多種區(qū)域供能系統(tǒng)節(jié)能與控制分析

文 敏 李 炬 肖文杰

(株洲中節(jié)能城市節(jié)能有限公司，湖南 株洲 412007)

0 引言

區(qū)域供能系統(tǒng)的相關研究成果較多，部分發(fā)達國家在二十世紀二三十年代就已經(jīng)對熱泵技術開展了大量的研究，并且將該項技術應用于小型項目中，最初應用項目的裝機負荷小，系統(tǒng)也較為簡單，熱泵技術得以迅速發(fā)展；而我國的相關研究比較晚，應用項目進展較慢。區(qū)域供能系統(tǒng)包含多種技術形式，比如水源熱泵技術、污水源熱泵技術、地源熱泵技術、風冷熱泵技術、燃氣冷熱電三聯(lián)供技術等，由于部分區(qū)域供能技術在節(jié)能方面存在優(yōu)勢，其得到了大規(guī)模的應用，也從最初的小項目發(fā)展到裝機負荷幾十兆甚至上百兆的大型項目[1]。

鑒于部分區(qū)域供能技術在節(jié)能方面的優(yōu)點，國內外研究人員對區(qū)域供能系統(tǒng)的節(jié)能及控制效果開展了大量的研究工作，也取得了很多研究成果。本文重點對區(qū)域供能系統(tǒng)中的污水源熱泵、地源熱泵、風冷熱泵、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能及控制方面的相關研究成果進行了綜述分析，為后續(xù)研究的開展提供參考。

1 污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析

火電廠、污水處理廠、鋼鐵廠等工業(yè)會產(chǎn)生大量的低溫熱能，且并未得到有效利用，這其中，污水中包含了大量的低品位熱能，污水溫度較為穩(wěn)定，其吸收了大量的熱量，因此，將其作為熱泵的冷熱源十分合適[2]。

高宇[2]在分析污水源熱泵系統(tǒng)可行性的基礎上，采取一次能源利用特性對比了污水源熱泵系統(tǒng)與其他集中區(qū)域供能系統(tǒng)的節(jié)能性，并分析了每個系統(tǒng)的節(jié)能減排量，研究結果表明：污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效應突出，兼具節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟性特點。李帥等[3]在分析混合式、大并聯(lián)式以及一機一泵式污水源熱泵系統(tǒng)的基礎上，以壓縮機熱泵系統(tǒng)為例，構建了3種系統(tǒng)在不同運行策略下的能耗模型，并計算了能耗比，研究結果表明：變頻運行策略下能耗降低比例高于其他運行模式。賈欣等[4]以大連某污水源熱泵項目為研究對象，基于其運行數(shù)據(jù)，為了降低系統(tǒng)能耗，采用了更換換熱器的方式，并對系統(tǒng)冷凝器側和蒸發(fā)器側進水溫度以及流量對系統(tǒng)性能影響進行了分析，構建數(shù)學模型對變頻運行模式作了分析，計算結果表明：整改后系統(tǒng)的累計能耗降低了約18.52%。

胡謙[5]分析了長沙市內污水處理廠的流量、水質特征、溫度以及現(xiàn)狀，闡述了污水源熱泵系統(tǒng)的有關知識，預測了污水處理廠的節(jié)能價值、應用潛力及環(huán)保價值；并從對環(huán)境的影響、初投資、運行經(jīng)濟性、能效比及系統(tǒng)構成等5個方面出發(fā)比較了間接式污水源熱泵和直接式污水源熱泵的特性。王圣博等[6]以上海市醫(yī)院污水源熱泵項目為例，對其節(jié)能減排和經(jīng)濟性作了對比分析，研究結果表明：與普通空調系統(tǒng)相比較，該醫(yī)院采取污水源熱泵技術形式的經(jīng)濟性和節(jié)能減排效果十分顯著，一次能源利用效率增加了16%，污染物減排效果明顯，年度化成本節(jié)省28%。李帥等[7]為了探究影響污水源熱泵系統(tǒng)輸水能耗的因素，在構建數(shù)學模型的基礎上，對系統(tǒng)不同連接形式下多種運行控制策略作了研究，研究結果表明：變頻運行方式下系統(tǒng)能耗降低范圍在3.98%～26.04%之間。

2 地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析

目前，建筑物供暖需求增長迅速，傳統(tǒng)區(qū)域供能技術對環(huán)境造成了嚴重污染，政府相繼出臺政策支持新能源的發(fā)展。地埋管地源熱泵技術是地熱能的利用方式之一，在20世紀90年代在國內得以應用。

