多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)應(yīng)用研究

孫 兵

（陜西秦元熱力股份有限公司，陜西 西安 712038）

0 引言

城鎮(zhèn)化的發(fā)展帶來了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的集聚發(fā)展，提供了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)，人口大量向城鎮(zhèn)涌入，由此衍生出住房和商業(yè)問題。在我國廣大的北方地區(qū)，為了滿足人民冬季的供暖要求，消耗了大量的煤炭、電力和化石能源，同時(shí)也產(chǎn)生了冬季漫長的霧霾天氣，給城市的環(huán)境和國民的健康帶來沉重的負(fù)擔(dān)。

在我國的“碳中和、碳達(dá)峰”的雙碳戰(zhàn)略下，國家對(duì)能源供給側(cè)進(jìn)行了改革，不斷減少化石能源的消耗，提高綠色清潔和可再生能源的利用率，城市熱網(wǎng)功能的發(fā)展趨勢(shì)也從“單一能源”向“多能源組合互補(bǔ)”發(fā)展，利用石化能源與可再生能源的實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，可以有效地調(diào)動(dòng)資源配置，通過組合協(xié)同供熱的方式，在系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下，可以增加綠色清潔和可再生能源在整個(gè)供熱體系中的比重，避免了由于新建或者改建集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中消耗的大量資金投入和供熱能力不足等問題，解決了冬季集中供暖需求大的現(xiàn)實(shí)問題，降低集中供暖的運(yùn)營成本，提高環(huán)境效益。

1 多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的基本原理

多能互補(bǔ)集中供熱是最早在歐洲興起的一種能源配給方式。通過修建大量的太陽能與生物能聯(lián)合供熱廠，為社區(qū)、政府辦公樓、醫(yī)院以及商業(yè)大樓等提供供熱能源，該能源補(bǔ)給方式有效地提高了可再生能源的利用率，避免了冬季天然氣和煤氣的消耗，并在丹麥、挪威以及冰島等國家成功應(yīng)用。在英國、法國和德國等國家，采用集中利用太陽能與燃?xì)饨Y(jié)合的方式為生活熱水、掛壁爐供熱提供能量。在美國和加拿大等國家，也采用豐富的生物質(zhì)能源與傳統(tǒng)能源、太陽能相結(jié)合的方式進(jìn)行供熱，并提供了可供參考的能源建設(shè)方案和供熱系統(tǒng)建設(shè)思路。

在我國，對(duì)集中供暖的需求主要是在北方地區(qū)，這些地區(qū)在集中供暖的過程中，為了減少不可再生能源的消耗以及化石能源帶來的環(huán)境污染，采用太陽能、雙熱源熱泵等方式擴(kuò)大太陽能和空氣能的利用率。多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，分別是集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)、雙熱源熱泵機(jī)械系統(tǒng)以及太陽能集中供熱系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。集中供熱管網(wǎng)主要是利用市政供熱管網(wǎng)中的熱量，這些熱量傳遞媒介為高溫?zé)崴蛘吒邷卣羝?，并?jīng)過兩級(jí)轉(zhuǎn)換進(jìn)行利用，以經(jīng)過一級(jí)市政管網(wǎng)運(yùn)輸至換熱站，換熱站對(duì)熱能進(jìn)行分配和轉(zhuǎn)換，再輸送到二次管網(wǎng)，到達(dá)用戶終端；雙熱源熱泵機(jī)組主要利用的熱力來源為空氣熱量和太陽能集熱水箱，通過并聯(lián)的蒸發(fā)器對(duì)2種熱源進(jìn)行并聯(lián)利用，同樣地使用換熱站對(duì)熱量進(jìn)行控制，調(diào)配到適宜溫度后輸送至客戶終端；太陽能集中供熱系統(tǒng)主要利用的的是太陽能，太陽能集熱器將太陽光的熱量吸收，轉(zhuǎn)化為水的熱量并存儲(chǔ)在蓄熱水箱中，當(dāng)水溫達(dá)到一定的溫度時(shí)，可以向外輸送熱水供用戶使用，溫度較低時(shí)也可用采取熱泵抽取的方式將溫度進(jìn)行提取，滿足用戶的熱源要求。

