多能互补协同蓄能建筑供能系统性能研究与评价
北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室 王宇波，全贞花，靖赫然，王林成，赵耀华
【摘 要】研发了一种可再生能源多能互补协同蓄能建筑供能系统，该系统将空气源热泵、水源热泵、太阳能热电联组件以及蓄能技术（蓄冷、蓄热）有效结合，通过夜间蓄能白天供能，实现“移峰填谷”以及可再生能源的高效利用与节能经济运行。系统测试结果表明，夏季典型日工况时在夜间蓄能模式下机组平均COP为3.2，白天水箱的蓄冷量可以满足用户在峰电时段的需求。冬季典型日工况时夜间为空气源热泵耦合水源热泵制热蓄能模式，系统平均COP为2.3且能将蓄能水箱提升至57.5℃，白天蓄能水箱的蓄热量可满足建筑全天的供热需求。通过对系统性能评价可知，该系统冬夏季运行均能达到设计要求，性能较好，且各评价指标均满足《蓄能空调工程测试与评价技术规程》推荐限值。系统冬夏季的系统综合效率分别为2和2.45、单位蓄能消耗费用分别为0.16和0.14元/kWh，表明该系统设计合理且运行高效，是值得推广应用的可再生能源高效利用技术。
【关键词】可再生能源多能互补 蓄能 系统评价 热泵 太阳能热电联产
【基金项目】国家自然科学基金项目（NO.51778010）
0 引言
随着建筑技术的迅速发展，我国建筑能耗已经攀升到社会总能耗的1/3[1]，随着人民生活水平的提高，预计将在2030年上升到40%[2]，其中作为“能耗大户”的暖通空调设备能耗约占建筑能耗的50%[3]，因此探究节能环保的供能技术具有重要的意义。在21世纪，中国经济发展的步伐逐渐加快，经济发展导致社会能源消费持续增加、城市化的持续进步、住宅建筑的持续增长，清洁能源的使用已成为冬季供暖和环境保护的主要手段[4]。近年来，北方清洁取暖各项工作在国家政策引导下有序推进，但随着“煤改电”工程的逐步深入，相关的技术问题也显现出来[5]。例如传统单一技术产品的局限性极大：太阳能无法连续；空气源热泵不适合低温或者多湿地区[6]；地源热泵在寒冷地区的地下热不平衡问题严重[7]；采暖末端温度要求与热源温度不匹配（如热泵与散热器的匹配问题）等等。为了提升可再生能源消纳能力，提高能源利用效率，多种能源综合互补利用的概念被广泛应用[8~12]。然而，传统的多能互补系统基本都是简单拼合，设备重复建设却又无法有机结合起来，既造成初期成本高昂，又造成运行成本高居不下，既不节能也不节钱[13]。并且“煤改电”推广面临的主要问题是能源供应存在短板，部分地区的配电电网薄弱，改造成本极高，无法承担高峰用电的负荷冲击[14]。随着电网压力越来越大，政府出台了分时电价政策，以鼓励用电用户减少高峰用电负荷。因此蓄能空调凭借削峰填谷、运行费用低等优势得到广泛的应用[15]。
本研究开发了一种可再生能源多能互补协同蓄能的建筑供能系统，可以实现可再生能源高效利用，通过夜间蓄能，实现“移峰填谷”。本文对其原理及主要功能进行介绍，并对系统实际运行数据进行分析研究和系统评价，为系统优化管理提供基础。
1 多能互补协同储能建筑供能系统
多能互补协同蓄能供能系统主要由空气源热泵、水源热泵、蓄能水箱、缓冲水箱、用户末端和太阳能光伏光热组件组成，如图1所示。夏季夜间利用空气源热泵同时为蓄能水箱和缓冲水箱蓄冷水，白天水箱供冷，不足部分由空气源热泵直供补充；冬季夜间若环境温度较高则单独运行空气源热泵为蓄能水箱蓄热；若环境温度较低则水源热泵耦合空气源热泵联合运行为蓄能水箱蓄热，空气源热泵加热缓冲水箱，水源热泵将缓冲水箱中的热量提升到蓄能水箱中。白天利用蓄能水箱的热量供暖。光伏光热组件全年发电，冬季可将热量收集到缓冲水箱中，作为水源热泵的低温热源，实现太阳能光伏废热的充分利用。
图1 多能互补协同蓄能供能系统示意图
表1 系统工作原理与运行模式
备注：1）高温水箱温度Tt；室外环境温度To；太阳辐照强度E；太阳能背板温度Tpv。
2）夏季11:30-16:00时段若水箱温度高于12℃优先空气源热泵供冷。
3）不满足运行条件之一则关闭循环。
