王培培龍惟定
(1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 200092;2同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院 上海 200092)
小型能源總線系統(tǒng)全年動(dòng)態(tài)熱力性能仿真分析
王培培1龍惟定2
(1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 200092;2同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院 上海 200092)
能源總線系統(tǒng)是集成化規(guī)?;瘧?yīng)用區(qū)域內(nèi)的可再生能源及未利用能源的低碳區(qū)域能源系統(tǒng)。本文以TRNSYS為仿真平臺(tái),構(gòu)建基于淺層地?zé)崮芾玫耐寥涝磁c地表水源集成形式的能源總線系統(tǒng)各個(gè)部件的理論模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全年變工況動(dòng)態(tài)逐時(shí)仿真研究,計(jì)算小型能源總線系統(tǒng)應(yīng)用于金茂崇明低碳實(shí)驗(yàn)社區(qū)的全年逐時(shí)熱力性能。研究結(jié)果表明,能源總線系統(tǒng)的全年系統(tǒng)綜合熱力性能系數(shù)達(dá)3.5,而常規(guī)方案的系統(tǒng)綜合熱力性能系數(shù)均小于1.5,節(jié)能率和減碳率均大于20%,實(shí)現(xiàn)了可再生能源利用與能量回收綜合效益。
能源規(guī)劃;能源總線系統(tǒng);熱泵;系統(tǒng)仿真;淺層地?zé)崮?/p>
氣候變暖是全球共同面臨的急迫挑戰(zhàn)之一。國(guó)務(wù)院通過十二五控制溫室氣體排放方案,到2015年實(shí)現(xiàn)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2010年下降17%的目標(biāo)??刂艭O2排放涉及各行各業(yè),在建設(shè)領(lǐng)域,低碳城市和低碳社區(qū)近年來(lái)逐漸成為規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn),全球各地已出現(xiàn)了不少低碳社區(qū)或碳中和社區(qū),典型的有英國(guó)的貝丁頓(BedZED)[1-3]、德國(guó)的弗班區(qū)(Vauban District)[4]、瑞典的韋克舍(Vaxjo)[5-6]、阿聯(lián)酋的馬斯達(dá)爾城(Masdar)[7-8]等。不同的自然條件和國(guó)情讓我們?cè)趯W(xué)習(xí)外國(guó)的同時(shí)又要發(fā)掘適合我國(guó)的低碳之路。
實(shí)現(xiàn)低碳的途徑之一就是節(jié)能。在建筑能耗中,空調(diào)能耗約占2/3左右,占總能耗的22%左右。我國(guó)氣候區(qū)域分布較廣,對(duì)供冷供熱都有較大需求。雖然在我國(guó)南方地區(qū)沒有集中供熱系統(tǒng),但是供熱需求是一直存在的。在建設(shè)低碳城市低碳社區(qū)及滿足人民生活水平的要求下,采用低碳節(jié)能的區(qū)域供冷供熱能源系統(tǒng)是最為重要的。目前,區(qū)域供冷或者區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)在法國(guó)、瑞典、日本等很多發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)已經(jīng)十分成熟;在中國(guó),北方區(qū)域集中供熱技術(shù)應(yīng)用廣泛,但是區(qū)域供冷或者區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)仍然處在摸索階段,并且由于一些示范案例的冷價(jià)過高導(dǎo)致區(qū)域供冷技術(shù)的適應(yīng)性問題在學(xué)術(shù)上存在分歧[9]。
能源總線系統(tǒng)是一種集成化規(guī)?;瘧?yīng)用區(qū)域內(nèi)的可再生能源及未利用能源的低碳區(qū)域供冷供熱能源系統(tǒng)[10-11]。能源總線系統(tǒng)半集中的末端系統(tǒng)形式不但可以規(guī)避區(qū)域供冷系統(tǒng)末端負(fù)荷率低導(dǎo)致的系統(tǒng)能效降低的問題,還可以在區(qū)域級(jí)別上集成應(yīng)用多種天然冷熱源,同時(shí)回收熱量,提高系統(tǒng)能效比。
本文以金茂崇明低碳實(shí)驗(yàn)社區(qū)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)所為研究對(duì)象,在Trnsys平臺(tái)上,對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行建模,搭建基于淺層地?zé)崮芾玫耐寥涝磁c地表水源集成形式的小型能源總線系統(tǒng),分析系統(tǒng)全年動(dòng)態(tài)綜合熱力性能,為建設(shè)具有示范意義的低碳社區(qū)能源樣板工程提供技術(shù)支撐。
系統(tǒng)集成應(yīng)用淺層地表蓄熱能,地表水等低品位能源,末端采用熱泵技術(shù)進(jìn)行能源品位的提升,對(duì)建筑進(jìn)行冷熱能源供應(yīng)。小型能源總線系統(tǒng)圖見圖1。
圖1 小型能源總線系統(tǒng)圖Fig·1 SchematiCdiagramof the small energy bus system
