某典型區(qū)域能源站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析

王昌++李尤然++劉麗珍

摘 要：該文分析了天津生態(tài)城2號(hào)能源站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況。三年以來地源熱泵系統(tǒng)的冬季供熱比例不高，都在50%以下。地源熱泵雙機(jī)組蓄能工況下的1#和2#地源熱泵機(jī)組的平均COP值大致處于2.3～3.5之間，均低于額定COP值。但1#地源熱泵機(jī)組從2014年2月26日到2014年3月21日期間平均COP值均大于額定COP值3.5，且在4.0～4.5之間變化；2#地源熱泵機(jī)組從2014年3月11日開始到2014年3月21日期間均大于額定COP值，在3.8～4.3之間變化。機(jī)組冬季供水溫度低有利于COP值的提高。生態(tài)城2號(hào)能源站的運(yùn)行使用可以為今后的區(qū)域能源站起到指導(dǎo)性的作用。

關(guān)鍵詞：生態(tài)城 區(qū)域能源 地源熱泵 COP

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（a）-0001-04

傳統(tǒng)以大型煤電廠和大電網(wǎng)長距離輸送電能的供應(yīng)模式由于與二次能源供熱、供冷等設(shè)備設(shè)施分地分設(shè)，不僅總投資運(yùn)行成本居高不下，而且遠(yuǎn)距離輸送能量損耗大、能源利用效率低（約40%左右）、環(huán)境污染嚴(yán)重。20世紀(jì)70年代發(fā)源于美國，目前已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家普遍運(yùn)用的分布式冷熱電三聯(lián)供能源系統(tǒng)，它以天然氣為主要的一次能源，能源站規(guī)模由區(qū)域負(fù)荷需求確定，可以建在城市負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，使一次能源發(fā)電后產(chǎn)生的余熱煙氣得到了高效的梯度循環(huán)利用，能源利用率高（達(dá)80%以上），碳排放僅為傳統(tǒng)能源利用方式的1/4[1]。

該文以生態(tài)城動(dòng)漫園2號(hào)能源站為例（該文討論的為供熱季）來具體分析區(qū)域能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

1 能源站系統(tǒng)及運(yùn)行策略

1.1 能源站系統(tǒng)組成

該能源站主要由一套冷熱電三聯(lián)供機(jī)組、二臺(tái)地源熱泵機(jī)組、二臺(tái)電制冷水冷機(jī)組、四個(gè)蓄能罐、換熱機(jī)組、循環(huán)水泵及管道閥門等部分組成。圖1所示為該能源站系統(tǒng)示意圖。

1.1.1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一臺(tái)常載負(fù)荷為1 480 kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電電壓等級(jí)400 V，通過變電所升壓變壓器升壓為10 kV，與市網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)需要孤島運(yùn)行時(shí)，為能源站的水泵、照明供電，同時(shí)發(fā)電機(jī)組為煙氣余熱溴冷機(jī)提供387 ℃的高溫?zé)煔?，煙氣? 922 kg/h，提供97/70 ℃的缸套水，缸套水流量：25.9 m3/h。

1.1.2 煙氣熱水型余熱吸收式空調(diào)機(jī)

本能源站三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用發(fā)電機(jī)組與余熱吸收機(jī)的直接連接方式。采用一臺(tái)Q冷=1 363 kW，Q熱=1 472 kW的機(jī)組。

1.1.3 地源熱泵機(jī)組

根據(jù)天津地區(qū)氣候特點(diǎn)及該項(xiàng)目現(xiàn)場條件，本項(xiàng)目采用土壤源熱泵系統(tǒng)提供動(dòng)漫園二號(hào)站全年部分冷熱負(fù)荷。包括兩臺(tái)機(jī)組，一臺(tái)機(jī)組Q冷=3 550 kW、P冷=669 kW，另一臺(tái)機(jī)組Q熱=4 100 kW、P熱=1 187 kW。

1.1.4 電制冷水機(jī)組

電制冷機(jī)組選用兩臺(tái)制冷量為4 100 kW的機(jī)組作為調(diào)峰設(shè)備。

1.1.5 蓄能系統(tǒng)

系統(tǒng)選用4個(gè)容積為750 m3的蓄冷（熱）水罐.夏季水蓄冷按照4/12 ℃蓄冷溫度設(shè)計(jì)，總蓄冷能力為24 300 kWh。冬季水蓄熱按照65/50 ℃蓄熱溫度設(shè)計(jì)，總蓄熱能力為45 700 kWh。

