天津大學建筑學院 劉魁星
遼寧工程技術大學土木工程學院 張家熔
上海同濟城市規劃設計研究院 王培培
同濟大學 龍惟定
【摘 要】能源總線系統是集成化規?;瘧脜^域內的可再生能源及未利用能源等低品位能源的多源多用戶能源系統。采用系統仿真模擬的方法,針對能源總線系統的運行控制策略進行詳細分析,以多源系統控制策略為例,詳細介紹了地源和冷卻塔串聯型式及并聯型式的能源總線系統控制策略的研究,并結合具體案例進行詳細分析,提出了8種不同的控制策略。得到多源系統在不同控制策略下的運行規律,為能源總線系統的控制策略確定提供了理論支撐。
【關鍵詞】能源總線系統;系統仿真;多源系統;控制策略;運行規律
0 引言
能源總線系統(Energy Bus System),是一種集成應用區域內的可再生能源及未利用能源的區域冷熱能源系統,通過集中的區域管網,將冷卻水或者熱媒水輸送到用戶末端的制冷或熱泵機組[1],如圖1。能源總線系統以熱泵機組作為區域供冷供熱的主要設備,其中既包括以淺層地熱能為低位熱源的土壤源熱泵,也包括以地下水和地表水為低位熱源的地下水源熱泵和地表水源熱泵。通過作為能量提升裝置的熱泵,冬季將大地中的低位熱能提高品位對建筑供暖,同時蓄冷量于地下以備夏季使用;夏季將建筑內的熱量轉移到地下,對建筑進行供冷,同時蓄存熱量以備冬季使用[2] [3] [4]。
圖1 能源總線系統示意圖
Yavuzturk和Spitler [5]針對一棟小型辦公建筑,采用短時間步長溫度響應因子(g-function)埋地盤管模型,以 TRNSYS 為模擬平臺,用系統模擬的方法給出了冷卻塔—土壤源熱泵系統(串聯式)的三種運行控制策略,并比較了各種控制策略的優缺點。Sankaranarayanan. K. P. [6]在 EnergyPlus 軟件中進行了混合系統建模,并通過 Yavuzturk的數據進行了模型的驗證。Xiaowei X. [7]通過模擬手段尋求混合系統最優控制策略。謝鵬,徐菱虹,胡平放[8]以一棟辦公樓為實例,建立以溫差為參數的控制策略,在此基礎上從幾方面對系統優化做了分析和探討。 Enyu W和Alan S [9]土壤源與太陽能聯合運行系統,在Trnsys上建模分析系統性能和控制方式。Gang W和Wang J [10]使用神經網絡技術建立模型,預測混合系統出水溫度,從而指導混合系統控制策略。目前多是針對單源系統控制策略的研究,對于多源系統的控制策略研究相對較小。本文將多源系統與能源總線系統相結合,采用系統仿真的方法,主要研究多源能源總線系統的控制策略,為能源總線系統的控制策略提供了理論支撐。
1 能源總線單源系統控制策略研究
1.1 單點源型式
單點源型式的能源總線系統控制策略主要體現在水泵的控制上,即根據末端負荷的變化調節循環泵,使總線適應負荷變化,此時主循環泵建議采用變頻泵,根據供回水干管壓差進行水泵轉速的調節。此種型式的系統總線循環采用變流量運行,末端用戶機組定流量運行。
1.2 多點源型式
多點源型式的能源總線系統控制主要體現在部分負荷的分配上。比如有多處地源埋管系統,同時功能,且不同地源埋管所承擔的容量不同。研究表明[11]在多處地源換熱器始終同時運行,且流量比例與各自承擔的容量比例相同時,源側總出水溫度(冬季工況)在不同的工況下都是最高的,這樣在設定相同機組進水溫度的前提下,機組總出力是最大的,能效COP也是最高的。按照此方式運行,地源的熱量得到了分散而充分的利用,如果部分負荷時,只利用了一處或兩處地源,則使得空閑出來的地源沒有得到充分利用。在能源總線系統設計中,所有地源同時滿負荷運行時是設計工況,寶貴的地源是不會設計備用模式的,末端用戶對于源側溫度的敏感和依賴度大于流量的變化,因此在能源總線系統中充分利用所有地源的熱量是較好的運行策略。
2 能源總線多源系統控制策略研究
不同種類熱源型式的能源總線系統控制主要體現在不同類型的熱源投入運行方式和不同工況下的優化調度??傮w上要遵循兩個原則,第一充分考慮熱累計對于環境的影響,即對于如地源埋管類的熱源考慮全年吸放熱量的平衡;第二充分利用自然條件,如有冷卻塔的配置充分利用室外溫度。無論多種熱源型式之間的連接方式是串聯還是并聯,對于每種熱源而言,通常都有以下幾種控制策略,見表1,多源能源總線系統的控制策略就是幾種熱源控制方式的組合。
