低成本地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)研究

張偉 劉東喜 呂心力 孟慶瑤 張家琪 馬峰

摘? 要：隨著環(huán)境污染的日益嚴重，地熱能等清潔資源的利用在逐漸增加。建筑物供暖是地熱能主要應用方式，但現(xiàn)有地熱能供暖系統(tǒng)普遍以單一模式為主，其供暖模式溫差小、效率低，利用后的高溫熱水直接排放到環(huán)境中，高溫尾水富含的物理特性對環(huán)境造成嚴重影響，同時，還存在著能源浪費和系統(tǒng)運行高的問題。因此，降低系統(tǒng)能耗、減少運行成本是促進系統(tǒng)高效節(jié)能的關(guān)鍵。本文結(jié)合地熱能梯級利用現(xiàn)狀，充分利用中國天津市峰時電價1.0436元/kW·h、谷時電價0.3923元/kW·h的分時電價價格優(yōu)勢，以天津市5.1萬㎡的商業(yè)區(qū)為假設場景，提出了一種耦合儲能裝置的低成本供暖系統(tǒng)，利用DEST軟件進行建筑物逐時熱負荷的計算，并選取系統(tǒng)運行費用作為經(jīng)濟性評價指標與常規(guī)供暖系統(tǒng)進行對比，分析了系統(tǒng)的運行效益。計算結(jié)果表明，耦合儲能裝置的供暖系統(tǒng)運行費用總體上均低于常規(guī)系統(tǒng)，儲能耦合系統(tǒng)的運行費用減少21.8%，運行效益得到明顯提升。

關(guān)鍵詞：低成本? 地熱能? 供暖系統(tǒng)? 儲能? 運行效益

中圖分類號：TU98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0040-06

Study on Energy Storage Coupling System of Low-Cost Geothermal Heating

ZHANG Wei1*? LIU Dongxi1? LYU Xinli1? MENG Qingyao1? ZHANG Jiaqi1? MA Feng2，3

（1.School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin， 300350 China; 2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuang，

Hebei Province， 050061 China; 3.Technology Innovation Center of Geothermal & Dry

Hot Rock Exploration and Development， Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang，

Hebei Province，050061 China）

Abstract： With the increasingly serious environmental pollution， the utilization of clean resources such as geothermal energy is gradually increasing. The first mock exam of building heating is geothermal energy， but the existing geothermal energy heating system is mainly based on single mode. The heating mode is characterized by low temperature difference and low efficiency. The high temperature hot water directly discharged into the environment is used. The physical characteristics of high temperature tail water are seriously affecting the environment. At the same time， there are still problems of energy waste and high system operation. Therefore， reducing system energy consumption and operating cost is the key to promote system efficiency and energy saving. Combined with the current situation of cascade utilization of geothermal energy， this paper makes full use of the time-of-use price advantages of peak time electricity price of 1.0436 yuan/kW·h and valley time electricity price of 0.3923 yuan/kW·h in Tianjin， China， and takes the 51000 m2 commercial area of Tianjin as the hypothetical scenario， proposes a low-cost heating system coupled with energy storage devices， and uses DEST software to calculate the hourly heat load of buildings. The system operation cost is selected as the economic evaluation index， compared with the conventional heating system， and the operation benefit of the system is analyzed. The calculation results show that the operation cost of the heating system of the coupled energy storage device is generally lower than that of the conventional system， the operation cost of the coupled energy storage system is reduced by 21.8%， and the operation benefit is significantly improved.

Key Words： Low cost; Geothermal energy; Heating system; Energy storage; Operation benefit

建筑物供暖是地熱能主要應用方式，現(xiàn)有地熱能供暖的主要方式是地熱能板式換熱器間接供熱、“地熱+熱泵機組”供暖、“地熱+熱泵機組+調(diào)峰鍋爐”交替供暖3種方式，雖然這些方式均能降低回灌水溫度，增大地熱資源利用率，但是其初投資和運行成本較大，運行效益較差[1-4]。為此，許多學者對地熱能的低成本高效利用進行了深入研究。Mike[5]等將地熱能供暖的總負荷分成高溫供暖部分和低溫供暖部分，并分別采用管網(wǎng)和地板輻射采暖的方式，提高了地熱能的利用率;王含等[6]設計了多能互補式和儲能式地熱能利用系統(tǒng)，通過編寫數(shù)學計算模型、優(yōu)化算法等處理方法分析了初投資、能源節(jié)約、費用年值等評價指標的能源系統(tǒng)綜合效益，最終確定合理的儲能式供暖系統(tǒng)方案具有較好的效益;茹洪久等[7]以天津地區(qū)為例，分析了鉆井深度、運行方式、水位變化等主要因素對地熱能供暖經(jīng)濟性的影響，并得出了降低運行成本的主控因素是地熱資源稅和運行電費的結(jié)論;董紅霞等[8]建立了地熱梯級利用系統(tǒng)的熱力模型，并結(jié)合室外氣象參數(shù)變化對供熱負荷的影響，確定了在不同室外溫度下能源的配置形式及運行策略方式，從而提高地熱水的利用率、降低系統(tǒng)的運行能耗及費用。