1.2 系統(tǒng)的運(yùn)行策略

能源站的供熱季運(yùn)行策略為。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的發(fā)電供應(yīng)范圍為：煙氣熱水型余熱吸收式空調(diào)機(jī)及其輔機(jī)（水泵、冷卻塔）、1臺(tái)地源熱泵機(jī)組及2臺(tái)地源熱泵的所有輔機(jī)（用戶級(jí)泵、地源側(cè)泵）；能源站內(nèi)其他用電由市電供應(yīng)。

低谷期（23：00～7：00）：市電驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組在制熱工況下運(yùn)行，向蓄能槽進(jìn)行蓄熱，系統(tǒng)進(jìn)入蓄熱工況。發(fā)電機(jī)組、余熱吸收機(jī)和電制冷機(jī)均處于停機(jī)狀態(tài)。

高峰期（8：00～11：00、18：00～23：00）：發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)地源熱泵機(jī)組制熱，并帶動(dòng)余熱吸收機(jī)和能源站部分輔機(jī)；其煙氣余熱通過余熱吸收機(jī)制熱，缸套水通過換熱器提供熱量。同時(shí)市電驅(qū)動(dòng)蓄冷循環(huán)泵，將低谷期蓄存在蓄能槽中的熱量進(jìn)行釋熱。根據(jù)熱負(fù)荷變化情況，由市電驅(qū)動(dòng)另一臺(tái)地源熱泵機(jī)組制熱，以補(bǔ)充熱量不足部分。

平段期（7：00～8：00、11：00～18：00）：由辦公建筑特點(diǎn)，這段時(shí)間能源站所負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷變化較平穩(wěn)。系統(tǒng)運(yùn)行模式同高峰期。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

根據(jù)能源價(jià)格政策，優(yōu)化選擇地源熱泵和直燃機(jī)運(yùn)行，同時(shí)可以人工選擇。

根據(jù)天氣變化和負(fù)荷的實(shí)際需要，選擇主機(jī)設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)，制定主機(jī)及其輔機(jī)運(yùn)行時(shí)間表，由程序按照事先設(shè)定的時(shí)間表，自動(dòng)起停，方便管理、高效運(yùn)行。

根據(jù)負(fù)荷情況自動(dòng)加/減主機(jī)設(shè)備及輔助設(shè)備。

在系統(tǒng)節(jié)能控制模式下，根據(jù)預(yù)測負(fù)荷、實(shí)時(shí)負(fù)荷情況、主機(jī)設(shè)備及其輔機(jī)性能，優(yōu)化選擇主機(jī)設(shè)備及其輔機(jī)臺(tái)數(shù)，保證系統(tǒng)整體效率最優(yōu)。

根據(jù)負(fù)荷情況、室外氣象參數(shù)，優(yōu)化設(shè)定空調(diào)冷熱水供水量，實(shí)現(xiàn)變水量調(diào)節(jié)，在保證供冷供熱需要的前提下，冷熱源中心整體效率最高，運(yùn)行費(fèi)用最省。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)定的空調(diào)冷熱水供水量自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行頻率，方便管理、高效運(yùn)行。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)定的地埋管循環(huán)水量自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行頻率，方便管理、高效運(yùn)行。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)定的冷卻水供水量自動(dòng)控制冷卻水泵的運(yùn)行頻率，方便管理、高效運(yùn)行。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)定的冷卻水溫度自動(dòng)控制冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率，方便管理、高效運(yùn)行。

2 實(shí)際運(yùn)行分析與討論

2.1 系統(tǒng)機(jī)組實(shí)際開啟運(yùn)行工況

目前2號(hào)能源站已經(jīng)有部分用戶使用，但因?yàn)槭褂寐瘦^低以及其他限制原因，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)并未投入運(yùn)行。2013—2014年冬季能源站投入運(yùn)行的設(shè)備包括2臺(tái)地源熱泵機(jī)組、4臺(tái)蓄能罐、2臺(tái)板式換熱器。

2013—2014的供熱期為2013年11月10日至2014年3月21日，共計(jì)132 d。2013年冬季，2#能源站是為動(dòng)漫園主樓01、02-01、02-02、02-03共4座辦公樓供暖，各樓建筑面積及設(shè)計(jì)負(fù)荷詳見表1。

