夏热冬冷地区能源总线系统的区域能源规划方法

(1 同济大学机械与能源工程学院 上海 200092；2 同济大学中德工程学院 上海 200092)

夏热冬冷地区能源总线系统的区域能源规划方法

孟 华1王 海1龙惟定2

(1同济大学机械与能源工程学院上海200092；2同济大学中德工程学院上海200092)

本文提出一种适于夏热冬冷地区、采用能源总线进行区域能源规划的普遍方法。利用分布式变频水泵的水力解耦特性，通过冷、热线将多个冷(热)源和多个用户(楼宇)连接成能源网。在冷(热)源处采用制冷或供热设备控制总线供水温度，在用户处采用制冷机组和热泵等为用户提供冷水、热水或生活热水。该能源总线组态方式具有热力解耦能力，源和用户都可根据本地负荷变化灵活调整设备运行。本文建立了一整套水力、热力数学模型，用于规划冬季供暖且夏季供冷的区域供能场合，以实际案例说明了能源总线的区域能源规划的具体方法。结果表明：结合地源热泵、水源热泵及蒸气型溴化锂等供能设备，该方法具有良好的低品位能源利用率，在夏季和冬季的系统综合性能系数COP分别为3.85和3.17。

能源规划；区域供热/供冷；能源总线；分布式热泵；分布式变频水泵

近年来，随着城镇化发展，建筑能耗占总能源消耗比例越来越高。在欧洲，建筑能耗占总能耗比例已超过40%，冷、热能耗占建筑能耗比例超过46%。在中国，建筑能耗占比也超过30%，且逐年增加。由于能源效率高，经济合理，且能有效减少碳排放，分布式能源系统结合区域供热供冷网，越来越多地被应用于城镇建筑供能[1-2]。

夏热冬冷地区的建筑物在夏季需要供冷，冬季需要采暖，但由于采暖期短，致使传统的集中采暖方式经济性较差。在夏季，与单独供冷方式相比，采用区域供冷方式的经济供冷半径一般应在1 km以内[3-4]。若要实现区域内高效夏季供冷及冬季采暖，分布式能源技术具有明显优势[5-7]，但目前区域内多种类型建筑之间的能源互联还主要体现在电能通过电网进行互融互通[8-9]。为了最大限度地利用可再生能源、废热等资源以节约能源，减少碳排放，能源系统的未来发展需要一种新的组态方式，以实现冷、热能量的“互通互融”。

能源总线系统(energy bus system, EBS)是近年来被提出的一种可实现在区域范围内冷、热能量互通互融的新系统[10-15]。Wang Peipei等[10-11]基于EBS特点提出了一种半集中式区域供冷供热系统，对EBS设计原则、形式及控制策略进行分析，指出该系统兼备区域集中供能的规模优势与分散供能的灵活性。樊瑛等[12]建立了天然水源EBS、冷却塔EBS及单体建筑供冷系统的分析与碳分析模型。王培培等[13]对小型EBS进行仿真研究，结果表明：EBS全年系统综合热力性能系数达3.5，而常规方案系统综合热力性能系数均小于1.5，EBS节能率和减碳率大于20%。王培培等[14]对EBS相对常规分散系统所特有的多源多用户特征进行系统混水和热回收过程的分析。龙惟定等[15]介绍了新加坡樟宜海军基地海水间接冷却系统应用EBS进行设计的工程案例，该系统可节约600万美元的生命周期成本，每年节约35万m3饮用水。综上所述：EBS具有更高的综合能源利用率，碳减排效果明显。

不同区域的可利用能源大相径庭，若采用EBS进行区域能源规划，亟需具有共性的方法论。夏热冬冷地区，尤其是建设低碳生态园区，应用EBS可同时兼顾供热供冷，减少单独供能的弱点。在夏热冬冷地区EBS的应用方法具有典型性。本文尝试利用EBS思想说明冷、热能量在多源、多用户之间的互联方法，并结合实际案例提出一种将EBS应用于区域能源规划的普遍方法。

1 系统组态

相对于单体建筑分别配备供能设备提供能源，或分布式能源站为多个建筑提供能源，EBS组态方式更像这二者的结合。不仅在用户的建筑内配置冷水机组或水-水热泵，且在各源处采用类似热泵的供能设备提供能量。该系统组态处于集中和分散供能二者之间。通过环状拓扑结构管网，系统总线在各类源与用户(建筑)之间实现冷、热能量的传送。EBS在夏季和冬季的基本组态如图1所示。

