一种基于地源热泵耦合蓄能水池的分布式能源系统.pdf
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1、第8卷 第3期2 0 2 3年6月分布式能源D i s t r i b u t e d E n e r g yV o l.8 N o.3J u n.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 3 0 9一种基于地源热泵耦合蓄能水池的分布式能源系统马鹏亮(北京燃气能源发展有限公司,北京市 朝阳区 1 0 0 1 0 1)摘要:以某能源站实际项目为案例,对地源热泵耦合蓄能水池承担基础负荷的分布式能源系统效率及经济性进行研究。通过计算机软件对末端冷热负荷进行逐时模拟,采用地源热泵+蓄能水池承担基础负荷,耦合其他传统能源作为系统调峰
2、和保障的运行方式,确定项目装机比例及计算系统的能源利用率和经济性。研究表明,能源站能源系统根据当地不同时段的能源价格,采用不同的能源组合形式,实现了项目经济、高效、环保运行。对于地源热泵耦合蓄能水池承担基础负荷的分布式能源系统,通过搭建智慧能源管理平台,实现多能协同、智能耦合的运行模式。分布式能源系统与传统能源供应系统相比,不仅可提高能源利用效率和系统经济性,也可提高可再生能源利用率。关键词:分布式能源系统;综合能源利用率;可再生能源利用率;经济性运行中图分类号:T K 0 2 文献标志码:AA D i s t r i b u t e d E n e r g y S y s t e m B a
3、 s e d o n G r o u n d S o u r c e H e a t P u m p C o u p l e d E n e r g y S t o r a g e P o o lMA P e n g l i a n g(B e i j i n g G a s E n e r g y D e v e l o p m e n t C o.,L t d.,C h a o y a n g D i s t r i c t,B e i j i n g 1 0 0 1 0 1,C h i n a)A B S T R A C T:I n t h i s p a p e r,t h e e f
4、 f i c i e n c y a n d e c o n o m y o f t h e d i s t r i b u t e d e n e r g y s y s t e m o f t h e g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p c o u p l e d s t o r a g e p o o l b e a r i n g t h e b a s e l o a d w e r e s t u d i e d b y t a k i n g t h e a c t u a l p r o j e c t o f s o m e e n
5、 e r g y s t a t i o n a s a n e x a m p l e.T h e c o m p u t e r s o f t w a r e i s u s e d t o s i m u l a t e t h e t e r m i n a l c o o l i n g a n d h e a t i n g l o a d h o u r l y,a n d t h e g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p a n d e n e r g y s t o r a g e p o o l a r e u s e d t o
6、 u n d e r t a k e t h e b a s e l o a d,c o u p l e d w i t h o t h e r t r a d i t i o n a l e n e r g y s o u r c e s a s t h e o p e r a t i o n m o d e o f p e a k a d j u s t m e n t a n d g u a r a n t e e o f t h e s y s t e m,s o a s t o d e t e r m i n e t h e i n s t a l l e d p r o p o r
