田路遙
(中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司,北京 100037)
改革開放以來我國科技迅猛發(fā)展,隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快,造成我國能源需求呈剛性增長,碳達(dá)峰、碳中和計(jì)劃也隨之提出[1]。因此,需要加強(qiáng)建筑節(jié)能工作有效控制,避免建筑能耗過快增長。地源熱泵作為利用可再生能源的一種技術(shù),具有節(jié)能、高效、環(huán)保的優(yōu)勢。但在不同氣候條件的地區(qū),建筑物冷熱負(fù)荷差別較大,造成土壤溫度降低或升高,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率下降,單一地源熱泵系統(tǒng)可能無法滿足建筑物的能量需求[2],因此地源熱泵系統(tǒng)可同時(shí)采用空氣源熱泵、制冷機(jī)組、鍋爐或其他輔助能源形式,實(shí)現(xiàn)“組合能源”供給建筑物的冷、熱負(fù)荷需求。不同形式的能源供給優(yōu)化策略則尤為重要。
Benjamin Hénault[3]等人引入建筑物逐時(shí)負(fù)荷控制策略和地源熱泵設(shè)計(jì)溫度因素,確定Spectral-based混合式地源熱泵系統(tǒng)鉆孔最優(yōu)數(shù)量和位置,通過對地源井的優(yōu)化,達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低水平。Martin Kegel[4]等人對加拿大高緯度建筑物進(jìn)行太陽能耦合地源熱泵系統(tǒng)研究,可再生能源復(fù)合系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能后降低系統(tǒng)一次能源消耗,同時(shí)節(jié)省設(shè)備安裝空間。Alexander Floss1[5]、Jens Glembin1[6]研究了地源熱泵系統(tǒng)耦合水蓄能的系統(tǒng)運(yùn)行效率,發(fā)現(xiàn)不同形式的機(jī)組連接方式對機(jī)組的運(yùn)行效率起到?jīng)Q定性影響因素。盧海勇[7]等提出地源熱泵多能利用方式可提高機(jī)組運(yùn)行效益,并建立耦合系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行的模型與算法。劉佳露[8]等模擬地源熱泵輻射供冷系統(tǒng)在不同類型末端的控制方式,可有效提高系統(tǒng)性能,降低能源消耗。張喜明[9]等以原生污水為冷熱源的污水源熱泵系統(tǒng)工程選為研究對象,對集中供熱與冷水機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行能耗對比得出污水源熱泵耦合運(yùn)行性的節(jié)能特性。孟甲[10]等分析了農(nóng)村地源熱泵供暖在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有可行性,為我國廣大農(nóng)村在采暖模式轉(zhuǎn)變和節(jié)能 減排等方面提供了一種較為可行的思路。宮靜[11]等為解決嚴(yán)寒地區(qū)單一地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的土壤熱失衡問題,構(gòu)建了空氣土壤源熱泵耦合運(yùn)行系統(tǒng),并分析了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與碳排放減排率。
地源熱泵系統(tǒng)主要由能量采集系統(tǒng)、能量提升系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)組成。如圖1。
圖1 地源熱泵系統(tǒng)組成
能量采集系統(tǒng)主要是通過地埋管與土壤的能量交換實(shí)現(xiàn)對地源側(cè)地?zé)崮苁占?。地埋管敷設(shè)根據(jù)地下盤管的敷設(shè)方式可分為水平埋管、垂直兩大類敷設(shè)方式。如圖2所示。
圖2 地埋管的敷設(shè)
能量提升系統(tǒng)一般采用壓縮式熱泵,若熱泵在運(yùn)行過程中制冷量為A,設(shè)備用電功率為B,則熱泵輸出的功率與輸入功率之比為機(jī)組效率,如下所示
(1)
地源熱泵提升系統(tǒng)可消耗少量的高品位能源撬動大量的低品位能源變?yōu)樗枰母呒墴崮?其設(shè)備機(jī)組效率永遠(yuǎn)大于1。
能量釋放系統(tǒng)為末端設(shè)備的循環(huán)系統(tǒng),主要由末端設(shè)備如風(fēng)機(jī)盤管、散熱器、天棚輻射系統(tǒng)、毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)等末端輻射設(shè)備以及循環(huán)水泵、分集水器、定壓補(bǔ)水、軟水器等循環(huán)裝置組合而成。