2·1 建筑負(fù)荷模型
示范建筑位于崇明島,功能為運(yùn)動(dòng)會(huì)所。運(yùn)動(dòng)會(huì)所服務(wù)于基地南側(cè)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地,地上建筑面積8371.45 m2,大部分3層,局部5層。主要為會(huì)員服務(wù)區(qū)、行政辦公、餐廳、包房等。地下一層,建筑面積2838.45 m2,包括球車庫(kù)、員工餐廳、員工更衣室、食品庫(kù)房、設(shè)備用房等。
使用eQUEST軟件對(duì)示范建筑進(jìn)行物理建模,進(jìn)行全年逐時(shí)空調(diào)冷熱負(fù)荷及生活熱水負(fù)荷分析,模擬結(jié)果見圖3。
圖2 示范建筑模型圖Fig·2 Model diagramof the demonstration building
圖3 示范建筑全年逐時(shí)負(fù)荷分布圖Fig·3 The demonstration building annual hourly load curve
2·2 能源總線系統(tǒng)末端設(shè)備模型
能源總線系統(tǒng)中末端設(shè)備與總線熱量交換,對(duì)末端設(shè)備建模,以用于系統(tǒng)仿真分析。本研究中末端設(shè)備主要涉及有兩種,一是用于制冷制熱的水冷變制冷劑流量機(jī)組,二是用于生活熱水制備的水-水熱泵機(jī)組。在建立末端設(shè)備模型時(shí),既要考慮符合設(shè)備自身熱力性能,又要與能源總線系統(tǒng)相匹配。
1)水冷VRF
通過分析水冷VRF機(jī)組熱力性能測(cè)試數(shù)據(jù),得到機(jī)組能效比COP與自變量負(fù)荷Q、水源側(cè)進(jìn)水溫度tin、流量 G的相關(guān)性模型,選擇一個(gè)基準(zhǔn)狀態(tài)(tin0、G0、Q0),使數(shù)據(jù)無(wú)量綱化。
以某廠水冷多聯(lián)機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見表1。a、b、c、d、e為回歸系數(shù),R2為擬合優(yōu)度判定系數(shù)。
表1 水冷VRF模型回歸結(jié)果Tab·1 The regression results of water-cooled VRFmodel
由水冷VRF機(jī)組數(shù)據(jù)分析可知:流量對(duì)機(jī)組性能的影響遠(yuǎn)小于進(jìn)水溫度與負(fù)荷率對(duì)機(jī)組性能的影響。因此,在系統(tǒng)配置設(shè)定參數(shù)的時(shí)候,不可為了提升機(jī)組性能系數(shù)而采用加大流量的方式,這樣會(huì)大幅度增加輸送能耗,反而得不償失會(huì)造成系統(tǒng)總體能耗增加。
2)水-水熱泵
通過分析水-水熱泵機(jī)組熱力性能測(cè)試數(shù)據(jù),得到機(jī)組負(fù)荷Q、功率W、能效比COP與自變量水源側(cè)進(jìn)水溫度tsin、水源側(cè)流量Gs、負(fù)荷側(cè)進(jìn)水溫度Tlin、負(fù)荷側(cè)流量 Gls的相關(guān)性模型,選擇一個(gè)基準(zhǔn)狀態(tài)(tsin0、Tlin0、Gs0、Gls0),使數(shù)據(jù)無(wú)量綱化。
式中:Y代表因變量負(fù)荷Q、功率W和能效比COP;a、b、c、d、e為回歸系數(shù);R2為擬合優(yōu)度判定系數(shù)。以某廠機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見表2。
2·3 能源總線系統(tǒng)源側(cè)模型
1)土壤埋管換熱模型
地埋管換熱器的傳熱模型分析屬于多孔介質(zhì)中的傳熱傳質(zhì)問題,影響因素較多,包括地下水的滲流作用、回填材料的性能、巖土體熱物性的變化以及傳熱過程涉及的時(shí)間尺度很長(zhǎng),至少為數(shù)月或者數(shù)年。地埋管換熱器的模型據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)約有30種[12]。其中的理論解主要為基于無(wú)線長(zhǎng)線熱源模型或者基于無(wú)線長(zhǎng)圓柱面熱源模型。數(shù)值解主要是有限差分法、有限元法等數(shù)值分析方法。
表2 水-水熱泵模型回歸結(jié)果Tab·2 The regression results of water-to-water heat pumPmodel
《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(Technical code for ground-source heat pumPsystem)——hnical code f中推薦地埋管換熱器的計(jì)算核心為瑞典隆德大學(xué)開發(fā)的g-functions[13-14]算法。該模型假定鉆孔均勻的分布在地下一個(gè)虛擬的圓柱體內(nèi),U型管內(nèi)是對(duì)流形式換熱,鉆孔與圓柱體間是導(dǎo)熱形式換熱。周圍土壤溫度分布通過三個(gè)部分計(jì)算獲得,一個(gè)全局解,一個(gè)局部解,一個(gè)穩(wěn)流解。全局解和局部解用有限差分法獲得,穩(wěn)流解用解析方法得到。最后整體的土壤溫度場(chǎng)用疊加的方法得到。土壤埋管的模型使用TRNSYS中的模型。這也是規(guī)范推薦使用的模型之一。
2)地表水源換熱模型
地表水源通過選用的管殼式換熱器作為間接換熱器,與總線進(jìn)行熱量交換??偩€水流經(jīng)殼程,河水流經(jīng)管程。