7、 t i o n o f t h e p r o j e c t a n d c a l c u l a t e t h e e n e r g y e f f i c i e n c y a n d e c o n o m y o f t h e s y s t e m.T h e r e s e a r c h s h o w s t h a t t h e e n e r g y s y s t e m o f t h e e n e r g y s t a t i o n a d o p t s d i f f e r e n t f o r m s o f e n e r g y m
8、 i x a c c o r d i n g t o t h e l o c a l e n e r g y p r i c e s a t d i f f e r e n t t i m e s,w h i c h r e a l i z e s t h e e c o n o m i c,e f f i c i e n t a n d e n v i r o n m e n t a l o p e r a t i o n o f t h e p r o j e c t.F o r t h e d i s t r i b u t e d e n e r g y s y s t e m w i
9、 t h t h e b a s e l o a d b o r n e b y t h e g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p c o u p l e d e n e r g y s t o r a g e p o o l,t h e i n t e l l i g e n t e n e r g y m a n a g e m e n t p l a t f o r m i s b u i l t t o r e a l i z e t h e o p e r a t i o n m o d e o f m u l t i-e n e r g y
10、 c o l l a b o r a t i o n a n d i n t e l l i g e n t c o u p l i n g.C o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l e n e r g y s u p p l y s y s t e m,d i s t r i b u t e d e n e r g y s y s t e m c a n n o t o n l y i m p r o v e e n e r g y u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y a n d s y s t
11、 e m e c o n o m y,b u t a l s o i m p r o v e t h e u t i l i z a t i o n r a t e o f r e n e w a b l e e n e r g y.K E Y WO R D S:d i s t r i b u t e d e n e r g y s y s t e m;c o m p r e h e n s i v e e n e r g y e f f i c i e n c y;r e n e w a b l e e n e r g y e f f i c i e n c y;e c o n o m i
12、c a l o p e r a t i o n0 引言 面临化石能源的逐渐枯竭,可再生能源替代化石能源的技术应用已成为决定经济是否可持续发展的关键所在。为减少化石能源开发,不仅需要提高系统综合能源利用率,还需要提高能源系统中可再生能源的占比1-4。在上述背景下,分布式能源系统作为一种新兴、先进的能源利用技术,以运行更节能、低碳、智慧、安全、经济等优点迅速发展成目前主要的能源供应形式之一5-6。我国能源行业对于分布式能源系统研究颇多,尤其是在“十四五”规划提出“2 0 2 5年我国主要资源产出率比2 0 2 0年提高约2 0%,单位G D P能源消耗比2 0 2 0年降低1 3.5%”7之后。文
