夏熱冬冷地區(qū)能源總線系統(tǒng)的區(qū)域能源規(guī)劃方法

(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)

夏熱冬冷地區(qū)能源總線系統(tǒng)的區(qū)域能源規(guī)劃方法

孟 華1王 海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)

本文提出一種適于夏熱冬冷地區(qū)、采用能源總線進(jìn)行區(qū)域能源規(guī)劃的普遍方法。利用分布式變頻水泵的水力解耦特性，通過冷、熱線將多個(gè)冷(熱)源和多個(gè)用戶(樓宇)連接成能源網(wǎng)。在冷(熱)源處采用制冷或供熱設(shè)備控制總線供水溫度，在用戶處采用制冷機(jī)組和熱泵等為用戶提供冷水、熱水或生活熱水。該能源總線組態(tài)方式具有熱力解耦能力，源和用戶都可根據(jù)本地負(fù)荷變化靈活調(diào)整設(shè)備運(yùn)行。本文建立了一整套水力、熱力數(shù)學(xué)模型，用于規(guī)劃冬季供暖且夏季供冷的區(qū)域供能場合，以實(shí)際案例說明了能源總線的區(qū)域能源規(guī)劃的具體方法。結(jié)果表明：結(jié)合地源熱泵、水源熱泵及蒸氣型溴化鋰等供能設(shè)備，該方法具有良好的低品位能源利用率，在夏季和冬季的系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COP分別為3.85和3.17。

能源規(guī)劃；區(qū)域供熱/供冷；能源總線；分布式熱泵；分布式變頻水泵

近年來，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，建筑能耗占總能源消耗比例越來越高。在歐洲，建筑能耗占總能耗比例已超過40%，冷、熱能耗占建筑能耗比例超過46%。在中國，建筑能耗占比也超過30%，且逐年增加。由于能源效率高，經(jīng)濟(jì)合理，且能有效減少碳排放，分布式能源系統(tǒng)結(jié)合區(qū)域供熱供冷網(wǎng)，越來越多地被應(yīng)用于城鎮(zhèn)建筑供能[1-2]。

夏熱冬冷地區(qū)的建筑物在夏季需要供冷，冬季需要采暖，但由于采暖期短，致使傳統(tǒng)的集中采暖方式經(jīng)濟(jì)性較差。在夏季，與單獨(dú)供冷方式相比，采用區(qū)域供冷方式的經(jīng)濟(jì)供冷半徑一般應(yīng)在1 km以內(nèi)[3-4]。若要實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)高效夏季供冷及冬季采暖，分布式能源技術(shù)具有明顯優(yōu)勢[5-7]，但目前區(qū)域內(nèi)多種類型建筑之間的能源互聯(lián)還主要體現(xiàn)在電能通過電網(wǎng)進(jìn)行互融互通[8-9]。為了最大限度地利用可再生能源、廢熱等資源以節(jié)約能源，減少碳排放，能源系統(tǒng)的未來發(fā)展需要一種新的組態(tài)方式，以實(shí)現(xiàn)冷、熱能量的“互通互融”。

能源總線系統(tǒng)(energy bus system, EBS)是近年來被提出的一種可實(shí)現(xiàn)在區(qū)域范圍內(nèi)冷、熱能量互通互融的新系統(tǒng)[10-15]。Wang Peipei等[10-11]基于EBS特點(diǎn)提出了一種半集中式區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)，對(duì)EBS設(shè)計(jì)原則、形式及控制策略進(jìn)行分析，指出該系統(tǒng)兼?zhèn)鋮^(qū)域集中供能的規(guī)模優(yōu)勢與分散供能的靈活性。樊瑛等[12]建立了天然水源EBS、冷卻塔EBS及單體建筑供冷系統(tǒng)的分析與碳分析模型。王培培等[13]對(duì)小型EBS進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明：EBS全年系統(tǒng)綜合熱力性能系數(shù)達(dá)3.5，而常規(guī)方案系統(tǒng)綜合熱力性能系數(shù)均小于1.5，EBS節(jié)能率和減碳率大于20%。王培培等[14]對(duì)EBS相對(duì)常規(guī)分散系統(tǒng)所特有的多源多用戶特征進(jìn)行系統(tǒng)混水和熱回收過程的分析。龍惟定等[15]介紹了新加坡樟宜海軍基地海水間接冷卻系統(tǒng)應(yīng)用EBS進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程案例，該系統(tǒng)可節(jié)約600萬美元的生命周期成本，每年節(jié)約35萬m3飲用水。綜上所述：EBS具有更高的綜合能源利用率，碳減排效果明顯。