1.1源

EBS系统组态对冷、热源品质要求很低。在区域内，值得投资回收和利用的废热、未利用能源、可再生能源等都可用于区域内建筑供能，且区域内高、低品质能源可通过梯级利用达到最优用能效率。

本文提出的EBS，凡接入总线的源都需要满足：具有主动调节供热或供冷介质出口温度的能力；在源处配置热泵机组可有力保证EBS水力、热力平衡，在供冷/供热时，源可在设计容量内提供稳定温度的冷水/热水。如图1所示，夏季和冬季，水源、土壤源等资源都采用热泵机组输出相应设定温度的冷、热水。

1水源热泵；2地源热泵；3市政(用户)；4用户(购物)；5用户(旅馆)；6用户(学校)。图1 能源总线组态Fig.1 The EBS configuration

1.2网

EBS采用环状管网将区域内的源和用户连接起来。环状管网保证多源和多用户在供能和耗能随时变化时实现互通互融。本文将EBS主干网简化为冷线及热线。夏季供冷时，冷线为供水管线，热线为回水管线；冬季供热时，热线为供水管线，冷线为回水管线。

管网的拓扑结构可以是单环或多环。源和用户都采用并联方式通过各自的供回水管连接在冷线与热线之间。由于总线的管网需要在区域内兼顾供冷和供热，因此，对管网拓扑结构、管径大小和管道保温等规划都需要综合考虑。

如图1所示，在夏季，冷线的供水设计温度不需要很低(如18 ℃)，因此，管道向土壤的散热量较少，而热线回水(如44 ℃)向土壤散热也有利于提高系统能效；在冬季，热线的供水设计温度不高(如40 ℃)，也可减少管道向土壤的散热量。

1.3用户

利用EBS的用户需配备制冷或供热设备以供应本地冷、热需求。在夏季(如图1(a))，用户可配置冷水机组，利用冷线供水作为冷却水；也可配置水-水热泵(如用户5)，利用热线回水作为生活热水的热量来源，利用自身或周围建筑排热，提高能源利用率。在冬季(如图1(b))，用户可配置水-水热泵，利用热线供水作为热源为建筑采暖。

在用户处配备制冷或供热设备，可根据本地实际需求，随时调整供能负荷。该方式汲取了分布式能源贴近需求侧的供能思想，各类用户可按照本地建筑用能规律灵活配置机组，无需考虑利用的冷、热能具体来自总线上的哪个源。

1.4水力平衡

要通过EBS实现多源多汇之间的供能目标，必须保证总线水量按用户需求准确供给到总线上的所有用户端，因此，必须保证总线内的水力平衡。在传统的枝状管网中，常通过在各水力支路上安装调节阀来实现水力平衡。但在EBS多源环状管网中，处于水力交汇点的用户将获得来自多个源的供水，且交汇点位置随用户负荷不断变化，传统调节方式很难实现水力平衡。

本文采用分布式变频水泵(distributed variable speed pumps, DVSP)实现水力平衡，可适应EBS供能。DVSP是一种新型水力平衡方式[16-18]，通过在各用户处布置独立循环水泵，并在热源处布置均压管实现管网水力平衡。

图2所示为具有两个源的DVSP水力平衡系统。如图2(a)所示，在源1和源2的供、回水管之间安装了均压管；源的循环泵3和泵4提供的压头只能克服源内部阻力；各用户处的循环泵5～7根据用户负荷需求变频抽水；源2的循环泵入口处安装了补水泵8和补水箱9，以提供定压。图2(b)为相应的水压线图。显然，总线主干管网的供水压力都小于回水压力。“以泵代阀”这种新的水力平衡方式可节约大量水泵功耗。

1～2源；3～7循环泵；8补水泵；9补水箱；10～12用户；13～14均压管；15～18 阀门。图2 具有两个对称布置源的分布式变频水泵水力平衡系统Fig.2 Hydraulic balance DVSP system with 2 symmetric energy sources