将多能互补协同蓄能供能系统应用于山东某研究院，为办公楼、地下室和实验室等4500m2的建筑面积供能，如图2所示。该系统主要设备如下所述：两台空气源热泵机组，每台额定制热量135kW；一台水源热泵机组，额定制热量300kW；一个蓄能水箱，容量120t，采用完全温度分层的一体式梯级蓄能方式满足冬夏季蓄能需求；一个缓冲水箱，容量36t，主要功能是作为冬季空气源热泵与水源热泵串联运行的缓冲容纳作用，在水箱的不同高度设置高、中、低3个温度传感器，温度探点分别位于水箱的1/4、1/2和3/4处；太阳能光伏光热组件采用单晶硅光伏电池板，共280块，每块尺寸1650×992mm，峰值发电功率285W。系统设置16个电动调节阀，通过控制阀门启闭，实现冬夏季不同蓄能供能的运行模式，如表1所示。
为了更好地对本系统进行优化控制与管理，建立了智慧能源监控平台。该平台可进行数据采集、系统控制，并通过互联网实现用户全方位运行管理。本系统主要测量参数包括温度、流量、电功率和用电量，具体测量参数如下：水源热泵机组测量参数包括蒸发、冷凝侧进出水温度和流量，机组电功率等；空气源热泵机组测量参数包括进出水温度和流量，环境温度和机组电功率等；蓄能水箱测量参数有水箱内部不同高度的温度和进出水温度；太阳能光伏光热组件测量内容包括太阳能背板温度，进出口水温温度与流量，太阳能电池发电量；用户侧测量参数主要有风盘供回水温度和流量。
(a）系统设备机房 (b）屋顶太阳能光伏光热组件
图2 多能互补协同储能建筑供能系统照片
2 评价方法
随着蓄能空调在我国全面发展，蓄能空调工程项目的应用范围和规模也有较大的增长，构建合理的评价指标体系、研究有效的评价方法成为促进蓄能空调进一步发展的前提。许多研究[16]也提出了较为规范、统一的测试与评价方法，随着《蓄能空调工程测试与评价技术规程》的发布与实施，蓄能空调系统的评价体系也逐渐完善了起来。
蓄能空调系统的评价主要包括蓄能装置性能测试、冷热源设备性能测试和蓄能-释能周期的联合运行测试，主要评价指标和计算公式如下：
蓄能装置的蓄能效率ηs：
ηs=Qed/Qes (1)
式中，Qed为蓄能装置的释能量，kWh；Qes为蓄能装置的蓄能量，kWh。
蓄能装置的利用效率ηsl：
ηsl=Qes/Qes,0 (2)
式中，Qes,0为蓄能装置名义蓄能量，kWh。
蓄能空调的系统效率ηsys：
ηsys=Qses/Ql (3)
式中，Qsec为空调系统的累计供能量，kWh；Ql为冷热源的累计产热量，kWh。
蓄能空调系统的综合效率SCOPes：
(4)
(5)
式中，Nz为冷热源设备在测试期的输入功率，kW；Nl为负荷侧循环泵在测试期的输入功率，kW；Nes为机组蓄能泵在测试期的输入功率，kW；不等号右侧为标准限值要求，其中SR为测试蓄能率，%；COPes,0为设计蓄能工况下的机组性能系数；COPac,0为设计空调工况下的机组性能系数；β1为调整系数，采用风冷机组时取0.78。
一次能源综合性能系数SCOP-Ies：
(6)
式中，τ1为低谷电结束时间；τ2为低谷电开始时间；αd为白天的一次能耗折算系数，取2.651；αn为夜间的一次能耗折算系数，取2.386。
移峰电量Npes：
(7)
式中，Npes为移峰电量，kWh；Nz,es为用于蓄能的冷热源设备在测试期的输入功率，kW。
单位供能消耗费用Cec,u：
Cec,u=Cec/Qsec (8)
式中，Cec,u为单位供能消耗费用，元/kWh；Ces为测试蓄能-释能周期内的能耗费用，元。
单位蓄能消耗费用Cec,ued：
(9)
式中，Cec,ued为单位蓄能消耗费用，元/kWh；Cec,es为测试蓄能-释能周期内的蓄能所产生的能耗费用，元；Pv为当地谷段电价，元/kWh；不等式右侧为标准限值要求，其中Pav为当地平均电价，元/kWh；SCOP0为常规空调系统的冷热源性能系统基准值。
典型日工况是指在接近当地设计室外气象条件下, 蓄能空调系统正常蓄放能时,可通过实地测试对蓄能空调系统进行绩效评价、反映系统典型运行状态的工况。故本文选取与设计室外参数相近的一天作为典型日工况。
3 系统运行分析与评价
3.1 夏季系统分析
通过智慧能源在线监测平台对本系统运行数据进行监控记录，2019年7月24日夜间气温25~27℃，白天气温35~42℃，与设计室外气象条件相近，故选取这天为夏季典型日进行分析。从图3可以看这天出蓄能水箱经历了一个完整的蓄能-释能过程。夜间23:00-07:00谷电时段蓄冷工况正常运行，共蓄能8h，水箱最低蓄冷温度达到5.2℃。机组总制冷量1503 kWh，蓄能水箱实际蓄冷量1433 kWh。第二天07:00-11:30峰电时段蓄能水箱向用户供冷，系统在平电时段13:00时检测到水箱温度达到12℃，切换到空气源热泵直供末端的工况。16:00时平电时段结束，第二个峰电时段开始，系统使用蓄能水箱中剩余的冷量向用户供冷，最终水箱温度为14℃。白天空气源热泵累计供冷量660 kWh，水箱释冷量1370 kWh。