2.2 冬季地源熱泵運(yùn)行情況供能分析

2013—2014年冬季采暖投入運(yùn)行的供暖設(shè)備包括2臺(tái)地源熱泵機(jī)組、4臺(tái)蓄能罐、2套板式換熱器和市政供暖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此次采暖季能源站總供熱量為32 363 GJ。兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組共運(yùn)行了1 093.7 h，總產(chǎn)熱量為12 548.9 GJ，占總供熱量的39%；市政供熱量為19 791.1 GJ，占總供熱量的61%。

2.3 空調(diào)側(cè)運(yùn)行分析

能源站共有兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組，型號(hào)為YORK_CYKKQKRH9H05CWCSG，基本參數(shù)如表2所示。

由表2計(jì)算可知，地源熱泵機(jī)組冬季直供工況額定COP為4.1，蓄能工況額定COP為3.5。

采用COP平均值評(píng)價(jià)地源熱泵的能效，計(jì)算公式為COP平均=制熱量/耗電量。制熱量為運(yùn)行時(shí)段累計(jì)熱量，耗電量為運(yùn)行時(shí)段累計(jì)耗電量。其熱量由溫差和流量計(jì)算得到，其數(shù)值取地源熱泵開啟到停止的中間一段穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，耗電量為電表的累積電量。

在整個(gè)采暖季中，1#地源熱泵直供時(shí)間共7.2 h，蓄能時(shí)間共544 h，總運(yùn)行時(shí)間為551.2 h。2#地源熱泵直供時(shí)間共5.3 h，蓄能時(shí)間共540.7 h，總運(yùn)行時(shí)間為546 h。兩臺(tái)機(jī)組基本處于蓄能狀態(tài)，共有118次蓄熱運(yùn)行。1#、2#同時(shí)蓄能時(shí)平均COP隨時(shí)間變化以及累計(jì)熱量和耗電量隨時(shí)間變化趨勢分別如圖3、4所示，平均供水溫度和平均COP隨時(shí)間變化如圖5所示。

雙機(jī)組蓄能工況下共蓄能12 395.7 GJ，占總供熱量的38%。由圖3可知，地源熱泵雙機(jī)組蓄能工況下的1#和2#地源熱泵機(jī)組的平均COP值大致處于2.3～3.5之間，均低于額定COP值。但1#地源熱泵機(jī)組從2014年2月26日到2014年3月21日期間平均COP值均大于額定COP值3.5，且在4.0～4.5之間變化；2#地源熱泵機(jī)組從2014年3月11日開始到2014年3月21日期間均大于額定COP值，在3.8～4.3之間變化。這其中原因可以從圖5中得到解釋。

由圖5可以看出，用戶側(cè)供水溫度從2014年3月12日開始快速下降，從原來的32 ℃下降到27.8 ℃，此時(shí)機(jī)組平均COP值明顯增大。進(jìn)一步說明了機(jī)組冬季供水溫度低有利于COP值的提高。

3 結(jié)語

三年以來地源熱泵系統(tǒng)的冬季供熱比例不高，都在50%以下。由于冬季有其它熱源，如2011—2012年冬季有4臺(tái)燃?xì)忮仩t作為備用熱源，2012—2013年冬季以及2013—2014年冬季有市政熱作為補(bǔ)充熱源，所以在峰谷電價(jià)的存在下，應(yīng)優(yōu)先采用地源熱泵系統(tǒng)在夜間蓄能，從而可以充分利用地源熱泵系統(tǒng)以及蓄能系統(tǒng)的優(yōu)勢，進(jìn)而減少備用熱源的使用率，提高效率。地源熱泵雙機(jī)組蓄能工況下的1#和2#地源熱泵機(jī)組的平均COP值大致處于2.3～3.5之間，均低于額定COP值。但1#地源熱泵機(jī)組從2014-2-26到2014-3-21期間平均COP值均大于額定COP值3.5，且在4.0～4.5之間變化；2#地源熱泵機(jī)組從2014年3月11日開始到2014年3月日21日期間均大于額定COP值，在3.8～4.3之間變化。機(jī)組冬季供水溫度低有利于COP值的提高。生態(tài)城2號(hào)能源站的運(yùn)行使用可以為今后的區(qū)域能源站起到指導(dǎo)性的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃聰健.區(qū)域分布式綜合能源系統(tǒng)視角下的控制性詳細(xì)規(guī)劃編制研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.