13、献8 在能源站全年运行优化模型基础上,减少设备配置冗余,降低系统运行成本,达到能源站的最优配置。文献9 在负荷分析基础上,针对主辅机的容量配比,使主机承6 6 分布式能源第8卷 第3期担全部基础负荷,辅机承担峰值负荷,降低项目初投资。文献1 0 通过建立微能源网研究框架及设备模型,在Q学 习 算 法 和 深 度Q网 络(d e e p Q-n e t w o r k,D QN)算法的理论基础上,以经济性为目标优化能源供应方式。文献1 1 针对分布式能源站在运行过程中由于热负荷波动,引起冷/热系统热平衡改变,通过改造末端空调区域重新达到平衡,从而提高能源站冷/热负荷综合利用效益。图1 能源站系统
14、原理图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f e n e r g y s y s t e m 本文综合以上文献的研究成果,提出在分布式能源系统供应中,以地源热泵耦合蓄能水池承担基础负荷,并对末端负荷进行逐时模拟,实现能量按需供应。此方向不同于以往仅注重投资成本或运行成本或系统效率的研究,而是将系统的一次能源利用率、可再生能源利用率和系统运行经济性等多方面指标进行综合研究,并结合能源站实际项目进行分析、计算,以期为类似居民分布式能源系统设计运行提供参考。1 分布式能源系统分布式能源系统相对传统的集中大网供能系统而言,具有直接面向用户、可根据用户实际
15、需要供应能量、可减少能源输送损失等优势1 2-1 3。分布式能源可耦合三联供系统,实现能源的梯级利用,以提高能源的综合利用效率;也可耦合地热系统,夏季将热量储存到土壤中,冬季从土壤中将热量取出,实现能源的可再生循环,以减少化石能源的开发利用;还可耦合蓄能水池系统,在夜间低谷电价、同时系统低负荷阶段,利用蓄能水池将热泵供应的能量储存起来,在白天高峰电价、同时系统高负荷阶段释放,不仅可提高系统可再生能源利用率,也可降低运行成本。多能源的分布式能源系统可将三联供系统、地热系统、蓄能水池和常规燃气锅炉、电制冷等多种不同能源有机地耦合在一起,实现系统高效、经济、安全的运行。6#能源站将以上各种能源进行耦
16、合,实现能源站“冷热电”三联供,同时提高综合能源利用率和可再生能源占比及运行经济性,其耦合原理如图1所示。2 项目简介能源站位于北京市通州区行政办公区内,为行政V o l.8 N o.3马鹏亮:一种基于地源热泵耦合蓄能水池的分布式能源系统6 7 办公区约6 2万m2的配套周转房提供冷、暖供应。项目分两期建设,一期为5 6万m2,二期为6万m2,能源站内设备在一期阶段全部安装完成。周转房内部配备冬夏两套供能系统,夏季采用风机盘管供冷、冬季采用低温地板辐射供暖,在过渡季通过阀门关闭进行供能模式的切换。末端负荷情况如表1所示。表1 冷热负荷情况表T a b l e 1 C o l d a n d h
17、 e a t l o a d t a b l e阶段面积/(1 04m2)冷负荷/k W冷负荷指标/(Wm-2)热负荷/k W热负荷指标/(Wm-2)一期5 6.5 63 74 5 8.0 66 31 83 3 9.0 03 2.4一期+二期6 2.7 83 81 7 5.5 06 11 88 4 2.8 23 0.0 由于项目为住宅性质建筑,不同于一般商业建筑,用能情况需区分工作日和节假日。利用D e s t模拟软件进行典型工况下冷热负荷的逐时模拟计算,其中空调冷水为低温冷水系统,用户侧供、回水温度分别为6和1 3;空调温水为低温热水系统,用户侧供、回水温度分别为5 0和4 0。按照北京地区
18、气象条件,7月最热,月平均气温为2 6左右;1月最冷,月平均气温为-4-5。其他天气条件:冬季采暖室外计算温度为-7.6;冬季空气调节室外计算温度为-9.9;夏季空气调节室外计算干球温度为3 3.5;夏季空气调节室外计算湿球温度为2 6.4;冬季空气调节室外计算相对湿度为4 4%;夏季通风室外计算相对湿度为6 1%;夏季平均风速为2.1m/s;冬季平均风速为2.6m/s。从模拟结构可看出:工作日最大冷负荷出现在1 8:0 01 9:0 0,而 节 假 日 最 大 冷 负 荷 则 出 现在1 3:0 01 4:0 0,这是由于工作日大多数人员在外办公,家中无冷负荷的需求,故0 9:0 01 7:
19、0 0时间段内冷负荷很低;热负荷的变化趋势基本与冷负荷相反,但由于供暖的热惰性远远大于供冷,所以从热负荷逐时变化情况来看,工作日夜间热负荷明显高于日间,但在节假日全天的热负荷变化并不明显。冷热负荷变化情况如图2、3所示。3 能源站设计方案项目采用“以地源热泵耦合蓄能水池承担基础负荷,同时以燃气锅炉、电制冷作为尖峰负荷补充 图2 夏季典型日冷负荷逐时变化情况F i g.2 H o u r l y v a r i a t i o n o f t y p i c a l d a i l y c o o l i n g l o a d i n s u m m e r 图3 冬季典型日热负荷逐时变化情况
