源系统调峰。

根据北京市地区的全年气候情况,将冬季和夏季的制冷和供暖负荷分为100%、75%、50%、25%四个阶段,不同的负荷状态下的运行天数如表3、表4所示。

表3 夏季运行情况估算

表4 冬季运行情况估算

地源热泵耦合冷源系统在100%最大负荷日中不同时间段的耗能量与用电量如图7所示。 地源热泵系统由22:00至次日5:00处于低负载运行,随着时间变化和温度升高,地源热泵系统的能耗也随之升高,在6:00～9:00时段地源热泵系统独立运行,可满足整个建筑物的制冷需求,9:00～18:00能耗负载呈上升趋势,此时间段为地源热泵耦合冷源系统混合供能。地源热泵系统做为基载处于满载运行状态,最大制冷量为2282.58 kWh,耗电量为549.42 kWh;冷源系统做为调峰开始投入运行,并逐步达到峰值,累计调峰制冷量为4 160.34 kWh。

图7 地源热泵耦合冷源系统最大负荷日负荷曲线

地源热泵耦合冷源系统在75%负荷日中不同时间段的耗能量与用电量如图8所示。地源热泵系统由22:00至次日5:00处于低负载运行,随着时间变化和温度升高,地源热泵系统的能耗也随之升高,在6:00～12:00时段地源热泵系统独立运行,可满足整个建筑物的制冷需求,12:00～14:00能耗负载呈上升趋势,此时间段为地源热泵耦合冷源混合供能。地源热泵做为基载处于满载运行状态,最大制冷量为2 282.58 kWh,耗电量为549.42 kWh;耦合冷源仅在峰值时段投入运行,并逐步达到峰值,累计调峰制冷量为71.63 kWh。

图8 地源热泵耦合冷源系统75%负荷日负荷曲线

地源热泵耦合冷源系统在50%负荷日中不同时间段的耗能量与用电量如图9所示。此状态下地源热泵系统独立运行作为基载,完全满足建筑物制冷工况需求,不需制冷机组耦合运行调峰;整套系统累计耗电量的峰值时段为12:00～14:00,累计电能消耗为372 kWh。在50%负荷日地源热泵累计全天电能消耗为5 323.68 kWh,对应的制冷量为22 117.54 kWh。

图9 地源热泵耦合冷源系统50%负荷日负荷曲线

地源热泵耦合冷源系统在25%负荷日中不同时间段的耗能量与用电量如图10所示。此状态下地源热泵系统独立运行作为基载完全满足建筑物制冷工况需求,不需制冷机组耦合运行调峰;整套系统累计耗电量的峰值时段为12:00～14:00,累计电能消耗为186.01 kWh。在25%负荷日地源热泵累计全天电能消耗为2 661.84 kWh,对应的制冷量为11 058.77 kWh。

图10 地源热泵耦合冷源系统25%负荷日负荷曲线

由此可知,在100%负荷日、75%负荷日两类工况下,综合系统需要耦合冷源设备运行,以100%负荷日为例,结合三种方案设备运行综合能效比可分别得出,耦合冷源设备峰值制冷量为808.62 kWh,三种设备用电量分别为:耦合制冷机组设备用电量194.63 kWh,耦合风冷热泵设备用电量为346.68 kWh,耦合VRV设备用电量为278.83 kWh。

3.2.2 优化运行策略

地源热泵耦合冷热源系统运行策略以经济效益为前提,以用能设备的冷热平衡为原则,包括以下几个方面的内容:

(1)满足基本负荷需求的地源热泵组独立运行优化;

(2)满足能量平衡条件下的地源热泵耦合冷热源系统组合运行优化;

(3)在极端负荷条件下的系统调峰运行优化;

(4)在满足经济效益最优条件下负荷需求的优化运行。

3.2.3 优化运行模型

(1)总目标函数

综合考虑能源、环境和经济因素来对整体地源热泵耦合冷热源系统进行优化,多目标函数如式(2)、(3)所示

minF(x)=[β1f1(x),β2f2(x),β3f3(x)]

(2)

f1(x)=f制冷(x)+f制热(x)

(3)

式中 minF(x)——总体目标函数;

f1(x)子目标函数——各类冷热源系统耦合运行的一次能源最低能耗水平;

f2(x)子目标函数——各类冷热源系统耦合运行的二氧化碳排放最低水平;

f3(x)子目标函数——系统经济效益最优运行状态;

f制冷(x)——制冷状态下子目标函数;

f制热(x)——制热状态下子目标函数;

β1,β2,β3——三类评价指标的权重因子,每部分指标权重因子[2]由表5所示。

表5 公共建筑不同指标权重因子

(2)一次能源消耗最低

根据北京市地区供暖要求,供暖季为每年11月15日至次年3月15日,夏季制冷季为每年6～9月。制冷供暖时间均为120 d,2 880 h,目标函数为

(4)

式中P1(t)——地源热泵系统供暖制冷工况电能消耗/kW;