不同區(qū)域的可利用能源大相徑庭，若采用EBS進(jìn)行區(qū)域能源規(guī)劃，亟需具有共性的方法論。夏熱冬冷地區(qū)，尤其是建設(shè)低碳生態(tài)園區(qū)，應(yīng)用EBS可同時(shí)兼顧供熱供冷，減少單獨(dú)供能的弱點(diǎn)。在夏熱冬冷地區(qū)EBS的應(yīng)用方法具有典型性。本文嘗試?yán)肊BS思想說明冷、熱能量在多源、多用戶之間的互聯(lián)方法，并結(jié)合實(shí)際案例提出一種將EBS應(yīng)用于區(qū)域能源規(guī)劃的普遍方法。

1 系統(tǒng)組態(tài)

相對(duì)于單體建筑分別配備供能設(shè)備提供能源，或分布式能源站為多個(gè)建筑提供能源，EBS組態(tài)方式更像這二者的結(jié)合。不僅在用戶的建筑內(nèi)配置冷水機(jī)組或水-水熱泵，且在各源處采用類似熱泵的供能設(shè)備提供能量。該系統(tǒng)組態(tài)處于集中和分散供能二者之間。通過環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管網(wǎng)，系統(tǒng)總線在各類源與用戶(建筑)之間實(shí)現(xiàn)冷、熱能量的傳送。EBS在夏季和冬季的基本組態(tài)如圖1所示。

1.1源

EBS系統(tǒng)組態(tài)對(duì)冷、熱源品質(zhì)要求很低。在區(qū)域內(nèi)，值得投資回收和利用的廢熱、未利用能源、可再生能源等都可用于區(qū)域內(nèi)建筑供能，且區(qū)域內(nèi)高、低品質(zhì)能源可通過梯級(jí)利用達(dá)到最優(yōu)用能效率。

本文提出的EBS，凡接入總線的源都需要滿足：具有主動(dòng)調(diào)節(jié)供熱或供冷介質(zhì)出口溫度的能力；在源處配置熱泵機(jī)組可有力保證EBS水力、熱力平衡，在供冷/供熱時(shí)，源可在設(shè)計(jì)容量內(nèi)提供穩(wěn)定溫度的冷水/熱水。如圖1所示，夏季和冬季，水源、土壤源等資源都采用熱泵機(jī)組輸出相應(yīng)設(shè)定溫度的冷、熱水。

1水源熱泵；2地源熱泵；3市政(用戶)；4用戶(購物)；5用戶(旅館)；6用戶(學(xué)校)。圖1 能源總線組態(tài)Fig.1 The EBS configuration

1.2網(wǎng)

EBS采用環(huán)狀管網(wǎng)將區(qū)域內(nèi)的源和用戶連接起來。環(huán)狀管網(wǎng)保證多源和多用戶在供能和耗能隨時(shí)變化時(shí)實(shí)現(xiàn)互通互融。本文將EBS主干網(wǎng)簡化為冷線及熱線。夏季供冷時(shí)，冷線為供水管線，熱線為回水管線；冬季供熱時(shí)，熱線為供水管線，冷線為回水管線。

管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是單環(huán)或多環(huán)。源和用戶都采用并聯(lián)方式通過各自的供回水管連接在冷線與熱線之間。由于總線的管網(wǎng)需要在區(qū)域內(nèi)兼顧供冷和供熱，因此，對(duì)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管徑大小和管道保溫等規(guī)劃都需要綜合考慮。

如圖1所示，在夏季，冷線的供水設(shè)計(jì)溫度不需要很低(如18 ℃)，因此，管道向土壤的散熱量較少，而熱線回水(如44 ℃)向土壤散熱也有利于提高系統(tǒng)能效；在冬季，熱線的供水設(shè)計(jì)溫度不高(如40 ℃)，也可減少管道向土壤的散熱量。