其中最重要的模型為地表水溫度模型。能源總線系統(tǒng)中,地表水溫模型分兩部分:1)地表水自然水溫預(yù)測(cè)模型;2)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)水溫的變化模型。流動(dòng)水體流速較快,無(wú)明顯熱分層現(xiàn)象,豎向水溫分布均勻,江河水屬于流動(dòng)水體。
文獻(xiàn)[15]中對(duì)黃浦江水溫實(shí)施了連續(xù)實(shí)測(cè)(2006年6月—2006年7月),對(duì)室外空氣干濕球溫度進(jìn)行了同步測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:水溫的日較差相比氣溫很小,變化幅度在1℃以內(nèi),穩(wěn)定性好,利于末端機(jī)組可靠運(yùn)行。一年中,水溫日均值在6.4~32.1℃之間變化。
能源系統(tǒng)能耗計(jì)算應(yīng)該按照逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,這樣的計(jì)算才能正確的對(duì)不同性質(zhì)的冷熱源進(jìn)行性能對(duì)比分析。月平均氣溫與江水溫度呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系,但逐時(shí)氣溫與水溫線性相關(guān)性差,不能用月平均值替代逐時(shí)值進(jìn)行計(jì)算。由于江水溫度日差較小,加上逐時(shí)水溫資料獲取困難,可用江水日均值替代江水溫度逐時(shí)值,空氣溫度采用逐時(shí)值進(jìn)行計(jì)算。
3)輔助加熱模型
當(dāng)總線水的溫度低于某一設(shè)定值時(shí),進(jìn)行補(bǔ)熱。本研究設(shè)定總線水最低水溫為10℃,不足時(shí)用燃?xì)鉄崴疇t作為輔助加熱器進(jìn)行補(bǔ)熱。
1)總設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)采用土壤源熱泵和地表水源熱泵復(fù)合式能源總線系統(tǒng),冬季熱負(fù)荷由土壤源埋管承擔(dān),夏季負(fù)荷由土壤源與地表水源共同承擔(dān),以平衡土壤源冷熱量,保持土壤溫度全年平衡。
能源總線系統(tǒng)由于采用低品位能源與可再生能源,決定了能源總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性。負(fù)荷特性(包括負(fù)荷大小、整體趨勢(shì)的舒緩、高峰期維持的時(shí)間等方面)對(duì)于低品位能源與可再生能源的性能有重要的影響,因此能源總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要考慮最大容量時(shí)刻的負(fù)荷匹配,也要考慮源側(cè)性能衰減,以確保系統(tǒng)匹配負(fù)荷的能力不會(huì)隨著時(shí)間而衰減導(dǎo)致無(wú)法滿足用戶要求。能源總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)時(shí)間逐時(shí)仿真進(jìn)行,與采用靜態(tài)的經(jīng)驗(yàn)值或者最大值設(shè)計(jì)計(jì)算相對(duì)比,能更好的保證系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的匹配效果。
2)系統(tǒng)主要組件設(shè)計(jì)參數(shù)及容量配置
地埋管換熱器采用單U型埋管,深度為100 m,孔間距取為5 m,換熱器選用管材為PE100聚乙烯,規(guī)格為DN32。最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷(空調(diào)熱負(fù)荷+熱水負(fù)荷)是532 kW,總線側(cè)設(shè)計(jì)溫差為3℃,設(shè)計(jì)總流量為114 m3/h。
U型埋管內(nèi)設(shè)計(jì)流速按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(Technical code for ground-source heat pumPsystem)——hnical code f規(guī)定,單 U埋管流速選取0.6 m/s,單管內(nèi)設(shè)計(jì)流量為1.277 m3/h,即1277 kg/ h,鉆孔89個(gè)??偮窆苊娣e為2231 m2。
按照上海市地礦工程勘察院對(duì)研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)會(huì)所當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)場(chǎng)勘察以及熱響應(yīng)測(cè)試,當(dāng)?shù)氐?~100 m深度范圍巖土體的綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.834W/(m· K),熱容量取2016 kJ/(m3·K),初始地表溫度為20℃。
根據(jù)《暖通空調(diào)氣象資料集》,崇明地區(qū)冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算(干球)溫度?。?℃。進(jìn)水溫度設(shè)定5℃。