P2(t)——耦合设备系统制冷工况电能消耗/kW;

Q1(t)——地源热泵机组制热、制冷量/kW;

Q2(t)——耦合设备制热、制冷量/kW;

COP1——地源热泵机组制热效率;

COP2——耦合设备制热效率;

t——机组运行时间/h。

根据北京地区建筑物热负荷需求,在全年8 760 h中制热时间段为每年11月15日至次年3月15日,地源热泵系统在制热工况运行小时数为0至2 880 h,夏季制冷季为每年6～9月。制冷供暖时间均为120 d,2 880 h。

(3)二氧化碳排放最少

二氧化碳排放量为地源热泵耦合不同形式的冷热源系统二氧化碳排放水平。

夏季二氧化碳排放表达式为

(5)

(6)

式中S1(t)——夏季地源热泵二氧化碳排放量/t;

S2(t)——夏季耦合能源二氧化碳排放量/t;

Si(t)——整体系统夏季二氧化碳排放量/t。

冬季二氧化碳排放表达式为

(7)

式中Si(t)——冬季地源热泵二氧化碳排放量/t;

Si(x)——整体系统冬季二氧化碳排放量/t。

(4)年总投资最小

年总投资节约率为地源热泵耦合不同形式的冷热源系统的最大初投资与最小初投资差值的比值,可表示为

minf3(x)=C1(y)+C2(y)

(8)

式中C1(y)——初始投资费用;

C2(y)——设备运行费用。

4 结果分析

4.1 能耗

由表6可得几种能源耦合形式的冬季最大负荷日、夏季最大负荷日能源消耗,并折算出冬季、夏季系统运行电能消耗,结果显示地源热泵耦合制冷机组一次能源消耗最低。

表6 地源热泵耦合一次能源消耗

4.2 碳排放指标

以100%运行日为例,地源热泵系统耦合制冷机组投入运营后的间接排放。按式(8)计算,地源热泵机组耦合制冷机组未涉及热力运行,只对电力消耗二氧化碳排放量进行测算。因此,地源热泵作为基载运行在夏季最大冷负荷日的二氧化碳排放如下[12]

E电=D地源热泵f电力+D耦合系统f电力

(9)

D地源热泵表示地源热泵机组电力消耗量(MWh),由表6可得100%负荷日地源热泵系统电力消耗为9.645 96 MWh;D耦合系统耦合系统电力消耗量(MWh),由表6可得制冷机组系统电力消耗为1.001 MWh。f电力表示电力二氧化碳排放因子取0.604[13]。经数据测算,地源热泵耦合制冷机组在夏季最大冷负荷日运行状态下二氧化碳的总排放量为5.826 t。同理可得不同耦合系统全年二氧化碳排放量对比如表7所示。

4.3 经济效益

4.3.1 初期投资

地源热泵系统的初期投资主要包括土建过程中的地埋管的设置、地源热泵机组的配置与安装,以及配套机组运行的水泵和补水装置和末端机电安装的管线设备、热交换所需设备等设施购置于安装费用。制冷机组设备为耦合地源热泵系统同时运行的制冷设备,主要设备包括制冷机组、屋顶冷却塔和机组运行相关配套的冷冻侧水泵、用户末端运行使用的用户侧和空调补水水泵等。各类耦合系统初投资金额可根据预算金额分类明确,地源热泵及耦合系统初投资对比如表8所示。

表8 地源热泵耦合系统初投资对比

4.3.2 运行费用

北京市地区对民用、普通工商业的用电负荷电价都有相关的政策要求,结合北京市针对普通商业办公性质建筑使用峰谷电价制度,测算地源热泵耦合三种不同形式冷源运行费用如表9所示。

表9 地源热泵耦合系统运行费用

4.4 总目标函数

基于以上章节中的一次能源消耗最低、二氧化碳排放最少及年总投资最少,并结合各子目标函数的权重系数可得出地源热泵耦合制冷机组为最优运行策略,如表10所示。

5 结论

(1)本项目通过分析北京市某办公建筑的日常运行制冷、供暖需求,模拟办公楼在夏季与冬季运行的冷热负荷量。利用数据分析冷热源耦合系统最优的运行策略。

(2)结合北京地区的室外环境特点、建筑物外围护结构特性和办公建筑冷热负荷的需求,利用DeST软件,模拟项目在日常运行所需的冷热负荷量。得出北京地区地源热泵系统夏季负荷量大于冬季运行的整体负荷。

(3)基于以上分析内容,确定地源热泵的耦合系统需夏季耦合冷源来避免冬季地源场回灌热量不足的现象产生,并确定地源热泵及其耦合系统的设备参数。

(4)分析地源热泵系统单独运行的用电参数指标与各类能源耦合系统的运行参数。并建立多目标函数耦合运行的数学模型。通过各类冷热源系统运行数据和耗电量与二氧化碳间接排放量的数据对比,得出地源热泵耦合冷热源系统运行的最优运行策略。