1.3用戶

利用EBS的用戶需配備制冷或供熱設(shè)備以供應(yīng)本地冷、熱需求。在夏季(如圖1(a))，用戶可配置冷水機(jī)組，利用冷線供水作為冷卻水；也可配置水-水熱泵(如用戶5)，利用熱線回水作為生活熱水的熱量來源，利用自身或周圍建筑排熱，提高能源利用率。在冬季(如圖1(b))，用戶可配置水-水熱泵，利用熱線供水作為熱源為建筑采暖。

在用戶處配備制冷或供熱設(shè)備，可根據(jù)本地實(shí)際需求，隨時(shí)調(diào)整供能負(fù)荷。該方式汲取了分布式能源貼近需求側(cè)的供能思想，各類用戶可按照本地建筑用能規(guī)律靈活配置機(jī)組，無需考慮利用的冷、熱能具體來自總線上的哪個(gè)源。

1.4水力平衡

要通過EBS實(shí)現(xiàn)多源多匯之間的供能目標(biāo)，必須保證總線水量按用戶需求準(zhǔn)確供給到總線上的所有用戶端，因此，必須保證總線內(nèi)的水力平衡。在傳統(tǒng)的枝狀管網(wǎng)中，常通過在各水力支路上安裝調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)水力平衡。但在EBS多源環(huán)狀管網(wǎng)中，處于水力交匯點(diǎn)的用戶將獲得來自多個(gè)源的供水，且交匯點(diǎn)位置隨用戶負(fù)荷不斷變化，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式很難實(shí)現(xiàn)水力平衡。

本文采用分布式變頻水泵(distributed variable speed pumps, DVSP)實(shí)現(xiàn)水力平衡，可適應(yīng)EBS供能。DVSP是一種新型水力平衡方式[16-18]，通過在各用戶處布置獨(dú)立循環(huán)水泵，并在熱源處布置均壓管實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡。

圖2所示為具有兩個(gè)源的DVSP水力平衡系統(tǒng)。如圖2(a)所示，在源1和源2的供、回水管之間安裝了均壓管；源的循環(huán)泵3和泵4提供的壓頭只能克服源內(nèi)部阻力；各用戶處的循環(huán)泵5～7根據(jù)用戶負(fù)荷需求變頻抽水；源2的循環(huán)泵入口處安裝了補(bǔ)水泵8和補(bǔ)水箱9，以提供定壓。圖2(b)為相應(yīng)的水壓線圖。顯然，總線主干管網(wǎng)的供水壓力都小于回水壓力。“以泵代閥”這種新的水力平衡方式可節(jié)約大量水泵功耗。

1～2源；3～7循環(huán)泵；8補(bǔ)水泵；9補(bǔ)水箱；10～12用戶；13～14均壓管；15～18 閥門。圖2 具有兩個(gè)對(duì)稱布置源的分布式變頻水泵水力平衡系統(tǒng)Fig.2 Hydraulic balance DVSP system with 2 symmetric energy sources

1.5熱力平衡

水力平衡是熱力平衡的前提條件。最優(yōu)的熱力平衡不僅要求用戶能夠得到所需能源，還要求以最小代價(jià)得到。優(yōu)化的熱力平衡系統(tǒng)希望盡可能利用可再生能源、廢熱等資源。

為達(dá)到熱力平衡的優(yōu)化目標(biāo)，需要各類型的源盡可能提供給總線相同品質(zhì)的能量。因此，本文提出接入總線的源都需要提供相同溫度的供水。在夏季工況，冷線的供水采用同一溫度(如18 ℃)，處于水力交匯處的用戶就不會(huì)產(chǎn)生“混水”溫差問題，且穩(wěn)定的冷線供水溫度給用戶處的冷水機(jī)組等設(shè)備提供穩(wěn)定的冷卻水溫，有利于用戶設(shè)備高效運(yùn)行。同理，在冬季工況下也應(yīng)采用穩(wěn)定的熱線供水溫度。