根據(jù)樓層平面繪制建模并將建模平面設(shè)置為DeST圖層,明確模型的樓層高度、進(jìn)行墻體的繪制,在墻體的基礎(chǔ)上可插入建筑物內(nèi)外的門窗并選擇相關(guān)門窗墻體參數(shù),建模平面如圖3所示。
圖3 DeST建模
2.2.1 全年室外溫度
根據(jù)DeST軟件提供的氣象參數(shù),北京地區(qū)全年室外日干球溫度統(tǒng)計(jì)如圖4所示。
圖4 北京地區(qū)全年室外溫度統(tǒng)計(jì)
由氣象參數(shù)可得北京地區(qū)全年最高溫度在7~8月,最高氣溫達(dá)37~38 ℃,全年平均最高溫度為28~29 ℃;全年最低氣溫為12月至次年1月,氣溫低于-10 ℃,全年平均最低氣溫為-11℃。
2.2.2 全年室內(nèi)溫度
通過維護(hù)結(jié)構(gòu)選取確定條件下,可得出室內(nèi)的基礎(chǔ)溫度隨外界的變化趨勢。DeST軟件模擬全年室內(nèi)外溫度的變化如圖5所示。
圖5 北京地區(qū)全年室內(nèi)外溫度統(tǒng)計(jì)
本辦公建筑位于昌平區(qū),總用地面積25 429 m2,建設(shè)規(guī)模性質(zhì)為科研辦公用房,總建筑面積33 600 m2。其中地上部分25 976 m2。
項(xiàng)目B1層設(shè)置冷熱源機(jī)房、空調(diào)用地源熱泵主機(jī)等設(shè)備。通過對項(xiàng)目建筑單體全年365天的冷、熱負(fù)荷模擬,得到全年所需冷熱負(fù)荷量如圖6所示。
圖6 辦公建筑全年空調(diào)負(fù)荷量模擬結(jié)果
圖6顯示,全年冷負(fù)荷需求由5月份起開始,至10月份結(jié)束,在7~8月出現(xiàn)冷負(fù)荷最大時(shí)段;全年熱負(fù)荷由11月份開始至次年3月份結(jié)束,全年熱負(fù)荷最大時(shí)段出現(xiàn)在12月至次年1月份之間。
利用DeST軟件可模擬出辦公建筑的空調(diào)冷熱負(fù)荷需求,如表1所示。
表1 辦公建筑的空調(diào)冷熱負(fù)荷需求模擬結(jié)果
通過DeST對全年冷熱負(fù)荷需求的模擬得出全年最高的逐時(shí)熱負(fù)荷為指標(biāo)68 W/m2,全年最高逐時(shí)冷負(fù)荷指標(biāo)為92 W/m2。其中最大逐時(shí)熱負(fù)荷為2.285 MW,最大逐時(shí)冷負(fù)荷為3.091 MW。
3.1.1 能源需求補(bǔ)充量
由表1模擬計(jì)算可知項(xiàng)目全年空調(diào)供冷的總負(fù)荷為1 437 307 kWh,全年空調(diào)采暖總負(fù)荷為1 097 268 kWh。冬季與地源場交換的熱量無法滿足夏季制冷需求,長期采用單獨(dú)的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行會導(dǎo)致地源場的冷熱不平衡,從而會使系統(tǒng)運(yùn)行效率和運(yùn)行狀態(tài)下降。為此,夏季需采用冷負(fù)荷補(bǔ)充來滿足地源場的冬夏平衡狀態(tài)。地源熱泵系統(tǒng)需耦合其他冷源系統(tǒng)運(yùn)行才可滿足地源場平衡的需求。能源需求補(bǔ)充量如表2所示。
表2 能源需求補(bǔ)充量
3.1.2 地源熱泵耦合冷熱源方案
方案一:地源熱泵耦合制冷機(jī)組運(yùn)行。
根據(jù)建筑物冷負(fù)荷需求,選用一臺輸入功率為200 kW制冷機(jī)組可實(shí)現(xiàn)耦合系統(tǒng)的夏季調(diào)峰功能,對應(yīng)選用1臺10.5 kW冷卻塔。地源熱泵耦合制冷機(jī)組的運(yùn)行方式主要以地源熱泵系統(tǒng)為基載,制冷機(jī)組調(diào)峰使用,分別有100%、75%、50%、25%四種工況。耦合冷源設(shè)備綜合能效比為4.15。
方案二:地源熱泵耦合風(fēng)冷熱泵運(yùn)行。
地源熱泵耦合風(fēng)冷熱泵根據(jù)建筑物冷負(fù)荷需求,選用10臺模塊式組合制冷機(jī)組作為夏季調(diào)峰使用,機(jī)組為全封閉渦旋壓縮機(jī),每臺名義制冷量為130 kW,名義制冷輸入總功率為44 kW。耦合冷源設(shè)備綜合能效比為2.33。
方案三:地源熱泵耦合VRV運(yùn)行。
根據(jù)建筑物冷負(fù)荷需求,選用10臺GMV-PD110VRV室外機(jī),單臺制冷量110 kW,輸入功率28.31 kW。耦合冷源設(shè)備綜合能效比為2.9。
3.2.1 運(yùn)行工況
在項(xiàng)目中,地源熱泵耦合的冷熱源系統(tǒng)的運(yùn)行模式以地源熱泵系統(tǒng)為基載,耦合冷源系統(tǒng)調(diào)峰。