1.5热力平衡

水力平衡是热力平衡的前提条件。最优的热力平衡不仅要求用户能够得到所需能源，还要求以最小代价得到。优化的热力平衡系统希望尽可能利用可再生能源、废热等资源。

为达到热力平衡的优化目标，需要各类型的源尽可能提供给总线相同品质的能量。因此，本文提出接入总线的源都需要提供相同温度的供水。在夏季工况，冷线的供水采用同一温度(如18 ℃)，处于水力交汇处的用户就不会产生“混水”温差问题，且稳定的冷线供水温度给用户处的冷水机组等设备提供稳定的冷却水温，有利于用户设备高效运行。同理，在冬季工况下也应采用稳定的热线供水温度。

冷线和热线的设计运行温度不仅对源和用户处的设备选型及运行性能影响很大，而且对管道与沿途环境的换热量也有决定性影响。其设计温度需要综合这两方面因素，根据季节、昼夜和地区等外界条件优化设定。

2 数学模型

EBS将源、用户通过冷、热两条总线联系起来。这种基于EBS进行区域能源规划的方式需要对源、用户和总线的水力、热力特性进行量化分析。本文将冷(热)源、用户(楼宇/建筑群)简化为具有水力和热力特性的集总模型，根据DVSP水力特性，建立以管网为主体的总线模型。在具体能源规划中，也可以根据某个源或用户的能源特性建立相应的数学模型，并集成到总线模型中。一般情况下，在能源规划阶段，只需为描述源或用户的水力和热力特性参数选择一定的技术经济取值范围，则可为设计阶段提供坚实的理论基础。

2.1源

水源热泵、地源热泵、热电厂和天然气能源站等，都可成为EBS的能量源。本文从总线角度，对源的水力和热力特性进行集总简化。采用DVSP方式进行水力平衡，系统中的源都开启均压管，并在其中一个源的循环泵入口处设置定压点。

2.1.1水力特性

对所有开启均压管的源，其水力特性为：

(1)

对布置定压点的源，其水力特性为：

(2)

式中：pst为定压点的静压值，Pa。

(3)

式中：r0,s、r1,s和r2,s为拟合系数。

源s处循环水泵的功率WPump,s：

(4)

式中：ρ为水的密度，kg/m3；ηPump,s为水泵总效率。

2.1.2热力特性

在本文中，源都具有调节供水温度的能力。因此，在夏季和冬季，源的供水温度设定值分别是冷线和热线的设计水温，其热力特性可简化为：

(5)

在夏季，热线回水流入源，冷却后供水进入冷线；在冬季，冷线回水流入源，加热后供水进入热线。设源s提供的热(冷)量为Hs，W，则有：

(6)

2.2用户

用户可根据本地负荷变化随时调节本地制冷和供热设备的运行工况。通过采用DVSP水力平衡方式，用户可根据本地设备工况调节水泵的循环流量。对各类用户的水力和热力特性，本文从总线的角度进行集总简化。

2.2.1水力特性

用户m的水力特性为：

(7)

(8)

式中：r0,m、r1,m和r2,m为拟合系数。

用户m循环水泵的功率WPump,m：

(9)

式中：ρ为水的密度，kg/m3；ηPump,m为水泵总效率。

2.2.2热力特性

在EBS中，用户都从冷线或热线获得供水。在夏季，用户的制冷设备从冷线获得冷量，然后回水排入热线。在冬季，用户的制热设备从热线获得热量，然后回水排入冷线。不论夏、冬季，用户的生活热水生产设备总是从热线获得热量，然后回水排入冷线。因此，用户的热力特性为：

(10)

(11)

2.3总线

2.3.1水力模型

总线的水力模型可采用管网输配模型[19-21]。在多源环状管网建模方法中，传统平面网络分析方法应用广泛，相关算法成熟，建模方法能够满足平面网络稳态分析的基本需求。

首先生成空间管网树，其基本关联矩阵A为：

A=(aij)(N-1)×Kaij=

基本回路矩阵B为：

B=(bij)(K-N+1)×Kbij=

其中，网络节点数为N；管段数量为K。

设空间管网的基本回路数为F，若满足式(12)，

F=K-N+1

(12)

则有：

ABT=0

(13)

基于基尔霍夫定律建模，由节点连续性方程和环路能量方程有：

AGk=Qk

(14)

B(Δpk-Hk)=0

(15)