圖1 多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的原理圖

2 基于TRNSYS仿真模擬的多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)分析

本次研究的工程項(xiàng)目為陜西西咸新區(qū)某新城綜合開發(fā)的PPP項(xiàng)目，開發(fā)新建工程，并對(duì)現(xiàn)有建筑立面進(jìn)行施工改造，通過該方式提升城市形象，增加城市內(nèi)涵，提高城市公共建筑的綜合服務(wù)水平?？傊?，該項(xiàng)目所在地區(qū)是集會(huì)議中心、展覽交流、景觀生態(tài)、精品商業(yè)以及智慧城市等功能于一體的城市核心和城市地標(biāo)空間。該工程項(xiàng)目綠化工程建設(shè)用地面積為18220.72m，其中包括A-19地塊12976.31m，A-20地塊1373.44m，道路3870.98m。地上建筑面積29660.64m。地下建筑面積16163.38m（已建4802m，新建11361.38m）。新建一棟地下2層、地上4～5層（含一層夾層）的城市客廳，建筑整體為框架式結(jié)構(gòu)，建設(shè)設(shè)計(jì)涉及多種能源的綜合利用，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為45w/m。

建設(shè)場(chǎng)地行政隸屬陜西西咸新區(qū)，處于關(guān)中平原核心地帶，涉及西安市和咸陽市7個(gè)縣區(qū)，23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處，屬于黃土臺(tái)塬、河流階地和洪積平原地貌。為了保證多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)施工順利實(shí)施，在開展施工前，由試驗(yàn)方與地方氣象臺(tái)進(jìn)行信息對(duì)接，獲取項(xiàng)目施工區(qū)域的氣候特征，得到下述數(shù)據(jù)。年平均氣壓1015hPa；無霜期170d～205d；霧天20.7d；最大積雪20cm；年日照時(shí)數(shù)2017.5h～2346.8h。由此可見，該地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)季候，雨水量充沛，冬季寒冷與夏季炎熱多雨。

為了更好地對(duì)項(xiàng)目的多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用TRNSYS16動(dòng)態(tài)模擬程序建立符合實(shí)際多種能源綜合利用的供熱仿真系統(tǒng)模型，在計(jì)算程序中嵌入了多種數(shù)學(xué)計(jì)算模塊，對(duì)模型的計(jì)算只需自動(dòng)地調(diào)用相應(yīng)模塊即可以直接求解，具有運(yùn)行高效和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在氣象數(shù)據(jù)處理中，主要采用Type1o-TMY2模塊，其涉及的氣象參數(shù)很多，其中太陽輻射參數(shù)是最主要的計(jì)算參數(shù)，根據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)可以按照公式（1）～公式（2）計(jì)算各太陽輻射參數(shù)。

式中：I為某一個(gè)傾斜面上，太陽光輻射在其表面的總輻射強(qiáng)度；I為某一個(gè)傾斜面上，太陽光直射在其表面的總強(qiáng)度，R為斜面太陽光的直射強(qiáng)度除以水平面太陽光的直射強(qiáng)度；I為某一個(gè)傾斜面上，太陽光的散射強(qiáng)度，R為斜面太陽光的散射強(qiáng)度除以水平面太陽光的散射強(qiáng)度；I為某一個(gè)傾斜面上，太陽光的反射強(qiáng)度，R為斜面太陽光的反射強(qiáng)度除以水平面太陽光的反射強(qiáng)度；為傾斜面的傾斜角度；為傾斜面的方位角，為太陽光的偏轉(zhuǎn)角；為維度，為時(shí)角。

在太陽能集熱器模型中，主要模擬平板型的太陽能集熱器，其主要的計(jì)算方程如公式（3）所示。

式中：為設(shè)備的瞬時(shí)效率；Q為設(shè)備的有效熱量；A為設(shè)備的采熱面積；I為平板斜面收集到道德太陽能輻射強(qiáng)度；F為設(shè)備的熱遷移因子；為溫度。

建立的多種能源綜合利用的供熱仿真系統(tǒng)模型如圖2所示。計(jì)算時(shí)，先對(duì)雙熱源熱泵啟用和停用信號(hào)進(jìn)行輸入、對(duì)雙熱源熱泵的運(yùn)行模式信號(hào)進(jìn)行輸入，然后判斷雙熱源熱泵信號(hào)和雙熱源熱泵的運(yùn)行模式信號(hào)是否為0，在雙熱源熱泵信號(hào)中，0代表停止，1代表運(yùn)行；在雙熱源熱泵的運(yùn)行模式中，0代表運(yùn)行采用空氣環(huán)境的熱量，1代表運(yùn)行采用太陽能集水箱的熱量。如果為0，則輸出雙熱源熱泵側(cè)的出口溫度與水源熱泵源側(cè)的出口溫度相等、雙熱源負(fù)荷側(cè)的出口溫度與水源負(fù)荷側(cè)的出口溫度相等，如果不為0，則輸出水源熱泵源側(cè)的出口溫度與空氣源熱泵負(fù)荷側(cè)的出口溫度相同雙熱源熱泵制熱量與空氣源熱泵的制熱量相等、雙熱源熱泵的能效比與空氣源熱泵的能效比相等。計(jì)算時(shí)分別設(shè)置5種工況，設(shè)計(jì)負(fù)荷分別為60%、70%、80%、90%和100%，觀測(cè)運(yùn)行7000h～10000h的熱泵指標(biāo)參數(shù)。