根據(jù)北京市地區(qū)的全年氣候情況,將冬季和夏季的制冷和供暖負(fù)荷分為100%、75%、50%、25%四個(gè)階段,不同的負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行天數(shù)如表3、表4所示。
表3 夏季運(yùn)行情況估算
表4 冬季運(yùn)行情況估算
地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在100%最大負(fù)荷日中不同時(shí)間段的耗能量與用電量如圖7所示。 地源熱泵系統(tǒng)由22:00至次日5:00處于低負(fù)載運(yùn)行,隨著時(shí)間變化和溫度升高,地源熱泵系統(tǒng)的能耗也隨之升高,在6:00~9:00時(shí)段地源熱泵系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,可滿足整個(gè)建筑物的制冷需求,9:00~18:00能耗負(fù)載呈上升趨勢,此時(shí)間段為地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)混合供能。地源熱泵系統(tǒng)做為基載處于滿載運(yùn)行狀態(tài),最大制冷量為2282.58 kWh,耗電量為549.42 kWh;冷源系統(tǒng)做為調(diào)峰開始投入運(yùn)行,并逐步達(dá)到峰值,累計(jì)調(diào)峰制冷量為4 160.34 kWh。
圖7 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)最大負(fù)荷日負(fù)荷曲線
地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在75%負(fù)荷日中不同時(shí)間段的耗能量與用電量如圖8所示。地源熱泵系統(tǒng)由22:00至次日5:00處于低負(fù)載運(yùn)行,隨著時(shí)間變化和溫度升高,地源熱泵系統(tǒng)的能耗也隨之升高,在6:00~12:00時(shí)段地源熱泵系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,可滿足整個(gè)建筑物的制冷需求,12:00~14:00能耗負(fù)載呈上升趨勢,此時(shí)間段為地源熱泵耦合冷源混合供能。地源熱泵做為基載處于滿載運(yùn)行狀態(tài),最大制冷量為2 282.58 kWh,耗電量為549.42 kWh;耦合冷源僅在峰值時(shí)段投入運(yùn)行,并逐步達(dá)到峰值,累計(jì)調(diào)峰制冷量為71.63 kWh。
圖8 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)75%負(fù)荷日負(fù)荷曲線
地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在50%負(fù)荷日中不同時(shí)間段的耗能量與用電量如圖9所示。此狀態(tài)下地源熱泵系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行作為基載,完全滿足建筑物制冷工況需求,不需制冷機(jī)組耦合運(yùn)行調(diào)峰;整套系統(tǒng)累計(jì)耗電量的峰值時(shí)段為12:00~14:00,累計(jì)電能消耗為372 kWh。在50%負(fù)荷日地源熱泵累計(jì)全天電能消耗為5 323.68 kWh,對應(yīng)的制冷量為22 117.54 kWh。
圖9 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)50%負(fù)荷日負(fù)荷曲線
地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)在25%負(fù)荷日中不同時(shí)間段的耗能量與用電量如圖10所示。此狀態(tài)下地源熱泵系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行作為基載完全滿足建筑物制冷工況需求,不需制冷機(jī)組耦合運(yùn)行調(diào)峰;整套系統(tǒng)累計(jì)耗電量的峰值時(shí)段為12:00~14:00,累計(jì)電能消耗為186.01 kWh。在25%負(fù)荷日地源熱泵累計(jì)全天電能消耗為2 661.84 kWh,對應(yīng)的制冷量為11 058.77 kWh。
圖10 地源熱泵耦合冷源系統(tǒng)25%負(fù)荷日負(fù)荷曲線
由此可知,在100%負(fù)荷日、75%負(fù)荷日兩類工況下,綜合系統(tǒng)需要耦合冷源設(shè)備運(yùn)行,以100%負(fù)荷日為例,結(jié)合三種方案設(shè)備運(yùn)行綜合能效比可分別得出,耦合冷源設(shè)備峰值制冷量為808.62 kWh,三種設(shè)備用電量分別為:耦合制冷機(jī)組設(shè)備用電量194.63 kWh,耦合風(fēng)冷熱泵設(shè)備用電量為346.68 kWh,耦合VRV設(shè)備用電量為278.83 kWh。