图3 机组制冷量与蓄能水箱温度 图4 机组COP与系统耗电量
图4展示了机组COP与系统耗电量的变化。可以看出空气源热泵蓄能时段受机组蒸发器侧进水温度的减小，机组制冷量明显下降，但COP较为稳定，平均COP为3.2。白天由于建筑负荷较大，蓄冷量不足以满足全天的需求，所以在平电时段13:00-15:00这三个小时使用空气源热泵直供末端。受室外温度变高的影响，空气源热泵的COP较夜间有所降低，保持在2.4左右。系统夜间总耗电量619 kWh；白天总耗电量375 kWh。
由上述分析可知，在夜间气温26℃左右时空气源热泵可将蓄能水箱由14℃降至5.2℃，同时维持COP在3.2左右。白天在室外温度达到35~42℃时空气源热泵COP仍可维持在2.4左右。经计算，夏季蓄能装置蓄能效率为0.942、蓄能装置利用效率为0.967、蓄能空调系统效率为0.917、蓄能空调系统综合效率为2.45、单位蓄能消耗费用为0.14 元/kWh，均满足《蓄能空调工程测试与评价技术规程》推荐限值要求，数据见表2。
3.2 冬季系统分析
2019年12月31日夜间气温-11~-7℃，白天气温-7~0℃，与设计室外气象条件相近，故选取这天为冬季典型日进行分析。根据天气条件，系统自动选择空气源热泵耦合水源热泵梯级制热工况运行，空气源热泵为低温过渡水箱制备20℃左右的低温热水，保证低温环境下空气源热泵机组较高的COP能效比；同时水源热泵利用过渡水箱低温热水作为蒸发器侧低温热源，为高温蓄热水箱制热。从图5可以看出，空气源热泵环路23:00开始启动，10 min后耦合水源热泵环路串联运行达到完全稳定的工作状态。蓄热工况持续8h，谷电结束时蓄能水箱达到最高储热温度达到57.5℃，机组总制热量2700 kWh，蓄能水箱实际蓄热量2622 kWh。第二天全天蓄能水箱供热，最终蓄能温度为36℃。
图6展示了耦合运行系统COP与系统耗电量的变化。可以看出随着蓄能水箱温度的增加，耦合运行系统COP和制热量都呈下降的趋势，平均COP为2.3。受机组功耗的增加，夜间系统耗电量呈上升的趋势。系统夜间总耗电量1360 kWh；白天总耗电量120 kWh。
图5 机组制热量与蓄能水箱温度 图6 耦合系统COP与系统耗电量
由上述分析可知，在夜间气温-9℃左右时空气源热泵耦合水源热泵运行可将蓄能水箱由37℃提升至57.5℃，同时系统COP维持在2.3左右。经计算，夏季蓄能装置蓄能效率为0.954、蓄能装置利用效率为0.936、蓄能空调系统效率为0.926、蓄能空调系统综合效率为2、单位蓄能消耗费用为0.16 元/kWh，均满足《蓄能空调工程测试与评价技术规程》推荐限值要求，数据见表2。
表2 多能互补协同蓄能供能系统评价指标
4 结论
可再生能源多能互补协同蓄能的建筑供能系统在满足用户需求的同时，充分利用可再生能源，协同蓄能技术“移峰填谷”，实现系统的高效经济运行。本文分别对冬夏季典型日工况进行了运行数据分析并进行了系统评价，主要结论如下：
（1）系统在夏季夜间环境温度25~27℃时，热泵机组蓄能平均COP为3.2。白天水箱蓄的冷量可以满足用户在峰电时段的需求，平电时段需用空气源热泵直供末端，环境温度35~42℃时热泵机组平均COP为2.4。
（2）系统在冬季夜间环境温度-11~-7℃时，以空气源热泵耦合水源热泵梯级制热工况运行，系统平均COP为2.3且可将蓄能水箱提甚至57.5℃。白天水箱可满足建筑全天的供热需求。
（3）通过对系统性能评价可知，冬、夏季系统运行均能达到设计要求，性能较好，且各评价指标均满足《蓄能空调工程测试与评价技术规程》推荐限值。系统冬夏季的系统综合效率分别为2和2.45、单位蓄能消耗费用分别为0.16和0.14元/kWh，表明该系统设计合理且运行高效，是值得推广应用的可再生能源高效利用技术。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。