峰值生活熱水為300 kW,選擇3臺(tái)水-水熱泵機(jī)組提供生活熱水。水-水熱泵熱水機(jī)組按照最小進(jìn)水溫度10℃考慮,當(dāng)進(jìn)水溫度小于10℃時(shí),開啟輔助加熱器加熱至10℃。單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)工況下水源側(cè)流量為17 m3/h,負(fù)荷側(cè)流量為20.4 m3/h,制熱量為116 kW,功率為35.4 kW,COP為3.3。
夏季工況進(jìn)行空調(diào)機(jī)組配置,制冷總量為664 kW,制熱總量為747 kW,選擇9臺(tái)水源VRF機(jī)組,機(jī)組最小容量控制8%。冬季制熱工況單臺(tái)機(jī)組流量7 m3/h,夏季熱冷工況單臺(tái)機(jī)組流量為17.31 m3/h。
地表水源部分需要承擔(dān)的建筑冷負(fù)荷是142 kW,水-水換熱系數(shù)為900~1800W/(m2·K),管殼式換熱器流量設(shè)計(jì)是35 m3/h。
1)運(yùn)行方式和控制策略
總線水整體變流量運(yùn)行,根據(jù)末端設(shè)備投入的臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。熱水機(jī)組與空調(diào)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行,地源側(cè)整體變流量運(yùn)行,熱水機(jī)組源側(cè)流量與空調(diào)機(jī)組源側(cè)流量在機(jī)組開機(jī)時(shí)段內(nèi),各自定流量運(yùn)行。
熱水機(jī)組源側(cè)定流量運(yùn)行,熱水容量由運(yùn)行的熱泵臺(tái)數(shù)與運(yùn)行時(shí)間控制。選擇儲(chǔ)水罐供水,熱水器將熱水送至熱水罐,熱水罐儲(chǔ)水后送至末端用戶。模擬過程中,累計(jì)熱水負(fù)荷側(cè)供應(yīng)熱量與機(jī)組定流量運(yùn)行提供熱量比較值為控制參數(shù),控制熱泵熱水機(jī)組啟停,同時(shí)任何時(shí)刻均保證供水溫度均大于50℃。
土壤源換熱器和地表水源換熱器并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)河水溫度與地表水源換熱器源側(cè)進(jìn)水溫差小于2℃時(shí),關(guān)閉地表水源換熱器,并加大土壤源換熱器源側(cè)流量。
2)仿真結(jié)果
機(jī)組運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為每天9:00~22:00,系統(tǒng)運(yùn)行期間,總線內(nèi)的水溫以及總線水與各個(gè)源之間的換熱量都隨著時(shí)間發(fā)生著變化,見圖4和圖5。
能源總線系統(tǒng)由于水溫和換熱量的不斷變化,系統(tǒng)末端機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況與名義工況差別較大,因此需要全年系統(tǒng)能耗指標(biāo)來(lái)反映實(shí)際運(yùn)行中的能耗情況。定義能源總線系統(tǒng)全年系統(tǒng)能效比COPEBSy和全年一次能源利用率EEBSy。COPEBSy=(全年總供熱量+全年總供冷量)/(主機(jī)全年耗功+輸送系統(tǒng)全年耗功+輔助熱源加熱量);EEBSy=(全年總供熱量+全年總供冷量)/系統(tǒng)全年消耗的一次能耗:
式中:∑Q為全年總供熱量與總供冷量之和,kWh;∑Pi為全年總耗電量,kWh;η1為發(fā)電效率,火力發(fā)電取35%[16];η2為輸配電效率,取90%;Nj為燃?xì)饣蛎合牧浚琺3或者kg;Qdwj為燃?xì)饣蛎旱牡匚话l(fā)熱值,kJ/m3或者kJ/kg。
圖4 總線水溫全年逐時(shí)變化Fig·4 Changes of energy bus annual hourly water temperature
圖5 總線水與多源之間熱量交換Fig·5 The heat exchange between energy water and multi-sources
小型能源總線系統(tǒng)全年逐時(shí)功耗模擬結(jié)果見圖6,全年系統(tǒng)能耗分布圖見圖7。
3)仿真結(jié)果分析
對(duì)比能源總線系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的熱力性能,可得到相對(duì)節(jié)能率與減碳率。對(duì)比方案選擇兩種:1)冷水機(jī)組夏季制冷,冬季燃?xì)忮仩t制熱,生活熱水由燃?xì)忮仩t制備;2)風(fēng)冷熱泵夏季制冷和冬季制熱,生活熱水燃?xì)忮仩t制備。
表3 節(jié)能量和減碳量計(jì)算表Tab·3 Calculation table of energy saving and carbon reduction quantity
圖6 系統(tǒng)全年逐時(shí)總耗電量變化Fig·6 Changes of systemannual hourly total power consumption
冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)季節(jié)COP取5.0,燃?xì)忮仩t制熱COP取0.9,風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)COP取3.0,則可計(jì)算出對(duì)比方案1的全年系統(tǒng)能效比COPEBSy為1.3,方案2的全年系統(tǒng)能效比COPEBSy為1.4。