20、F i g.3 H o u r l y v a r i a t i o n o f t y p i c a l d a i l y h e a t l o a d i n w i n t e r 6 8 分布式能源第8卷 第3期能源”的技术路线,实现分布式能源站“多能协同、智能耦合”的高效、节能、低碳、经济运行。根据上述负荷的逐时变化情况可看出:住宅性质的建筑无论冷热负荷在夜间都存在较大的基础负荷,所以在设计阶段需要满足在蓄能水池蓄冷或蓄热的同时,不影响对末端的供冷或供热。为实现这一功能,需要将地源热泵或电制冷(即“蓄能主机”)作为冷热源头,蓄能水池和末端建筑以并联方式连接在蓄能主机后,通过阀
21、门切换实现同时蓄能和供能。同时又可将蓄能水池和末端建筑转换为串联连接,实现蓄能水池向末端建筑供能,其连接示意图如图4所示。图5 供能工艺系统流程图F i g.5 F l o w c h a r t o f e n e r g y s u p p l y p r o c e s s s y s t e m 当夜间低谷电价蓄能时,同时又要保证末端的 图4 蓄能主机和蓄能水池连接示意图F i g.4 C o n n e c t i o n d i a g r a m o f e n e r g y s t o r a g e h o s t a n d s t o r a g e t a n k 负
22、荷需求,将阀门V 4和V 6关闭,蓄能主机出口水流分别通过阀门V 1向末端用户供能、通过阀门V 2对蓄能水池蓄能。蓄能完成后关闭阀门V 2和V 3,此时蓄能主机停止蓄能,仅向末端用户供能。白天可根据负荷变化情况打开阀门V 4和V 6、关闭阀门V 2和V 3,将蓄能水池储存的能量通过板换释放给末端用户。由于北京市市电执行峰谷平阶段电价,从项目运行经济性角度出发,三联供系统除夜间低谷电价不运行外,其余时段均开启运行。由于三联供系统夜间不运行,故不参与项目的蓄能,所以与蓄能水池并联连接,在集水器上汇合,同时向末端建筑进行供能。项目的工艺流程如图5所示,其中:(1)发电机组,包含1 1燃气内燃发电机组
23、、1 2低温水散热器、1 3高温水散热器。(2)溴化锂余热机,包含2 1烟气溴化锂机组、2 2板式换热器、2 3冷却水泵(配套余热机)、2 4余热机配套冷却塔、2 5一级循环泵(配套余热机)。(3)土壤源热泵机组,包含3 13 1 土壤源热泵机组、3 23 2 用户侧循环泵、3 3-3 3 地源侧循环泵、V o l.8 N o.3马鹏亮:一种基于地源热泵耦合蓄能水池的分布式能源系统6 9 3 4土壤内地埋管。(4)蓄能水池,包含4 1蓄能水池、4 2释能一次泵、4 3释能二次泵、4 4释能板换。(5)电制冷机组,包含5 1电制冷机、5 2一级循环泵(配套电制冷)、5 3冷却水泵(配套电制冷)、
24、5 4电制冷配套冷却塔。(6)锅炉,包含6 1燃气真空热水锅炉、6 2一级循环泵(配套锅炉)。(7)二级泵,包含7 1二级循环泵、7 2集水器、7 3分水器。(8)末端,指8 0末端热用户。4 能源站运行模式由于系统庞大,为考虑水利平衡、水泵扬程及系统运行压力等因素,将系统设计为间接式供能系统。能源站和末端用户内的流体互不接触,通过换热机组进行热量的交换,能源站向末端用户供应能量的传递过程为:能源站换热子站末端用户1 2。(1)夏季运行模式。能源站冷水回水进入分水器后,分别进入蓄能系统、地源热泵系统、燃气冷热电三联供系统、电制冷系统一级泵及对应的主机设备;冷却后流入集水器汇合,再经冷水二级泵加
25、压后送至各地块能源交换子站,其中一级泵负责能源站内的阻力,二级泵负责一次外网及能源交换子站的阻力,4套供冷系统可单独运行或并联运行。(2)冬季运行模式。能源站热水回水进入分水器后,分别进入蓄能系统、地源热泵系统、燃气冷热电三联供系统一级泵及对应的主机设备;加热后流入集水器汇合,首先经锅炉系统加热达到供水温度后,再经热水二级泵加压后送至各地块能源交换子站,其中一级泵负责能源站内的阻力,二级泵负责一次外网及能源交换子站的阻力,4套供热系统可单独运行或并联运行1 4-1 8。地源热泵耦合蓄能水池承担项目6 0%以上的基础负荷,其他传统能源仅承担不足4 0%的调峰负荷,所以运行过程中地源热泵耦合蓄能水
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