冷線和熱線的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度不僅對(duì)源和用戶處的設(shè)備選型及運(yùn)行性能影響很大，而且對(duì)管道與沿途環(huán)境的換熱量也有決定性影響。其設(shè)計(jì)溫度需要綜合這兩方面因素，根據(jù)季節(jié)、晝夜和地區(qū)等外界條件優(yōu)化設(shè)定。

2 數(shù)學(xué)模型

EBS將源、用戶通過冷、熱兩條總線聯(lián)系起來。這種基于EBS進(jìn)行區(qū)域能源規(guī)劃的方式需要對(duì)源、用戶和總線的水力、熱力特性進(jìn)行量化分析。本文將冷(熱)源、用戶(樓宇/建筑群)簡化為具有水力和熱力特性的集總模型，根據(jù)DVSP水力特性，建立以管網(wǎng)為主體的總線模型。在具體能源規(guī)劃中，也可以根據(jù)某個(gè)源或用戶的能源特性建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并集成到總線模型中。一般情況下，在能源規(guī)劃階段，只需為描述源或用戶的水力和熱力特性參數(shù)選擇一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)取值范圍，則可為設(shè)計(jì)階段提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.1源

水源熱泵、地源熱泵、熱電廠和天然氣能源站等，都可成為EBS的能量源。本文從總線角度，對(duì)源的水力和熱力特性進(jìn)行集總簡化。采用DVSP方式進(jìn)行水力平衡，系統(tǒng)中的源都開啟均壓管，并在其中一個(gè)源的循環(huán)泵入口處設(shè)置定壓點(diǎn)。

2.1.1水力特性

對(duì)所有開啟均壓管的源，其水力特性為：

(1)

對(duì)布置定壓點(diǎn)的源，其水力特性為：

(2)

式中：pst為定壓點(diǎn)的靜壓值，Pa。

(3)

式中：r0,s、r1,s和r2,s為擬合系數(shù)。

源s處循環(huán)水泵的功率WPump,s：

(4)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；ηPump,s為水泵總效率。

2.1.2熱力特性

在本文中，源都具有調(diào)節(jié)供水溫度的能力。因此，在夏季和冬季，源的供水溫度設(shè)定值分別是冷線和熱線的設(shè)計(jì)水溫，其熱力特性可簡化為：

(5)

在夏季，熱線回水流入源，冷卻后供水進(jìn)入冷線；在冬季，冷線回水流入源，加熱后供水進(jìn)入熱線。設(shè)源s提供的熱(冷)量為Hs，W，則有：

(6)

2.2用戶

用戶可根據(jù)本地負(fù)荷變化隨時(shí)調(diào)節(jié)本地制冷和供熱設(shè)備的運(yùn)行工況。通過采用DVSP水力平衡方式，用戶可根據(jù)本地設(shè)備工況調(diào)節(jié)水泵的循環(huán)流量。對(duì)各類用戶的水力和熱力特性，本文從總線的角度進(jìn)行集總簡化。

2.2.1水力特性

用戶m的水力特性為：

(7)

(8)

式中：r0,m、r1,m和r2,m為擬合系數(shù)。

用戶m循環(huán)水泵的功率WPump,m：

(9)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；ηPump,m為水泵總效率。

2.2.2熱力特性

在EBS中，用戶都從冷線或熱線獲得供水。在夏季，用戶的制冷設(shè)備從冷線獲得冷量，然后回水排入熱線。在冬季，用戶的制熱設(shè)備從熱線獲得熱量，然后回水排入冷線。不論夏、冬季，用戶的生活熱水生產(chǎn)設(shè)備總是從熱線獲得熱量，然后回水排入冷線。因此，用戶的熱力特性為：

(10)

(11)

2.3總線

2.3.1水力模型

總線的水力模型可采用管網(wǎng)輸配模型[19-21]。在多源環(huán)狀管網(wǎng)建模方法中，傳統(tǒng)平面網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用廣泛，相關(guān)算法成熟，建模方法能夠滿足平面網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)分析的基本需求。

首先生成空間管網(wǎng)樹，其基本關(guān)聯(lián)矩陣A為：

A=(aij)(N-1)×Kaij=

基本回路矩陣B為：

B=(bij)(K-N+1)×Kbij=

其中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N；管段數(shù)量為K。

設(shè)空間管網(wǎng)的基本回路數(shù)為F，若滿足式(12)，

F=K-N+1

(12)