減碳率的計(jì)算中,選取天然氣電廠發(fā)電效率55%,電網(wǎng)輸送效率90%[17],天然氣碳排放系數(shù)根據(jù)《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》取0.202 kg/ (kWh)[18]。
圖7 系統(tǒng)全年總能耗分布圖Fig·7 Distribution chart of systemannual total energy consumption
低碳社區(qū)能源系統(tǒng)的選擇規(guī)劃對(duì)社區(qū)建筑能耗以及碳排放量至關(guān)重要。在社區(qū)層面集成應(yīng)用可再生能源及未利用能源,注重?zé)崃炕厥?,?yōu)化區(qū)域能源系統(tǒng)能級(jí)匹配。能源總線系統(tǒng)能有效的集成各項(xiàng)技術(shù),提高能源利用效率,實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用,熱量回收利用。能源總線系統(tǒng)在區(qū)域級(jí)別相比分散式系統(tǒng)和集中供冷供熱更具有靈活性、擴(kuò)展性、節(jié)能性。通過對(duì)應(yīng)用于金茂崇明低碳實(shí)驗(yàn)社區(qū)的小型能源總線系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,能源總線系統(tǒng)全年一次能源利用率1.1,全年系統(tǒng)能效比達(dá)3.4,對(duì)比常規(guī)能源系統(tǒng)的1.3,能源總線系統(tǒng)有可觀的節(jié)能量和減排量。
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About the corresponding author
Wang Peipei,female,Ph.D.,School of Mechanical Engineering,Tongji University,+86 13916459060,E-mail:wwwangwangaaa@163.com.Research fields:district energy planning,low carbon building and energy-saving building.
Numerical Analyses on DynamiCThermal Performance of Small Energy Bus System
Wang Peipei1LongWeiding2
(1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai,200092,China;2.College of Engineering in Germany,Tongji University,Shanghai,200092,China)
The energy bus systemisAlow carbon thermal energy systemthat can make integration of renewable energy sources or untapped energy sources for district heating and cooling.A small energy bus systemwas constructed by combining ground soil and surface water as low grade energy.Themodels of components in the systemwere developed according to theoretical analyses and test data ofmanufacturer,and the whole systemwas constructed by connecting various components on TRNSYS platform.The hourly and annual thermal performance of the systemwas simulated when it was applied to the Jinmao Chong Ming low-carbon experiment community.The result shows that the annual thermal coefficientof performance of the systemis3.5,while the thermal coefficientof performance for conventional systems is less than 1.5.Both energy saving rate and carbon reduction rate of the systemaremore than 20%.It can be seen that comprehensive benefits of renewable energy use and energy recovery are achieved in energy bus system.
energy planning;energy bus system;heat pump;systemsimulation;shallow geothermal energy
TU831;TQ051.5;TP391.9
A
0253-4339(2015)02-0059-06
10.3969/j.issn.0253-4339.2015.02.059
簡(jiǎn)介
王培培,女,博士,同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,13916459060,E-mail:wwwangwangaaa@163.com。研究方向:區(qū)域能源規(guī)劃及低碳節(jié)能建筑。
2014年6月23日