劉建華等[8]對冬季期間地源熱泵運行工況進行了檢測，基于實際運行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)能耗及耗能設備進行了分析，探究了多種節(jié)能方式對系統(tǒng)供暖性能的影響，為地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能研究提供了參考。朱立東等[9]闡述了樁基埋管地源熱泵的優(yōu)缺點和形式，以某辦公建筑為研究對象，通過模擬對比分析了樁基埋管地源熱泵和普通垂直埋管地源熱泵兩種系統(tǒng)的能耗及土壤特性，研究結果表明：前者機組能耗少、土壤溫度變化小，有一定節(jié)能效果。呂峻薪[10]采取TRNSYS軟件構建了常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)和復合供能系統(tǒng)的模型，對系統(tǒng)在長期和短期運行工況下土壤溫度特性進行了分析，并探究了多種運行工況下復合系統(tǒng)的COP、地埋管出水溫度、土壤溫度；并搭建試驗平臺，對比分析了兩種系統(tǒng)的COP和經(jīng)濟性，試驗表明：較之常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)，復合供能系統(tǒng)夏季平均COP高出0.04，冬季這一數(shù)值為0.37。

楊靈艷等[11]以寒冷地區(qū)多個項目為例，通過實測獲得了地源熱泵系統(tǒng)冬季的制熱數(shù)據(jù)和夏季制冷數(shù)據(jù)，并分析了這些地源熱泵項目存在的問題及應用效果，計算了這些項目的常規(guī)能源替代量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理獲得了項目規(guī)模與能源替代量數(shù)據(jù)間的擬合公式，為地源熱泵系統(tǒng)的設計提供了參考。楊柳[12]以某地源熱泵項目為例，分析了地埋管的設計、布置，并對其節(jié)能減排效果和經(jīng)濟性作了分析。朱宗偉[13]以蘭州某辦公樓項目地源熱泵—太陽能復合供能系統(tǒng)為研究對象，采取TRNSYS軟件對該系統(tǒng)地埋管土壤熱量回補模式進行了模擬分析，分析結果表明：所采取的回補措施能夠恢復土壤的熱平衡，能夠有效克服系統(tǒng)COP降低的問題，并對該復合系統(tǒng)節(jié)能效果進行了分析。劉超等[14]以綿陽某地源熱泵項目為例，對系統(tǒng)能效作了實測，采集到了該系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并分析出了系統(tǒng)的能效比，實測結果表明：該系統(tǒng)在制冷工況下的COP值在5.3～6.1之間，在制熱工況下COP值在4.1～5.1之間。

3 風冷熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析

風冷熱泵技術作為一種區(qū)域供能技術，是以電能作為驅動，夏季以建筑物外的空氣為冷源，通過管網(wǎng)將冷量輸?shù)浇ㄖ飪?，而冬季以建筑物空氣為熱源，通過管網(wǎng)將熱量輸?shù)浇ㄖ飪取?/p>

王建民[15]對北京地區(qū)風冷熱泵項目的運行條件、運行數(shù)據(jù)進行了分析，得到了北京地區(qū)適用于風冷熱泵技術的結果，但在冬季會出現(xiàn)機組運行不穩(wěn)定、設備結霜等狀況，基于這些問題，作者提出了兩種優(yōu)化方案，即：太陽能輔助風冷熱泵技術和水源—風冷熱泵技術，并提出了解決結霜問題的方案。田盼雨[16]對風冷熱泵技術在昆明地區(qū)的可行性進行了研究，以某辦公項目為例，測試了該項目地源熱泵系統(tǒng)能耗設備的流量、輸入功率、室內外溫度、進出口溫度等，計算分析了夏季和冬季系統(tǒng)的制(冷)熱性能、制熱量和制冷量；在昆明地區(qū)，風冷熱泵系統(tǒng)平均能效比在3.7～4.1之間，結果表明該項技術節(jié)能效果十分顯著。陳玲等[17]以風冷熱泵系統(tǒng)為例，闡述了冷凝熱回收系統(tǒng)及表冷器熱回收系統(tǒng)采取三通調節(jié)閥、水泵、換熱器及表冷器來實現(xiàn)運行的理論，并分析了系統(tǒng)的節(jié)能特性。

黃虎等[18]對某風冷熱泵項目中1臺71 kW的熱水機組在冬季結霜情況下的運行數(shù)據(jù)進行了實測，獲得了該主機的制熱量、排氣壓力、吸氣壓力、霜層厚度等數(shù)據(jù)，并分析得到這些數(shù)據(jù)隨時間的變化特性，對其節(jié)能特性進行了分析。張帥[19]以1臺部分熱回收風冷熱泵(制冷量45 kW)為研究對象，對其作了理論和試驗研究，分析了該臺設備在制熱工況(外界溫度7 ℃、出水溫度45 ℃)和制冷工況(外界溫度35 ℃、出水溫度12 ℃)下的運行特性，結果表明：與無回收系統(tǒng)相比較，制冷工況下，綜合COP增加了0.3，在制熱工況下，綜合COP增加了0.17，有一定節(jié)能效果。