管段的阻力方程采用Hazen-Williams公式：

(16)

式中：Gk为管段流量列向量；Qk为节点入流列向量；Δpk为管段阻力损失列向量；Hk为水泵扬程列向量；下标k为管段编号；C为实验得到的系数，与管内壁粗糙度有关；D为管段内径，m。

建立求解方程组后，可采用Hardy Cross或Newton-Raphson等管网平差方法，求解方程组，可一次求得某种稳态工况下所有管段流量Gk和阻力损失Δpk。

2.3.2热力模型

总线的热力模型需考虑管道与外部环境热交换过程及在三通等连接点的合流或分流过程[22-24]。

沿管道的水流稳态能量方程为：

(17)

在连接点水流汇合时，认为水流在汇合点处充分混合，混合后水流的比焓值为各管道水流以质量流量作加权的平均值；在连接点水流分流时，分流后的各管道中水流的比焓值为分流前管道中水流的比焓值。合流和分流的管道流动状态如图3所示。

l、m、n管道；T三通图3 连接点流动状态图Fig.3 The flow diagram at pipe junctions

图3(a)的能量平衡方程为：

(18)

图3(b)的能量平衡方程为:

hn=hl=hm

(19)

2.3.3系统综合性能系数

EBS通过冷、热线管网将源提供的能源输送到用户处。在这一过程中，总线系统的循环水泵及源和用户处的制冷、供热设备都需要消耗电能。在系统稳态运行的某个时刻，EBS的系统综合性能系数COPEB定义为：

(20)

式中：∑Hm为所有用户获得的能量总和，W；∑WPump为所有水泵的能耗，W；∑Wc为所有源和用户处制冷、供热设备的能耗，W。

3 案例分析

图4 官塘新城区域平面图Fig.4 Regional plan in Guantang New City

以镇江市官塘新城为例，说明在夏热冬冷地区基于EBS进行能源规划的一般方法。该区域面积约13.92平方公里，拟建设为中国生态、低碳示范园区，平面规划如图4所示。首期建设区域位于图中黑色虚线内。此区域内具有展览馆、五星级酒店、三甲医院、中学、购物中心、软件产业园、别墅、生态小镇等多种类型的建筑，在此区域内进行夏季供冷和冬季供暖的整体能源规划。

3.1冷、热及生活热水负荷

根据前期现场勘查，本区域可利用土壤源、地表水源及附近一座燃气发电厂的蒸气余热作为3个主要冷、热源。对区域内首期开发的用户，选取夏、冬季的某个典型设计工况日下的冷、热负荷进行示范计算。区域内各用户负荷预测值如表1所示，整个区域内的总冷负荷、总热负荷及总生活热水负荷分别为116 449 kW、64 133 kW及11 814 kW。

表1 用户冷、热及生活热水负荷预测值Tab.1 Predicted cooling load, heat load and domestichot water load for each customer

注：C1文创小镇；C2公交停保场；C3住宅小区；C4低碳展示中心；C5四个展览馆；C6花间堂酒店；C7台江软件园；C8官塘医院；C9官塘中学；C10南山里别墅区；C11养老产业园1号；C12养老产业园2号；C13奥特莱斯购物区。

表1中，冷负荷是指夏季的制冷负荷，热负荷是指冬季的供热负荷，生活热水负荷是指夏、冬两季共有的负荷。

3.2EBS规划

根据源及用户建筑的地理位置分布，初步确定EBS拓扑结构如图5所示。总线的主干管网沿市政道路敷设，形成环状结构。S1为蒸气余热产冷、热水溴化锂机组；S2为地表水源热泵机组；S3为地源热泵机组。

附近用户建筑物通过支线管连接到主干管上，可基本确定每段管道的长度。一般将供、回水管网结构对称布置。根据工程经验，初步取一组管径和管内壁面粗糙度作为管网设计初始值,再分别对夏季、冬季工况下EBS水力和热力状况进行初步设计。