圖2 基于TRNSYS程序的多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)仿真模型

3 多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的熱泵性能系數(shù)與能耗分析

由于熱泵性能系數(shù)值（能效比）反映的是熱泵制熱量與熱泵耗電量的比值，因此其是供熱系統(tǒng)中重要的指標(biāo)參數(shù)，可以預(yù)測(cè)能源的轉(zhuǎn)化效率與節(jié)能效率，因此仿真模型主要集中于研究熱泵性能系數(shù)值的變化。圖3為基于TRNSYS程序的不同工況下的雙熱源熱泵水源側(cè)和空氣側(cè)的仿真計(jì)算結(jié)果。

從圖3（a）中可以看出，隨著時(shí)間的變化，60%負(fù)荷比例工況下，水源側(cè)熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長表現(xiàn)出劇烈的變化，其變化值為3.53～4.99，平均值為4.22；70%負(fù)荷比例工況下，水源側(cè)熱泵性能系數(shù)值變化有所收斂，其變化范圍為3.64～4.47，平均值為4.05；80%負(fù)荷比例工況下，水源側(cè)熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍為3.81～4.43，平均值為4.18；90%負(fù)荷比例工況下，水源側(cè)熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍為3.50～4.49，平均值為4.02；在100%負(fù)荷比例工況下，水源側(cè)熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍從3.81～4.48，平均值為4.18。由此表明，各個(gè)工況下雙熱源熱泵水源側(cè)的平均值均大于4.00，處于高效率運(yùn)行狀態(tài)，能源轉(zhuǎn)換率良好。

圖3 基于TRNSYS程序的不同工況下的雙熱源熱泵仿真計(jì)算結(jié)果

從圖3（b）中可以看出，隨著時(shí)間的變化，在60%負(fù)荷比例工況下，空氣層熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化較為平緩，其變化范圍為3.50～5.91，平均值為4.77；70%負(fù)荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值變化有所收斂，其變化范圍為3.50～5.82，平均值為4.47；80%負(fù)荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化劇烈，其變化范圍為2.50～5.94，平均值為4.22；90%負(fù)荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化劇烈，其變化范圍為3.50～4.98，平均值為4.30；100%負(fù)荷比例工況下，熱泵性能系數(shù)值隨時(shí)間的增長起伏變化較為劇烈，其變化范圍為3.50～6.00，平均值為4.73。由此表明，各個(gè)工況下雙熱源熱泵水源側(cè)的平均值均大于4.00，處于高效率運(yùn)行狀態(tài)，能源轉(zhuǎn)換率良好。

進(jìn)一步對(duì)多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的一次能源利用率和一次能源消耗量進(jìn)行分析，結(jié)果見表1和表2。從表1中可以看出，多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的一次能源利用率隨著負(fù)荷比例的增加而增加，最小值為2.75，最大值為3.98，一次能源利用率遠(yuǎn)大于燃煤鍋爐房的一次性能源利用率（1.63）和燃?xì)忮仩t房的一次性能源利用率（0.75）。表明多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)具有良好的能源利用率且利用的綠色清潔能源比例不斷增加，有利于環(huán)境保護(hù)。

表1 基于TRNSYS程序的多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)一次能源利用率計(jì)算結(jié)果

從表2中可以看出，多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的一次能源消耗量隨著負(fù)荷比例的增加而減少，單位面積年耗標(biāo)煤量最小值為2.32kg/m，最大值為3.04kg/m，一次能源消耗量遠(yuǎn)大于燃煤熱電廠的一次性能源消耗量（8.23kg/m）。表明多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)具有良好的能源節(jié)約能力，有利于環(huán)境保護(hù)。

表2 基于TRNSYS程序的多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)一次能源消耗量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

該文以陜西西咸新區(qū)某新城綜合開發(fā)的PPP項(xiàng)目為研究對(duì)象，基于TRNSYS軟件對(duì)多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，得到以下3個(gè)結(jié)論。1）各個(gè)工況下雙熱源熱泵水源側(cè)和空氣側(cè)的平均值均大于4.00，處于高效率運(yùn)行狀態(tài)，能源轉(zhuǎn)換率良好。2）多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的一次能源利用率隨著負(fù)荷比例的增加而增加，一次能源利用率遠(yuǎn)大于燃煤鍋爐房的一次性能源利用率（1.63）和燃?xì)忮仩t房的一次性能源利用率（0.75），具有良好的能源利用率。3）多能互補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)的一次能源消耗量隨著負(fù)荷比例的增加而減小，一次能源消耗量遠(yuǎn)大于燃煤熱電廠的一次性能源消耗量（8.23kg/m），節(jié)約能源。