表1 能源總線系統的熱源控制策略
2.1 地源+冷卻塔串聯型式的能源總線系統控制策略研究
地源+冷卻塔串聯型式的能源總線系統設計用仿真模型如圖2。地源+冷卻塔型式的能源總線系統控制策略通常有以下幾種,見表2。具體策略執行方式見下面說明。
表2 地源埋管+冷卻塔型式能源總線系統的控制策略
控制策略1:地源埋管換熱器與冷卻塔始終運行,總線按照末端需要流量進行變化。串聯系統中,地源埋管換熱器與冷卻塔流量始終保持最大可能;并聯系統中,地源埋管換熱器與冷卻塔始終按照設計工況流量比例運行。
控制策略2:地源埋管換熱器始終運行,總線按照末端需要流量進行變化,冷卻塔運行狀態按照設定的負荷率Q%確定。當系統負荷率Q%超過設定值時,冷卻塔啟動。串聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照可能的最大流量運行;并聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照與地源埋管換熱器設計工況流量比例運行。
控制策略 3:地源埋管換熱器始終運行,總線按照末端需要流量進行變化,冷卻塔運行狀態按照總線進入末端用戶設定水溫Ts-in確定。當水溫超過設定高值Ts-in-high時,冷卻塔啟動。串聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照可能的最大流量運行;并聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照與地源埋管換熱器設計工況流量比例運行。冷卻塔啟動后,當水溫降低至設定低值Ts-in-low時,關閉冷卻塔。
控制策略 4:地源埋管換熱器始終運行,總線按照末端需要流量進行變化,冷卻塔運行狀態按照進入末端用戶水溫Ts-in與室外空氣濕球溫度Twb差值△T確定。設定水溫Ts-in與室外空氣濕球溫度Twb差值大于△T時,冷卻塔啟動。串聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照可能的最大流量運行;并聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照與地源埋管換熱器設計工況流量比例運行。冷卻塔啟動后,當水溫Ts-in與室外空氣濕球溫度Twb差值降低至△Tl時,關閉冷卻塔。
控制策略 5:地源埋管換熱器始終運行,總線按照末端需要流量進行變化,冷卻塔運行狀態按照土壤平均溫度Tground確定。設定土壤平均溫度Tground較初始值Tground-0升高△Th時,冷卻塔啟動。串聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照可能的最大流量運行;并聯系統中,冷卻塔一旦啟動,就按照與地源埋管換熱器設計工況流量比例運行。冷卻塔啟動后,當土壤平均Tground恢復至初始值Tground-0加△Tl時,關閉冷卻塔。
控制策略 6:冷卻塔始終運行,總線按照末端需要流量進行變化,地源運行狀態按照設定的負荷率Q%確定。當系統負荷率Q%超過設定值時,地源啟動。
控制策略 7:冷卻塔始終運行,總線按照末端需要流量進行變化,地源運行狀態按照總線進入末端用戶設定水溫Ts-in確定。當水溫超過設定高值Ts-in-high時,地源啟動。地源啟動后,當水溫降低至設定低值Ts-in-low時,關閉地源換熱器。
控制策略 8:設定地源埋管換熱器和冷卻塔各自的運行時間,并在規定的時間域內啟動。
以上控制策略 2、3、4、5 的目的在于通過一種方式控制冷卻塔的啟停。當系統處于部分負荷時,若冷卻塔啟動,總線水進入用戶溫度降低,末端機組功率降低,但是由于冷卻塔的啟動會帶來風機和循環水泵的功耗增加,因此,此時的最優控制實質是兩者之間的平衡最佳點,即功率之和最小。每一種控制策略的設定值不同,同樣會影響冷卻塔的開啟時間,也會帶來功率的不同。例如,控制策略 2,設定負荷率Q%高,冷卻塔開啟時間短,風機和循環泵功率降低,但是總線系統出水溫度升高,機組功率增加。在這幾種控制策略下,地源部分是一直處于運行狀態的,地源累計換熱量ΣQground-max是最大的。