則有：

ABT=0

(13)

基于基爾霍夫定律建模，由節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程和環(huán)路能量方程有：

AGk=Qk

(14)

B(Δpk-Hk)=0

(15)

管段的阻力方程采用Hazen-Williams公式：

(16)

式中：Gk為管段流量列向量；Qk為節(jié)點(diǎn)入流列向量；Δpk為管段阻力損失列向量；Hk為水泵揚(yáng)程列向量；下標(biāo)k為管段編號(hào)；C為實(shí)驗(yàn)得到的系數(shù)，與管內(nèi)壁粗糙度有關(guān)；D為管段內(nèi)徑，m。

建立求解方程組后，可采用Hardy Cross或Newton-Raphson等管網(wǎng)平差方法，求解方程組，可一次求得某種穩(wěn)態(tài)工況下所有管段流量Gk和阻力損失Δpk。

2.3.2熱力模型

總線的熱力模型需考慮管道與外部環(huán)境熱交換過程及在三通等連接點(diǎn)的合流或分流過程[22-24]。

沿管道的水流穩(wěn)態(tài)能量方程為：

(17)

在連接點(diǎn)水流匯合時(shí)，認(rèn)為水流在匯合點(diǎn)處充分混合，混合后水流的比焓值為各管道水流以質(zhì)量流量作加權(quán)的平均值；在連接點(diǎn)水流分流時(shí)，分流后的各管道中水流的比焓值為分流前管道中水流的比焓值。合流和分流的管道流動(dòng)狀態(tài)如圖3所示。

l、m、n管道；T三通圖3 連接點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)圖Fig.3 The flow diagram at pipe junctions

圖3(a)的能量平衡方程為：

(18)

圖3(b)的能量平衡方程為:

hn=hl=hm

(19)

2.3.3系統(tǒng)綜合性能系數(shù)

EBS通過冷、熱線管網(wǎng)將源提供的能源輸送到用戶處。在這一過程中，總線系統(tǒng)的循環(huán)水泵及源和用戶處的制冷、供熱設(shè)備都需要消耗電能。在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的某個(gè)時(shí)刻，EBS的系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COPEB定義為：

(20)

式中：∑Hm為所有用戶獲得的能量總和，W；∑WPump為所有水泵的能耗，W；∑Wc為所有源和用戶處制冷、供熱設(shè)備的能耗，W。

3 案例分析

圖4 官塘新城區(qū)域平面圖Fig.4 Regional plan in Guantang New City

以鎮(zhèn)江市官塘新城為例，說明在夏熱冬冷地區(qū)基于EBS進(jìn)行能源規(guī)劃的一般方法。該區(qū)域面積約13.92平方公里，擬建設(shè)為中國生態(tài)、低碳示范園區(qū)，平面規(guī)劃如圖4所示。首期建設(shè)區(qū)域位于圖中黑色虛線內(nèi)。此區(qū)域內(nèi)具有展覽館、五星級(jí)酒店、三甲醫(yī)院、中學(xué)、購物中心、軟件產(chǎn)業(yè)園、別墅、生態(tài)小鎮(zhèn)等多種類型的建筑，在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行夏季供冷和冬季供暖的整體能源規(guī)劃。

3.1冷、熱及生活熱水負(fù)荷

根據(jù)前期現(xiàn)場勘查，本區(qū)域可利用土壤源、地表水源及附近一座燃?xì)獍l(fā)電廠的蒸氣余熱作為3個(gè)主要冷、熱源。對(duì)區(qū)域內(nèi)首期開發(fā)的用戶，選取夏、冬季的某個(gè)典型設(shè)計(jì)工況日下的冷、熱負(fù)荷進(jìn)行示范計(jì)算。區(qū)域內(nèi)各用戶負(fù)荷預(yù)測值如表1所示，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的總冷負(fù)荷、總熱負(fù)荷及總生活熱水負(fù)荷分別為116 449 kW、64 133 kW及11 814 kW。