基于上述學者對地熱能供暖系統(tǒng)的研究，本文研究了一種低成本地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)，以天津市5.1萬m2的辦公區(qū)為假設場景，選取系統(tǒng)的運行費用為評價指標分析系統(tǒng)的運行效益，最終得到低成本地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）與獨立的常規(guī)供暖系統(tǒng)相比，雖然耦合儲能裝置的供暖系統(tǒng)的熱泵機組和各個泵的運行時間變長，但系統(tǒng)在放能時僅供暖循環(huán)泵工作，因此在整個供暖季耗電量增加幅度不大;（2）充分利用谷電價格優(yōu)勢，達到削峰填谷與節(jié)能環(huán)保的效果，減少系統(tǒng)運行費用，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。

1? 低成本地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)

1.1 地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)的組成

本文提出的低成本地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)主要由3個部分組成，包括地熱能一級利用部分、二級利用部分和儲能部分，如圖1所示。在白天的工作時間段，地熱水首先經(jīng)過第一級板式換熱器，將風機盤管采暖系統(tǒng)的回水溫度進行加熱使供水溫度達到設計要求;一級板式換熱器的出水進入二級板式換熱器進行換熱，同時開啟中間循環(huán)泵和熱泵機組，通過熱泵機組將這部分熱量進行提級利用，達到采暖系統(tǒng)的供水溫度，供給熱用戶。在夜間低谷電價時間段，將一級板換和熱泵機組提供的熱量儲存到蓄能裝置中，在高峰電價時間段釋放熱量。利用低谷電，達到削峰填谷的效果，減少系統(tǒng)的運行費用。

根據(jù)不同天氣情況下建筑物熱負荷的大小，該系統(tǒng)具有多種運行模式，如地熱能直接供暖、“地熱能+水源熱泵”供暖、“地熱能+水源熱泵+蓄熱”交替供暖、“地熱能+水源熱泵蓄熱供暖等，在不同模式下工作時，各閥門開閉情況如表1所示。這些模式都可以通過實時監(jiān)控室外溫度、供熱管網(wǎng)供回水溫度、溫差等參數(shù)，自動控制調(diào)節(jié)運行模式，本文主要研究在極端天氣下，即地熱水+水源熱泵+蓄熱交替供暖”和“地熱水+水源熱泵蓄熱”供暖兩種模式下，系統(tǒng)能耗和運行費用的變化。

1.2 地熱供暖儲能耦合系統(tǒng)的設備選型

根據(jù)天津市相關(guān)地質(zhì)資料進行參數(shù)設置，本文以地熱水出口溫度65℃，流量40m3/h，回灌井能夠?qū)崿F(xiàn)百分百自然回灌為基礎(chǔ)進行地熱能供暖分析。65℃的一級地熱水經(jīng)一級板換換熱，溫度降為43℃，設計溫降22℃;一級板換二次水作為供暖循環(huán)水，設計出水溫度50℃，回水溫度40℃;43℃的一級地熱尾水經(jīng)二級板換，換熱后溫度降為15℃至回灌井，二次水作為熱泵的低溫熱源，設計蒸發(fā)器進出水溫度為18～10℃;熱泵冷凝器循環(huán)水作為供暖循環(huán)水，供回水溫度為50～40℃。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

結(jié)合建筑物負荷的變化特點及系統(tǒng)的各設計參數(shù)，主要設備的選型如表3所示。

2? 建筑物概況及熱負荷計算

本文選取的供暖對象為辦公區(qū)，建筑物面積為5.1萬m2，選取采暖熱負荷指標為50W/m2，計算得該辦公區(qū)總熱負荷為2550kW，冬季供暖天數(shù)為120d，供暖時間為每天的8：00-18：00，末端為風機盤管采暖系統(tǒng)，供熱參數(shù)50℃/40℃，保持室內(nèi)溫度為18℃，通過對DEST軟件中氣象數(shù)據(jù)庫的氣象資料進行整理，得到天津市典型氣象年供暖季的氣象參數(shù)如圖2所示。

采暖期室外計算溫度由逐時溫度確定，采暖期室外平均溫度0.2℃，結(jié)合其它相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，計算得該建筑物的逐日熱負荷如圖3所示。

針對本文選取的商業(yè)辦公區(qū)建筑，根據(jù)地熱資源計算復合供暖系統(tǒng)的供熱能力，供熱功率和最大供熱面積為：

（1）

（2）

式中：Q為復合供暖系統(tǒng)的供熱功率（kW）;C為水的比熱容，本文取C=4.2×103J/（kg·℃）;m為地熱水流量（m3/h）;t1、t2、t3分別為地熱水出口溫度、一級板換后地熱水的溫度、地熱水的回灌溫度（℃）;COP為水源熱泵機組性能參數(shù)，本文取COP=4.5;A為復合供暖系統(tǒng)最大供熱面積（m2）;q為熱負荷指標（W/m2）;η為綜合熱效率，這里取η=0.95。