3.2.2 優(yōu)化運(yùn)行策略
地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行策略以經(jīng)濟(jì)效益為前提,以用能設(shè)備的冷熱平衡為原則,包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
(1)滿足基本負(fù)荷需求的地源熱泵組獨(dú)立運(yùn)行優(yōu)化;
(2)滿足能量平衡條件下的地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)組合運(yùn)行優(yōu)化;
(3)在極端負(fù)荷條件下的系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行優(yōu)化;
(4)在滿足經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)條件下負(fù)荷需求的優(yōu)化運(yùn)行。
3.2.3 優(yōu)化運(yùn)行模型
(1)總目標(biāo)函數(shù)
綜合考慮能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素來對整體地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,多目標(biāo)函數(shù)如式(2)、(3)所示
minF(x)=[β1f1(x),β2f2(x),β3f3(x)]
(2)
f1(x)=f制冷(x)+f制熱(x)
(3)
式中 minF(x)——總體目標(biāo)函數(shù);
f1(x)子目標(biāo)函數(shù)——各類冷熱源系統(tǒng)耦合運(yùn)行的一次能源最低能耗水平;
f2(x)子目標(biāo)函數(shù)——各類冷熱源系統(tǒng)耦合運(yùn)行的二氧化碳排放最低水平;
f3(x)子目標(biāo)函數(shù)——系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài);
f制冷(x)——制冷狀態(tài)下子目標(biāo)函數(shù);
f制熱(x)——制熱狀態(tài)下子目標(biāo)函數(shù);
β1,β2,β3——三類評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重因子,每部分指標(biāo)權(quán)重因子[2]由表5所示。
表5 公共建筑不同指標(biāo)權(quán)重因子
(2)一次能源消耗最低
根據(jù)北京市地區(qū)供暖要求,供暖季為每年11月15日至次年3月15日,夏季制冷季為每年6~9月。制冷供暖時(shí)間均為120 d,2 880 h,目標(biāo)函數(shù)為
(4)
式中P1(t)——地源熱泵系統(tǒng)供暖制冷工況電能消耗/kW;
P2(t)——耦合設(shè)備系統(tǒng)制冷工況電能消耗/kW;
Q1(t)——地源熱泵機(jī)組制熱、制冷量/kW;
Q2(t)——耦合設(shè)備制熱、制冷量/kW;
COP1——地源熱泵機(jī)組制熱效率;
COP2——耦合設(shè)備制熱效率;
t——機(jī)組運(yùn)行時(shí)間/h。
根據(jù)北京地區(qū)建筑物熱負(fù)荷需求,在全年8 760 h中制熱時(shí)間段為每年11月15日至次年3月15日,地源熱泵系統(tǒng)在制熱工況運(yùn)行小時(shí)數(shù)為0至2 880 h,夏季制冷季為每年6~9月。制冷供暖時(shí)間均為120 d,2 880 h。
(3)二氧化碳排放最少
二氧化碳排放量為地源熱泵耦合不同形式的冷熱源系統(tǒng)二氧化碳排放水平。
夏季二氧化碳排放表達(dá)式為
(5)
(6)
式中S1(t)——夏季地源熱泵二氧化碳排放量/t;
S2(t)——夏季耦合能源二氧化碳排放量/t;
Si(t)——整體系統(tǒng)夏季二氧化碳排放量/t。
冬季二氧化碳排放表達(dá)式為
(7)
式中Si(t)——冬季地源熱泵二氧化碳排放量/t;
Si(x)——整體系統(tǒng)冬季二氧化碳排放量/t。
(4)年總投資最小
年總投資節(jié)約率為地源熱泵耦合不同形式的冷熱源系統(tǒng)的最大初投資與最小初投資差值的比值,可表示為
minf3(x)=C1(y)+C2(y)
(8)
式中C1(y)——初始投資費(fèi)用;
C2(y)——設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用。
由表6可得幾種能源耦合形式的冬季最大負(fù)荷日、夏季最大負(fù)荷日能源消耗,并折算出冬季、夏季系統(tǒng)運(yùn)行電能消耗,結(jié)果顯示地源熱泵耦合制冷機(jī)組一次能源消耗最低。