表1 用戶冷、熱及生活熱水負(fù)荷預(yù)測值Tab.1 Predicted cooling load, heat load and domestichot water load for each customer

注：C1文創(chuàng)小鎮(zhèn)；C2公交停保場；C3住宅小區(qū)；C4低碳展示中心；C5四個(gè)展覽館；C6花間堂酒店；C7臺(tái)江軟件園；C8官塘醫(yī)院；C9官塘中學(xué)；C10南山里別墅區(qū)；C11養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)園1號(hào)；C12養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)園2號(hào)；C13奧特萊斯購物區(qū)。

表1中，冷負(fù)荷是指夏季的制冷負(fù)荷，熱負(fù)荷是指冬季的供熱負(fù)荷，生活熱水負(fù)荷是指夏、冬兩季共有的負(fù)荷。

3.2EBS規(guī)劃

根據(jù)源及用戶建筑的地理位置分布，初步確定EBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。總線的主干管網(wǎng)沿市政道路敷設(shè)，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。S1為蒸氣余熱產(chǎn)冷、熱水溴化鋰機(jī)組；S2為地表水源熱泵機(jī)組；S3為地源熱泵機(jī)組。

附近用戶建筑物通過支線管連接到主干管上，可基本確定每段管道的長度。一般將供、回水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初步取一組管徑和管內(nèi)壁面粗糙度作為管網(wǎng)設(shè)計(jì)初始值,再分別對(duì)夏季、冬季工況下EBS水力和熱力狀況進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

圖5 總線系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 The EBS in Guantang New City

根據(jù)近5年鎮(zhèn)江市夏季和冬季的平均氣溫及淺層土壤溫度記錄，初步規(guī)劃總線系統(tǒng)時(shí)采用表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

表2 能源總線規(guī)劃參數(shù)Tab.2 EBS planning parameters

當(dāng)初步確定冷線和熱線的設(shè)計(jì)溫度后，根據(jù)式(11)確定各用戶在預(yù)測負(fù)荷下的循環(huán)水量。再通過總線模型計(jì)算每個(gè)源的供水量。

在本案例中，夏季工況下，在用戶處分別采用冷水機(jī)組滿足冷負(fù)荷，水-水熱泵滿足生活熱水負(fù)荷。由于用戶冷水機(jī)組出口處的回水溫度較高(44 ℃)，可抽取一部分作為水-水熱泵機(jī)組的水源用于生產(chǎn)生活熱水。這種方式充分利用建筑廢熱，大幅節(jié)約能源。用戶處的水力布置如圖6所示。

圖6 夏季工況用戶水力布置Fig.6 The hydraulic layout for customers in summer

圖7 冬季工況用戶水力布置Fig.7 The hydraulic layout for customers in winter

冬季工況下，在用戶處分別采用水-水熱泵滿足空間制熱及生活熱水負(fù)荷。熱線供水分別進(jìn)入兩個(gè)設(shè)備，經(jīng)過設(shè)備換熱后，回水返回冷線。用戶處的水力布置如圖7所示。

3.3結(jié)果分析

3.3.1夏季工況

設(shè)用戶處冷水的供/回水溫度為7 ℃/12 ℃；生活熱水的供/回水溫度為55 ℃/25 ℃。源S1處冷水機(jī)組的進(jìn)口蒸氣為0.8 MPa，185 ℃；源S2處地表水的平均水溫為19～23 ℃；源S3處埋地管的平均水溫為14～18 ℃。

由上述數(shù)學(xué)模型完成水力、熱力計(jì)算，可得夏季工況所有用戶處的循環(huán)水泵功耗、制冷功耗及生活熱水功耗，見表3；各源處的循環(huán)水泵功耗，制冷設(shè)備功耗和制冷量占總制冷量百分比，見表4。

整個(gè)系統(tǒng)所消耗的總功耗為33 313.0 kW，總得能量為128 263.0 kW。相比之下，管網(wǎng)散熱量為497.5 kW，在總得能量中占比僅為0.39%。在夏季，由于水-水熱泵采用本地制冷機(jī)組的回水(44 ℃)制備生活熱水，提高了系統(tǒng)綜合性能系數(shù)，由式(20)可計(jì)算得COPEB為3.85。