3? 儲能耦合系統(tǒng)運行效益分析

本文主要研究的是供暖系統(tǒng)在蓄能、放能和地熱能獨立供能3個階段，通過對系統(tǒng)電耗、用戶末端供回水溫度和流量的監(jiān)測，可考察整個系統(tǒng)運行與機組獨立供能階段運行的系統(tǒng)經(jīng)濟效益，從而分析儲能耦合系統(tǒng)的節(jié)能效果。儲能耦合系統(tǒng)在運行過程中存在蓄能、放能和地熱能獨立供能3個階段。（1）蓄能階段：熱泵機組、供暖循環(huán)泵、地熱水循環(huán)泵和蒸發(fā)器循環(huán)泵是主要的耗電設備。（2）放能階段：熱泵機組與地熱水循環(huán)泵停止運行，只有供暖循環(huán)泵在工作，開始向用戶供能。（3）地熱能獨立供能階段：熱泵機組、供暖循環(huán)泵、地熱水循環(huán)泵和蒸發(fā)器循環(huán)泵又同時投入使用，繼續(xù)向用戶供能。因此在計算上述系統(tǒng)耗電量時，需計算上述3個階段內(nèi)每個時段設備（主要是熱泵機組與泵）的耗電量，將兩者進行比較。

通過計算可得，在整個供暖季中，儲能耦合系統(tǒng)的耗電量略高于常規(guī)系統(tǒng)的耗電量，這是因為耦合儲能裝置的供暖系統(tǒng)增加熱泵機組和各個泵的運行時間，整個系統(tǒng)的耗電量增加較多，但因放能時僅供暖循環(huán)泵工作，而且放能時間一般長于蓄能時間，其減少的耗電量往往可以抵消部分夜間蓄能增加的耗電量，達到了削峰填谷的效果，使整個系統(tǒng)的耗電量增加幅度降低，僅略高于常規(guī)系統(tǒng)耗電量。

雖然耗電量略微增加，但由于峰谷電政策的實施，運行費用大大減少。天津市電網(wǎng)峰谷分時電價表[9]見表3。高峰期峰谷分時計量時間安排如下。高峰時段：8：00-11：00、18：00-23：00，非峰谷時段：7：00-8：00、11：00-18：00，低谷時段23：00-7：00。

故本文研究的辦公區(qū)分時電價組成為：蓄能時段（4：00-7：00）電價為0.3923元/千kW·h，放能時段（8：00-11：00）電價為1.0436元/kW·h，地熱能獨立供能時段（11：00-18：00）電價為0.6768元/kW·h。根據(jù)實測耗電量可求得系統(tǒng)的運行費用如圖4所示。經(jīng)計算，冬季供暖季儲能耦合系統(tǒng)的運行費用合計268234.2元，比常規(guī)供暖系統(tǒng)的運行費用減少21.8%。從圖中還可以看出，在第35天和第90天左右時，儲能耦合供暖系統(tǒng)的運行費用明顯低于常規(guī)供暖系統(tǒng)，這主要是由于儲能裝置放能量大，儲能系統(tǒng)運行時間長所致;同樣可以發(fā)現(xiàn)，在供暖季初期和末期，儲能耦合供暖系統(tǒng)的運行費用和常規(guī)供暖系統(tǒng)的運行費用基本持平，這主要是因為在供暖季的初期和末期，用戶對熱負荷的需求量少，儲能耦合系統(tǒng)的運行時間少。

4? 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有的傳統(tǒng)地熱能供暖方式研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的地熱能供暖方式雖能避免地熱井數(shù)限制，減少地熱水的開采，有較高的地熱資源的利用率，但較高的初投資和運行成本對其推廣應用造成了一定的限制。為解決這一問題，提高系統(tǒng)的運行效益，提出了一種低成本運行的儲能耦合供暖系統(tǒng)，并以天津市5.1萬m2的商業(yè)區(qū)為假設場景進行了系統(tǒng)運行效益的分析。利用DEST軟件計算量建筑物的逐日熱負荷，并選取系統(tǒng)的耗電量和運行費用作為評價指標，與常規(guī)供暖系統(tǒng)進行對比，得出如下結(jié)論：

（1）雖然耦合儲能裝置的供暖系統(tǒng)的熱泵機組和各個泵的運行時間變長，但系統(tǒng)在放能時僅供暖循環(huán)泵工作，因此在整個供暖季與常規(guī)供暖系統(tǒng)相比耗電量增加幅度不大;

（2）耦合儲能裝置的供暖系統(tǒng)充分利用了谷電的價格優(yōu)勢，比常規(guī)供暖系統(tǒng)的運行費用減少21.8%。

5? 結(jié)語

綜上所述，采用儲能耦合供暖系統(tǒng)可以有效地降低系統(tǒng)的運行成本，提高運行效益，其對地熱能資源的低成本應用具有重要意義，對高效、節(jié)能地利用地熱能，對建筑物供暖有很大幫助。

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