图5 总线系统拓扑结构Fig.5 The EBS in Guantang New City

根据近5年镇江市夏季和冬季的平均气温及浅层土壤温度记录，初步规划总线系统时采用表2的数据进行计算。

表2 能源总线规划参数Tab.2 EBS planning parameters

当初步确定冷线和热线的设计温度后，根据式(11)确定各用户在预测负荷下的循环水量。再通过总线模型计算每个源的供水量。

在本案例中，夏季工况下，在用户处分别采用冷水机组满足冷负荷，水-水热泵满足生活热水负荷。由于用户冷水机组出口处的回水温度较高(44 ℃)，可抽取一部分作为水-水热泵机组的水源用于生产生活热水。这种方式充分利用建筑废热，大幅节约能源。用户处的水力布置如图6所示。

图6 夏季工况用户水力布置Fig.6 The hydraulic layout for customers in summer

图7 冬季工况用户水力布置Fig.7 The hydraulic layout for customers in winter

冬季工况下，在用户处分别采用水-水热泵满足空间制热及生活热水负荷。热线供水分别进入两个设备，经过设备换热后，回水返回冷线。用户处的水力布置如图7所示。

3.3结果分析

3.3.1夏季工况

设用户处冷水的供/回水温度为7 ℃/12 ℃；生活热水的供/回水温度为55 ℃/25 ℃。源S1处冷水机组的进口蒸气为0.8 MPa，185 ℃；源S2处地表水的平均水温为19～23 ℃；源S3处埋地管的平均水温为14～18 ℃。

由上述数学模型完成水力、热力计算，可得夏季工况所有用户处的循环水泵功耗、制冷功耗及生活热水功耗，见表3；各源处的循环水泵功耗，制冷设备功耗和制冷量占总制冷量百分比，见表4。

整个系统所消耗的总功耗为33 313.0 kW，总得能量为128 263.0 kW。相比之下，管网散热量为497.5 kW，在总得能量中占比仅为0.39%。在夏季，由于水-水热泵采用本地制冷机组的回水(44 ℃)制备生活热水，提高了系统综合性能系数，由式(20)可计算得COPEB为3.85。

3.3.2冬季工况

设用户处供热热水的供/回水温度为60 ℃/40 ℃，生活热水的供/回水温度为60 ℃/5 ℃。源S1处供热机组的进口余热蒸气为0.8 MPa，195 ℃；源S2处地表水的平均水温为0～10 ℃；源S3处埋地管内的平均水温为10～14 ℃。

表3 夏季工况下各用户处的设备功耗Tab.3 The energy consumptionof each userin summer scenario

表4 夏季工况下各源处的设备功耗Tab.4 The energy consumptionof each sourcein summer scenario

由上述水力和热力计算，可得冬季工况所有用户处的循环水泵功耗、供热功耗和生活热水功耗，见表5；各源的循环水泵功耗、供热功耗及供热量占总供热量比例，见表6。

整个系统所消耗的总功耗为23 978.9kW，总得能量为75 947 kW。相比之下，管网散热量为558.2 kW，在总得能量中占比仅为0.73%。本例中，在源和用户处选取的制热设备联合制热COP约为3.5，由于管道散热和循环水泵功耗的影响，系统综合COPEB为3.17。

表5 冬季工况下各用户处的设备功耗Tab.5 The energy consumption of each user inwinter scenario

表6 冬季工况下各源处的设备功耗Tab.6 The energy consumption of each sourcein winter scenario

3.3.3讨论

通过EBS方式，系统获取能量的过程分两步。第一步，在源处的设备从冷/热源获得冷/热量后送入总线；第二步，用户处的设备从总线获得冷/热量后送给用户。采用这种方式的优势是：区域内各类品质不同的能源都可纳入到总线中利用，且用户还可根据自身的需求灵活调整设备运行。基于EBS组态方式，系统利用本地燃气发电厂的蒸气余热、地表水源和土壤源即可满足区域供热供冷的需求。

EBS系统性能较佳。在本例中，尽管选择设备性能参数COP时偏保守，系统的综合COPEB仍保持在3.0以上。特别是夏季，在生产生活热水时回收了本地制冷回水，提高了能源利用率。

本文采用DVSP水力运行方案，以泵代阀，大量节约水泵功耗。取所有循环水泵的效率ηPump=0.65。夏季工况时，水泵功耗相对总负荷占比约0.15%，对设备总功耗的比例为0.56%；冬季对总负荷的比例约0.20%，对设备总功耗的占比为0.65%。说明水泵功耗与循环水所传递的能量相比非常小。