3.3.2冬季工況

設(shè)用戶處供熱熱水的供/回水溫度為60 ℃/40 ℃，生活熱水的供/回水溫度為60 ℃/5 ℃。源S1處供熱機(jī)組的進(jìn)口余熱蒸氣為0.8 MPa，195 ℃；源S2處地表水的平均水溫為0～10 ℃；源S3處埋地管內(nèi)的平均水溫為10～14 ℃。

表3 夏季工況下各用戶處的設(shè)備功耗Tab.3 The energy consumptionof each userin summer scenario

表4 夏季工況下各源處的設(shè)備功耗Tab.4 The energy consumptionof each sourcein summer scenario

由上述水力和熱力計(jì)算，可得冬季工況所有用戶處的循環(huán)水泵功耗、供熱功耗和生活熱水功耗，見表5；各源的循環(huán)水泵功耗、供熱功耗及供熱量占總供熱量比例，見表6。

整個(gè)系統(tǒng)所消耗的總功耗為23 978.9kW，總得能量為75 947 kW。相比之下，管網(wǎng)散熱量為558.2 kW，在總得能量中占比僅為0.73%。本例中，在源和用戶處選取的制熱設(shè)備聯(lián)合制熱COP約為3.5，由于管道散熱和循環(huán)水泵功耗的影響，系統(tǒng)綜合COPEB為3.17。

表5 冬季工況下各用戶處的設(shè)備功耗Tab.5 The energy consumption of each user inwinter scenario

表6 冬季工況下各源處的設(shè)備功耗Tab.6 The energy consumption of each sourcein winter scenario

3.3.3討論

通過EBS方式，系統(tǒng)獲取能量的過程分兩步。第一步，在源處的設(shè)備從冷/熱源獲得冷/熱量后送入總線；第二步，用戶處的設(shè)備從總線獲得冷/熱量后送給用戶。采用這種方式的優(yōu)勢是：區(qū)域內(nèi)各類品質(zhì)不同的能源都可納入到總線中利用，且用戶還可根據(jù)自身的需求靈活調(diào)整設(shè)備運(yùn)行?；贓BS組態(tài)方式，系統(tǒng)利用本地燃?xì)獍l(fā)電廠的蒸氣余熱、地表水源和土壤源即可滿足區(qū)域供熱供冷的需求。

EBS系統(tǒng)性能較佳。在本例中，盡管選擇設(shè)備性能參數(shù)COP時(shí)偏保守，系統(tǒng)的綜合COPEB仍保持在3.0以上。特別是夏季，在生產(chǎn)生活熱水時(shí)回收了本地制冷回水，提高了能源利用率。

本文采用DVSP水力運(yùn)行方案，以泵代閥，大量節(jié)約水泵功耗。取所有循環(huán)水泵的效率ηPump=0.65。夏季工況時(shí)，水泵功耗相對(duì)總負(fù)荷占比約0.15%，對(duì)設(shè)備總功耗的比例為0.56%；冬季對(duì)總負(fù)荷的比例約0.20%，對(duì)設(shè)備總功耗的占比為0.65%。說明水泵功耗與循環(huán)水所傳遞的能量相比非常小。

在夏熱冬冷地區(qū)，夏季需要供冷，冬季需要供熱的情況對(duì)利用地源熱泵很有利，可緩解土壤溫度逐年偏離設(shè)計(jì)溫度的趨勢。當(dāng)夏季冷負(fù)荷總需求量仍然大于冬季熱負(fù)荷量時(shí)，可在夏季減少地源熱泵的供冷量比例、冬季增加地源熱泵的供熱量比例。在案例中，地源熱泵在夏季的總供能占比為44.6%，在冬季為47.4%。

本文旨在說明EBS能源規(guī)劃的普遍方法，在案例中僅對(duì)某個(gè)用戶負(fù)荷下典型工況進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，在進(jìn)行具體項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)還可以考慮用戶負(fù)荷逐時(shí)變化的場景。當(dāng)區(qū)域內(nèi)商用、公用和住宅等建筑負(fù)荷復(fù)雜多變時(shí)，總線模型具有水力和熱力解耦特性，源可平穩(wěn)運(yùn)行而不受負(fù)荷突變影響。