4 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能分析

目前，全球節(jié)能減排形勢十分嚴峻，在現(xiàn)今的能源市場，冷熱電三聯(lián)供技術形式由于其在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，能夠在一定程度上緩解全球環(huán)境壓力，國內政府也制定了很多政策支持這一技術的發(fā)展，相較于西方國家，該技術在國內的起步較晚，發(fā)展也落后于西方國家。

陳燦[20]以傳統(tǒng)分供系統(tǒng)為對比對象，以典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為例，分析了電跟隨與熱跟隨兩種運行工況下冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的環(huán)保性、節(jié)能性和經(jīng)濟性，在優(yōu)化分析5個典型氣候區(qū)辦公建筑群聯(lián)供系統(tǒng)的基礎上，探究了我國多個地區(qū)辦公建筑群使用該項技術的特點；并以北京某辦公項目為例，根據(jù)全年冷熱電數(shù)據(jù)，對電跟隨與熱跟隨兩種工況下系統(tǒng)的設備進行選配，對比分析了系統(tǒng)的環(huán)境、能效及經(jīng)濟性指標。畢慶生等[21]根據(jù)“單耗分析”模型，構建了燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在多種運行工況下的多冷源、多熱源成本單耗模型及燃料單耗模型，結合實際項目做了分析計算，計算結果為該系統(tǒng)的設計及節(jié)能研究提供了參考。

朱奮飛[22]在闡述燃氣冷熱電三聯(lián)供相關設備選配思路的基礎上，以石家莊某項目為例，基于以電定熱和以熱定電策略選配了發(fā)電設備，并分析了該項目的節(jié)能特性。高思靜等[23]以小型燃氣輪機系統(tǒng)為例，計算了電壓縮式制冷系統(tǒng)與吸收式制冷系統(tǒng)的一次能耗數(shù)據(jù)，對多種工況下制冷系統(tǒng)的節(jié)能特性作了分析研究，結果表明：發(fā)電效率40%時，該系統(tǒng)節(jié)能效果略有降低，為0.6%，發(fā)電效率55%時，大部分設備節(jié)能性不達標。

5 區(qū)域供能系統(tǒng)控制策略分析

控制策略作為區(qū)域供能系統(tǒng)的重要組成部分之一，其作用至關重要，國內外學者對系統(tǒng)控制策略開展了大量的研究工作，成果也較多，目前，隨著區(qū)域供能項目的不斷涌現(xiàn)，該項研究的重要性更加突出。

李立等[24]針對水源熱泵區(qū)域供能系統(tǒng)提出了基于模糊PID控制的控制策略，通過實測，采用該策略的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度更高，動態(tài)響應性能更好，運行效果也更好，這為水源熱泵系統(tǒng)控制策略的設計和優(yōu)化提供了參考。李文濤[25]以陜西某地下水源熱泵系統(tǒng)為例，對該項目的控制算法進行了分析，設計了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制器、自適應模糊PID控制器和常規(guī)PID控制器，并對這些控制器進行了模擬分析，分析結果表明：BP神經(jīng)網(wǎng)絡 PID 和自適應模糊 PID在穩(wěn)態(tài)性能和改善動態(tài)特性方面優(yōu)勢更大，可以用作地下水源熱泵系統(tǒng)的控制方法。徐永軍[26]在構建地源熱泵及相關部件傳熱數(shù)學模型的基礎上，探究了每個部件之間存在的耦合關系，并將模擬數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)進行了對比，從而驗證了傳熱模型的準確性。

陳娟等[27]基于區(qū)域分布式能源系統(tǒng)的結構，構建了冷熱電三聯(lián)供多智能體復合系統(tǒng)的能源互聯(lián)網(wǎng)架構模型，根據(jù)元胞自動機理論，研究了該系統(tǒng)的協(xié)同控制方案。洪陽[28]以風冷熱泵系統(tǒng)為研究對象，構建了數(shù)學模型，根據(jù)回水溫度最佳設定點的預測模型，提出了一種變回水溫度優(yōu)化控制策略，并對低、中、高負荷工況運行狀況進行了實測，優(yōu)化控制策略降低的能耗分別為10.1%，8.4%，3.3%。石可頌[29]對燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的主要儲能、供能單元，構建了優(yōu)化調度數(shù)學模型，根據(jù)系統(tǒng)單位的特點，分別設置了電熱功率平衡、儲能單元容量限制、發(fā)電容量限制等約束，采取遺傳算法尋優(yōu)求解，獲得了五種工況下各個微源的最佳運行工況點，這種優(yōu)化控制模型為相關研究的開展提供了參考。

6 結語

區(qū)域供能技術包含多種技術形式，大部分技術作為節(jié)能環(huán)保新技術，在節(jié)能、減排、經(jīng)濟性等方面優(yōu)勢明顯，而且隨著城市化進展的加快，越來越多的項目采用區(qū)域供能技術，對這些技術的節(jié)能特性、控制策略等方面的研究就顯得至關重要。