在夏热冬冷地区，夏季需要供冷，冬季需要供热的情况对利用地源热泵很有利，可缓解土壤温度逐年偏离设计温度的趋势。当夏季冷负荷总需求量仍然大于冬季热负荷量时，可在夏季减少地源热泵的供冷量比例、冬季增加地源热泵的供热量比例。在案例中，地源热泵在夏季的总供能占比为44.6%，在冬季为47.4%。

本文旨在说明EBS能源规划的普遍方法，在案例中仅对某个用户负荷下典型工况进行静态计算，在进行具体项目规划时还可以考虑用户负荷逐时变化的场景。当区域内商用、公用和住宅等建筑负荷复杂多变时，总线模型具有水力和热力解耦特性，源可平稳运行而不受负荷突变影响。

4 结论

面向未来的区域能源规划需要采用更加节能、低碳且经济性良好的能源组态方式。EBS作为一种可实现在区域范围冷、热能量互通互融的新系统，适用于夏热冬冷地区。本文以具体能源规划项目为案例，提出将EBS应用于区域能源规划的普遍方法。该方法通过利用分布式变频水泵的水力热力解耦特性，将多源和多用户连接成能源网，主要结论如下：

1)本方法的必要条件为：凡接入总线的源都必须具有主动调节供热或供冷媒介出口温度的能力。在供冷和供热时，源可在设计容量内分别提供稳定温度的冷水和热水。

2)EBS采用环状管网将区域内的源和用户连接起来。能源总线的主干网可简化为两条线：冷线和热线。环状管网保证了多源供能和多用户用能随时变化时可互通互融。

3)夏季工况时，用户配置制冷机组从冷线获得供水；也可配置水-水热泵，利用热线回水制取生活热水。这种方式充分利用建筑排热，提高了系统的综合性能系数。

4)采用分布式变频水泵及分布式热泵，EBS实现水力及热力控制解耦。源的控制策略是提供设定温度的供水；用户的控制策略是根据负荷变化调节机组功率，进而调节供水流量。

5)提出区域能源规划的普遍方法，适用于夏热冬冷地区，可采用蒸气余热、地表水源和土壤源作为能量来源，为用户提供夏季供冷、冬季供热及生活热水。实例分析表明：在夏、冬季的系统综合COP分别可达3.85及3.17，具有良好的低品位能源利用率。

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Aboutthecorrespondingauthor

Wang Hai, male, Ph.D., School of Mechanical Engineering, Tongji University, +86 15001768842, E-mail：wanghai@tongji.edu.cn. Research fields:district cooling and heating, process control, low-grade energy utilization.

District-energyPlanningMethodbasedonEnergyBusSysteminHotSummerandColdWinterAreas

Meng Hua1Wang Hai1Long Weiding2

(1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2.College of Engineering in Germany, Tongji University, Shanghai, 200092, China)

A general district-energy planning method that is suitable for hot summer and cold winter areas is proposed in this paper based on an energy bus system (EBS). In the proposed method, multiple thermal or cooling sources and users (buildings) are connected together using warm and cool lines with distributed variable speed pumps (DVSPs). In the new EBS configuration, thermal devices are used to control the water supply temperature in the side of all sources, chillers and heat pumps installed in all users (buildings) are used to provide space cooling, heating, and domestic hot water. Because of the simultaneously decoupled thermal features of the presented EBS configuration, both energy sources and users are capable of adjusting their thermal devices flexibly according to their own local loads. To demonstrate the new district energy planning method, a hydraulic and thermal model is developed, and a case study is illustrated in detail. The results show that combined with the ground source heat pump, water source heat pump, and steam-driven LiBr units, the given method has good efficiency in utilizing low-grade energy resources, with an integrated COP of 3.85 in the summer and 3.17 in the winter.

energy planning; district heating/cooling; energy bus; distributed heat pump; distributed variable speed pump

0253- 4339(2017) 04- 0050- 10

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.050

国家重点基础研究发展计划(973计划，2014CB249201)资助项目。(The project was supported by the National Basic Research Program of China (973 Program, No. 2014CB249201).)

2016年10月19日

TK018; TU831.6; TQ051.5

： A

王海，男，博士，同济大学机械与能源工程学院，15001768842，E-mail：wanghai@tongji.edu.cn。研究方向：区域供冷供热、过程控制、低品位能源利用。