4 結(jié)論

面向未來的區(qū)域能源規(guī)劃需要采用更加節(jié)能、低碳且經(jīng)濟(jì)性良好的能源組態(tài)方式。EBS作為一種可實(shí)現(xiàn)在區(qū)域范圍冷、熱能量互通互融的新系統(tǒng)，適用于夏熱冬冷地區(qū)。本文以具體能源規(guī)劃項(xiàng)目為案例，提出將EBS應(yīng)用于區(qū)域能源規(guī)劃的普遍方法。該方法通過利用分布式變頻水泵的水力熱力解耦特性，將多源和多用戶連接成能源網(wǎng)，主要結(jié)論如下：

1)本方法的必要條件為：凡接入總線的源都必須具有主動(dòng)調(diào)節(jié)供熱或供冷媒介出口溫度的能力。在供冷和供熱時(shí)，源可在設(shè)計(jì)容量內(nèi)分別提供穩(wěn)定溫度的冷水和熱水。

2)EBS采用環(huán)狀管網(wǎng)將區(qū)域內(nèi)的源和用戶連接起來。能源總線的主干網(wǎng)可簡化為兩條線：冷線和熱線。環(huán)狀管網(wǎng)保證了多源供能和多用戶用能隨時(shí)變化時(shí)可互通互融。

3)夏季工況時(shí)，用戶配置制冷機(jī)組從冷線獲得供水；也可配置水-水熱泵，利用熱線回水制取生活熱水。這種方式充分利用建筑排熱，提高了系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)。

4)采用分布式變頻水泵及分布式熱泵，EBS實(shí)現(xiàn)水力及熱力控制解耦。源的控制策略是提供設(shè)定溫度的供水；用戶的控制策略是根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)機(jī)組功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)供水流量。

5)提出區(qū)域能源規(guī)劃的普遍方法，適用于夏熱冬冷地區(qū)，可采用蒸氣余熱、地表水源和土壤源作為能量來源，為用戶提供夏季供冷、冬季供熱及生活熱水。實(shí)例分析表明：在夏、冬季的系統(tǒng)綜合COP分別可達(dá)3.85及3.17，具有良好的低品位能源利用率。

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Aboutthecorrespondingauthor

Wang Hai, male, Ph.D., School of Mechanical Engineering, Tongji University, +86 15001768842, E-mail：wanghai@#edu.cn. Research fields:district cooling and heating, process control, low-grade energy utilization.

District-energyPlanningMethodbasedonEnergyBusSysteminHotSummerandColdWinterAreas

Meng Hua1Wang Hai1Long Weiding2

(1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2.College of Engineering in Germany, Tongji University, Shanghai, 200092, China)

A general district-energy planning method that is suitable for hot summer and cold winter areas is proposed in this paper based on an energy bus system (EBS). In the proposed method, multiple thermal or cooling sources and users (buildings) are connected together using warm and cool lines with distributed variable speed pumps (DVSPs). In the new EBS configuration, thermal devices are used to control the water supply temperature in the side of all sources, chillers and heat pumps installed in all users (buildings) are used to provide space cooling, heating, and domestic hot water. Because of the simultaneously decoupled thermal features of the presented EBS configuration, both energy sources and users are capable of adjusting their thermal devices flexibly according to their own local loads. To demonstrate the new district energy planning method, a hydraulic and thermal model is developed, and a case study is illustrated in detail. The results show that combined with the ground source heat pump, water source heat pump, and steam-driven LiBr units, the given method has good efficiency in utilizing low-grade energy resources, with an integrated COP of 3.85 in the summer and 3.17 in the winter.

energy planning; district heating/cooling; energy bus; distributed heat pump; distributed variable speed pump

0253- 4339(2017) 04- 0050- 10

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.050

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃，2014CB249201)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Basic Research Program of China (973 Program, No. 2014CB249201).)

2016年10月19日

TK018; TU831.6; TQ051.5

： A

王海，男，博士，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，15001768842，E-mail：wanghai@#edu.cn。研究方向：區(qū)域供冷供熱、過程控制、低品位能源利用。