表6 地源熱泵耦合一次能源消耗
以100%運(yùn)行日為例,地源熱泵系統(tǒng)耦合制冷機(jī)組投入運(yùn)營后的間接排放。按式(8)計(jì)算,地源熱泵機(jī)組耦合制冷機(jī)組未涉及熱力運(yùn)行,只對電力消耗二氧化碳排放量進(jìn)行測算。因此,地源熱泵作為基載運(yùn)行在夏季最大冷負(fù)荷日的二氧化碳排放如下[12]
E電=D地源熱泵f電力+D耦合系統(tǒng)f電力
(9)
D地源熱泵表示地源熱泵機(jī)組電力消耗量(MWh),由表6可得100%負(fù)荷日地源熱泵系統(tǒng)電力消耗為9.645 96 MWh;D耦合系統(tǒng)耦合系統(tǒng)電力消耗量(MWh),由表6可得制冷機(jī)組系統(tǒng)電力消耗為1.001 MWh。f電力表示電力二氧化碳排放因子取0.604[13]。經(jīng)數(shù)據(jù)測算,地源熱泵耦合制冷機(jī)組在夏季最大冷負(fù)荷日運(yùn)行狀態(tài)下二氧化碳的總排放量為5.826 t。同理可得不同耦合系統(tǒng)全年二氧化碳排放量對比如表7所示。
4.3.1 初期投資
地源熱泵系統(tǒng)的初期投資主要包括土建過程中的地埋管的設(shè)置、地源熱泵機(jī)組的配置與安裝,以及配套機(jī)組運(yùn)行的水泵和補(bǔ)水裝置和末端機(jī)電安裝的管線設(shè)備、熱交換所需設(shè)備等設(shè)施購置于安裝費(fèi)用。制冷機(jī)組設(shè)備為耦合地源熱泵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的制冷設(shè)備,主要設(shè)備包括制冷機(jī)組、屋頂冷卻塔和機(jī)組運(yùn)行相關(guān)配套的冷凍側(cè)水泵、用戶末端運(yùn)行使用的用戶側(cè)和空調(diào)補(bǔ)水水泵等。各類耦合系統(tǒng)初投資金額可根據(jù)預(yù)算金額分類明確,地源熱泵及耦合系統(tǒng)初投資對比如表8所示。
表8 地源熱泵耦合系統(tǒng)初投資對比
4.3.2 運(yùn)行費(fèi)用
北京市地區(qū)對民用、普通工商業(yè)的用電負(fù)荷電價(jià)都有相關(guān)的政策要求,結(jié)合北京市針對普通商業(yè)辦公性質(zhì)建筑使用峰谷電價(jià)制度,測算地源熱泵耦合三種不同形式冷源運(yùn)行費(fèi)用如表9所示。
表9 地源熱泵耦合系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用
基于以上章節(jié)中的一次能源消耗最低、二氧化碳排放最少及年總投資最少,并結(jié)合各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)可得出地源熱泵耦合制冷機(jī)組為最優(yōu)運(yùn)行策略,如表10所示。
(1)本項(xiàng)目通過分析北京市某辦公建筑的日常運(yùn)行制冷、供暖需求,模擬辦公樓在夏季與冬季運(yùn)行的冷熱負(fù)荷量。利用數(shù)據(jù)分析冷熱源耦合系統(tǒng)最優(yōu)的運(yùn)行策略。
(2)結(jié)合北京地區(qū)的室外環(huán)境特點(diǎn)、建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性和辦公建筑冷熱負(fù)荷的需求,利用DeST軟件,模擬項(xiàng)目在日常運(yùn)行所需的冷熱負(fù)荷量。得出北京地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)夏季負(fù)荷量大于冬季運(yùn)行的整體負(fù)荷。
(3)基于以上分析內(nèi)容,確定地源熱泵的耦合系統(tǒng)需夏季耦合冷源來避免冬季地源場回灌熱量不足的現(xiàn)象產(chǎn)生,并確定地源熱泵及其耦合系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)。
(4)分析地源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行的用電參數(shù)指標(biāo)與各類能源耦合系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。并建立多目標(biāo)函數(shù)耦合運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型。通過各類冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和耗電量與二氧化碳間接排放量的數(shù)據(jù)對比,得出地源熱泵耦合冷熱源系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)運(yùn)行策略。