多种区域供能系统节能与控制分析

2020-01-06肖文杰

山西建筑 2020年17期

文敏李炬肖文杰

(株洲中节能城市节能有限公司，湖南株洲 412007)

0 引言

区域供能系统的相关研究成果较多，部分发达国家在二十世纪二三十年代就已经对热泵技术开展了大量的研究，并且将该项技术应用于小型项目中，最初应用项目的装机负荷小，系统也较为简单，热泵技术得以迅速发展；而我国的相关研究比较晚，应用项目进展较慢。区域供能系统包含多种技术形式，比如水源热泵技术、污水源热泵技术、地源热泵技术、风冷热泵技术、燃气冷热电三联供技术等，由于部分区域供能技术在节能方面存在优势，其得到了大规模的应用，也从最初的小项目发展到装机负荷几十兆甚至上百兆的大型项目[1]。

鉴于部分区域供能技术在节能方面的优点，国内外研究人员对区域供能系统的节能及控制效果开展了大量的研究工作，也取得了很多研究成果。本文重点对区域供能系统中的污水源热泵、地源热泵、风冷热泵、冷热电三联供系统节能及控制方面的相关研究成果进行了综述分析，为后续研究的开展提供参考。

1 污水源热泵系统节能分析

火电厂、污水处理厂、钢铁厂等工业会产生大量的低温热能，且并未得到有效利用，这其中，污水中包含了大量的低品位热能，污水温度较为稳定，其吸收了大量的热量，因此，将其作为热泵的冷热源十分合适[2]。

高宇[2]在分析污水源热泵系统可行性的基础上，采取一次能源利用特性对比了污水源热泵系统与其他集中区域供能系统的节能性，并分析了每个系统的节能减排量，研究结果表明：污水源热泵系统节能效应突出，兼具节能、环保、经济性特点。李帅等[3]在分析混合式、大并联式以及一机一泵式污水源热泵系统的基础上，以压缩机热泵系统为例，构建了3种系统在不同运行策略下的能耗模型，并计算了能耗比，研究结果表明：变频运行策略下能耗降低比例高于其他运行模式。贾欣等[4]以大连某污水源热泵项目为研究对象，基于其运行数据，为了降低系统能耗，采用了更换换热器的方式，并对系统冷凝器侧和蒸发器侧进水温度以及流量对系统性能影响进行了分析，构建数学模型对变频运行模式作了分析，计算结果表明：整改后系统的累计能耗降低了约18.52%。

胡谦[5]分析了长沙市内污水处理厂的流量、水质特征、温度以及现状，阐述了污水源热泵系统的有关知识，预测了污水处理厂的节能价值、应用潜力及环保价值；并从对环境的影响、初投资、运行经济性、能效比及系统构成等5个方面出发比较了间接式污水源热泵和直接式污水源热泵的特性。王圣博等[6]以上海市医院污水源热泵项目为例，对其节能减排和经济性作了对比分析，研究结果表明：与普通空调系统相比较，该医院采取污水源热泵技术形式的经济性和节能减排效果十分显著，一次能源利用效率增加了16%，污染物减排效果明显，年度化成本节省28%。李帅等[7]为了探究影响污水源热泵系统输水能耗的因素，在构建数学模型的基础上，对系统不同连接形式下多种运行控制策略作了研究，研究结果表明：变频运行方式下系统能耗降低范围在3.98%～26.04%之间。

2 地源热泵系统节能分析

目前，建筑物供暖需求增长迅速，传统区域供能技术对环境造成了严重污染，政府相继出台政策支持新能源的发展。地埋管地源热泵技术是地热能的利用方式之一，在20世纪90年代在国内得以应用。

刘建华等[8]对冬季期间地源热泵运行工况进行了检测，基于实际运行数据，对系统能耗及耗能设备进行了分析，探究了多种节能方式对系统供暖性能的影响，为地源热泵系统的节能研究提供了参考。朱立东等[9]阐述了桩基埋管地源热泵的优缺点和形式，以某办公建筑为研究对象，通过模拟对比分析了桩基埋管地源热泵和普通垂直埋管地源热泵两种系统的能耗及土壤特性，研究结果表明：前者机组能耗少、土壤温度变化小，有一定节能效果。吕峻薪[10]采取TRNSYS软件构建了常规地源热泵系统和复合供能系统的模型，对系统在长期和短期运行工况下土壤温度特性进行了分析，并探究了多种运行工况下复合系统的COP、地埋管出水温度、土壤温度；并搭建试验平台，对比分析了两种系统的COP和经济性，试验表明：较之常规地源热泵系统，复合供能系统夏季平均COP高出0.04，冬季这一数值为0.37。

杨灵艳等[11]以寒冷地区多个项目为例，通过实测获得了地源热泵系统冬季的制热数据和夏季制冷数据，并分析了这些地源热泵项目存在的问题及应用效果，计算了这些项目的常规能源替代量数据，通过数据处理获得了项目规模与能源替代量数据间的拟合公式，为地源热泵系统的设计提供了参考。杨柳[12]以某地源热泵项目为例，分析了地埋管的设计、布置，并对其节能减排效果和经济性作了分析。朱宗伟[13]以兰州某办公楼项目地源热泵—太阳能复合供能系统为研究对象，采取TRNSYS软件对该系统地埋管土壤热量回补模式进行了模拟分析，分析结果表明：所采取的回补措施能够恢复土壤的热平衡，能够有效克服系统COP降低的问题，并对该复合系统节能效果进行了分析。刘超等[14]以绵阳某地源热泵项目为例，对系统能效作了实测，采集到了该系统的运行数据，并分析出了系统的能效比，实测结果表明：该系统在制冷工况下的COP值在5.3～6.1之间，在制热工况下COP值在4.1～5.1之间。

