001-区域能源系统中能源站的设计及其运行策略优化.pdfVIP

区域能源系统中能源站的设计及其运行策略优化 1 胡天乐 ，江亿，谢晓云 清华大学建筑节能研究中心 摘要：对南方某城市区域能源系统的设计与运行策略进行了分析。能源系统中包括大规模的地源热 泵配合水蓄能系统的应用。特别地，针对全年运行的常规地源热泵系统冬季性能较差的问题，提出将土 壤的年平均温度整体提升的方法，从而让地源热泵的全年运行的压缩比范围变窄，进而提升全年的运行 效率。利用蓄能水罐并通过热泵的启停控制，可以让热泵始终工作在最高效率点附近。优化设计了与峰 谷电价相协调的区域能源系统逐时运行策略从而提高能源系统的经济性。 关键词：区域供热，区域供冷，地源热泵，水蓄能 1 引言 在中国城镇化进程推进的过程中，越来越多高密度建筑群涌现，如何满足这些建筑群的制冷和制热 需求开始成为一个迫切的问题。区域能源（供热/供冷）系统将集中产生热/冷量通过管网以水或低压蒸汽 的形式输送到各个末端建筑。区域能源系统在建筑密度较高、热/冷负荷比较集中的城市区域有一定的节 能潜力[1] 。 对于区域能源系统而言，其关键问题在于如何根据末端负荷特性来优化能源站内各个设备的配置及 其运行策略。Wu and Chen [2] 基于真实的运行数据对一个区域能源系统进行了分析，发现“大流量、小温 差”在实际运行过程中是个十分严重的问题。Deng, He [3] 研究了设计负荷和实际负荷对于天津某区域能源 系统运行策略优化的影响。Ameri and Besharati [4]研究了区域能源系统中汽轮机、锅炉、冷机、光伏发电 板等设备的最佳容量，其优化后系统可以因此降低40.8% 的能耗。Tian, Niu [5] 提出了一个分析区域能源 系统的细致模型，与简化模型相比，通过细致模型得到优化运行策略可以将日运行能耗降低2.5% 。 余热回收与可再生能源利用是区域能源系统中的另一个关键问题。对于区域能源系统而言，对地源 热泵的高效利用是一种可供选择的可再生能源解决方案[6] 。由于土壤给热泵系统提供了一个稳定而低温的 热汇，地源热泵系统的 COP 通常比传统的空调系统高[7] 。地源热泵运行过程中的控制与优化是提高系统 整体能效的关键所在。Man, Yang [7] 通过实验研究表明，地源热泵系统在的供冷和供热过程中，间歇运行 比连续运行的COP 更高，40h 的连续供冷之后，间歇运行的COP 比连续运行高11.57%。Xia, Ma [8] 发现 在地源热泵系统中，地埋管并联的性能优于串联。 土壤温度是影响地源热泵的直接因素。通常情况下，土壤的初始年平均温度相对较低，地源热泵压 缩机冬季的压缩比往往远高于夏季，因此对于全年运行的地源热泵系统，其制热 COP 通常较低。但是对 于这个问题目前鲜有研究。 本方介绍了一个基于地源热泵和水蓄能系统的区域能源系统。基于土壤年平均温度对系统全年运行 效率的分析，提出了一种通过提高土壤整体温度以提高地源热泵全年运行效率的策略。同时，提出了一 种协同地源热泵与水蓄能系统的逐时运行策略。 基金项目：国家自然科学基金, 国家自然科学基金创新群体, 教育部自主科研基金 (20151080470) 作者简介：胡天乐，男，1993 年11 月生，博士研究生 通讯地址：北京市海淀区清华大学建筑节能研究中心 E-mail ：hutl15@mails.tsinghua.edu.cn 电话：010 2 区域能源系统概况 图1 区域能源系统原理图 本文提出的区域能源系统包括如下的子系统：热泵系统（HP ），地埋管系统（GHE ），冷却塔系统 （CT ），以及水蓄能系统（TES ）。区域能源系统的原理图如图1 所示。 在热泵系统中所有的热泵均采用高效的离心式热泵，在额定工况下的制冷和制热 COP 分别可以达到 6.5 和7.0 。制冷和制热工况下，离心机组的进/ 出口温度分别为4℃/14℃和47℃/37℃ 。采用两级热泵系统 以获得更高的机组整体性能，负荷在两级热泵内均匀分配。冷却塔系统在区域能源系统中作为地埋管的 热平衡冷源。水蓄能系统包括一个大型的蓄能水池 （TEST ），能量以冷冻水或