3 风冷热泵系统节能分析

风冷热泵技术作为一种区域供能技术，是以电能作为驱动，夏季以建筑物外的空气为冷源，通过管网将冷量输到建筑物内，而冬季以建筑物空气为热源，通过管网将热量输到建筑物内。

王建民[15]对北京地区风冷热泵项目的运行条件、运行数据进行了分析，得到了北京地区适用于风冷热泵技术的结果，但在冬季会出现机组运行不稳定、设备结霜等状况，基于这些问题，作者提出了两种优化方案，即：太阳能辅助风冷热泵技术和水源—风冷热泵技术，并提出了解决结霜问题的方案。田盼雨[16]对风冷热泵技术在昆明地区的可行性进行了研究，以某办公项目为例，测试了该项目地源热泵系统能耗设备的流量、输入功率、室内外温度、进出口温度等，计算分析了夏季和冬季系统的制(冷)热性能、制热量和制冷量；在昆明地区，风冷热泵系统平均能效比在3.7～4.1之间，结果表明该项技术节能效果十分显著。陈玲等[17]以风冷热泵系统为例，阐述了冷凝热回收系统及表冷器热回收系统采取三通调节阀、水泵、换热器及表冷器来实现运行的理论，并分析了系统的节能特性。

黄虎等[18]对某风冷热泵项目中1台71 kW的热水机组在冬季结霜情况下的运行数据进行了实测，获得了该主机的制热量、排气压力、吸气压力、霜层厚度等数据，并分析得到这些数据随时间的变化特性，对其节能特性进行了分析。张帅[19]以1台部分热回收风冷热泵(制冷量45 kW)为研究对象，对其作了理论和试验研究，分析了该台设备在制热工况(外界温度7 ℃、出水温度45 ℃)和制冷工况(外界温度35 ℃、出水温度12 ℃)下的运行特性，结果表明：与无回收系统相比较，制冷工况下，综合COP增加了0.3，在制热工况下，综合COP增加了0.17，有一定节能效果。

4 冷热电三联供系统节能分析

目前，全球节能减排形势十分严峻，在现今的能源市场，冷热电三联供技术形式由于其在节能减排方面的优势，能够在一定程度上缓解全球环境压力，国内政府也制定了很多政策支持这一技术的发展，相较于西方国家，该技术在国内的起步较晚，发展也落后于西方国家。

陈灿[20]以传统分供系统为对比对象，以典型冷热电三联供系统为例，分析了电跟随与热跟随两种运行工况下冷热电三联供系统的环保性、节能性和经济性，在优化分析5个典型气候区办公建筑群联供系统的基础上，探究了我国多个地区办公建筑群使用该项技术的特点；并以北京某办公项目为例，根据全年冷热电数据，对电跟随与热跟随两种工况下系统的设备进行选配，对比分析了系统的环境、能效及经济性指标。毕庆生等[21]根据“单耗分析”模型，构建了燃气冷热电三联供系统在多种运行工况下的多冷源、多热源成本单耗模型及燃料单耗模型，结合实际项目做了分析计算，计算结果为该系统的设计及节能研究提供了参考。

朱奋飞[22]在阐述燃气冷热电三联供相关设备选配思路的基础上，以石家庄某项目为例，基于以电定热和以热定电策略选配了发电设备，并分析了该项目的节能特性。高思静等[23]以小型燃气轮机系统为例，计算了电压缩式制冷系统与吸收式制冷系统的一次能耗数据，对多种工况下制冷系统的节能特性作了分析研究，结果表明：发电效率40%时，该系统节能效果略有降低，为0.6%，发电效率55%时，大部分设备节能性不达标。

5 区域供能系统控制策略分析

控制策略作为区域供能系统的重要组成部分之一，其作用至关重要，国内外学者对系统控制策略开展了大量的研究工作，成果也较多，目前，随着区域供能项目的不断涌现，该项研究的重要性更加突出。

李立等[24]针对水源热泵区域供能系统提出了基于模糊PID控制的控制策略，通过实测，采用该策略的系统稳态精度更高，动态响应性能更好，运行效果也更好，这为水源热泵系统控制策略的设计和优化提供了参考。李文涛[25]以陕西某地下水源热泵系统为例，对该项目的控制算法进行了分析，设计了基于BP神经网络的PID控制器、自适应模糊PID控制器和常规PID控制器，并对这些控制器进行了模拟分析，分析结果表明：BP神经网络 PID 和自适应模糊 PID在稳态性能和改善动态特性方面优势更大，可以用作地下水源热泵系统的控制方法。徐永军[26]在构建地源热泵及相关部件传热数学模型的基础上，探究了每个部件之间存在的耦合关系，并将模拟数据和实际数据进行了对比，从而验证了传热模型的准确性。

陈娟等[27]基于区域分布式能源系统的结构，构建了冷热电三联供多智能体复合系统的能源互联网架构模型，根据元胞自动机理论，研究了该系统的协同控制方案。洪阳[28]以风冷热泵系统为研究对象，构建了数学模型，根据回水温度最佳设定点的预测模型，提出了一种变回水温度优化控制策略，并对低、中、高负荷工况运行状况进行了实测，优化控制策略降低的能耗分别为10.1%，8.4%，3.3%。石可颂[29]对燃气冷热电三联供系统的主要储能、供能单元，构建了优化调度数学模型，根据系统单位的特点，分别设置了电热功率平衡、储能单元容量限制、发电容量限制等约束，采取遗传算法寻优求解，获得了五种工况下各个微源的最佳运行工况点，这种优化控制模型为相关研究的开展提供了参考。