控制策略 6、7 的目的在于控制地源的使用時間。同樣,地源啟動會降低總線水出水溫度從而減少末端機組功率,但是也會造成循環泵功率增加。在這幾種控制策略下,冷卻塔是一直處于運行狀態的,地源部分累計換熱量ΣQground-min是最小的。
相比之下,對于串聯系統而言,控制策略 1 是風機和循環泵功率最大的控制方式,同時總線逐時的出水溫度也是最低的,末端機組的功率是最小的。而控制策略 8不同的時間安排導致不同的地源累計換熱量,這兩種控制策略下,地源部分累計換熱量在ΣQground-max和ΣQground-min之間。
現假定區域設計冷負荷為1596 kW,TMW840機組運行7臺制冷量237×7kW[11]。選擇上海地區7、8月的氣象參數進行系統運行分析,運行時間為每天9:00-22:00,末端冷負荷按照圖 3進行的模型模擬,總線設變頻循環泵,設定熱源距離末端用戶距離為500m,管段的設計比摩阻按照150Pa/m計算。分析不同運行策略對于系統參數的影響。
圖2 地源+冷卻塔串聯型式的能源總線系統設計用仿真模型
圖3 地源+冷卻塔能源總線系統控制策略研究用日負荷模型
分別選擇控制策略1、2、7進行模擬分析。模擬結果表明,采用運行策略1進行系統控制,在模擬時間段內系統總COPsys為4.1。采用運行策略7時,若設定總線進入末端用戶水溫超過Ts-in-high=30℃時,地源啟動;地源啟動后,當水溫降低至設定低值Ts-in-low=25℃時,關閉地源換熱器。在模擬時間段內系統總COPsys為4.0。
串聯系統采用運行策略2,設定不同的控制負荷率Q%會得到不同的運行結果,見圖4、圖5、圖6??梢钥闯鲭S著控制負荷率Q%的增大,累計輸送功率變小,但是累計機組功率變大。這是由于控制負荷率Q%的增大導致冷卻塔運行時間縮短末端機組進水溫度升高造成的。尋找最優化控制負荷點,即尋找兩者之和最小的點。圖4是串聯系統控制策略2下不同控制負荷率情況下累計末端機組功率、累計輸送功率以及總功率的對比圖,可見采用運行策略2設定控制負荷率為40~50%時,系統累計總功率最小,即最節能。
圖4 串聯系統控制策略2不同開啟負荷率時系統功率對比
圖5可以看出,隨著控制負荷率Q%的增大,冷卻塔運行時間減少,因此冷卻塔累計換熱量減小。
圖5 串聯系統控制策略2不同開啟負荷率時系統換熱量對比
圖6所示為控制策略2下采用不同控制負荷率Q%時的串聯系統COPsys對比圖。上面的分析可以看到,不同策略下能源總線系統的各個熱源運行時間是不同的。面對諸如地源埋管換熱器這種形式的熱源,在設定控制策略的時候不止要考慮系統運行能耗,也要注意整個運行周期(至少一年)內系統對環境的吸放熱影響,要充分考慮系統吸放熱量的平衡。
圖6 串聯系統控制策略2不同開啟負荷率時系統COPsys對比
2.2 地源+冷卻塔并聯型式的能源總線系統控制策略研究
地源+冷卻塔并聯型式的能源總線系統設計用仿真模型如圖7。根據表1中地源+冷卻塔型式的能源總線系統控制策略,分析不同控制策略對并聯型式的能源總線系統影響。與串聯系統一樣,分別選擇控制策略1、2、7進行模擬分析。模擬結果表明,采用運行策略1進行系統控制,在模擬時間段內系統總COPsys為4.1。采用運行策略7時,若設定總線進入末端用戶水溫超過Ts-in-high=30℃時,地源啟動;地源啟動后,當水溫降低至設定低值Ts-in-low=25℃時,關閉地源換熱器。在模擬時間段內系統總COPsys為4.1。
并聯系統采用運行策略 2,設定不同的控制負荷率Q%會得到不同的運行結果,見圖8、圖9、圖10??梢钥闯鲭S著控制負荷率Q%的增大,累計輸送功率變小,但是累計機組功率變大。這是由于控制負荷率Q%的增大導致冷卻塔運行時間縮短末端機組進水溫度升高造成的。尋找最優化控制負荷點,即尋找兩者之和最小的點。圖 8是并聯系統控制策略 2 下不同控制負荷率情況下累計末端機組功率、累計輸送功率以及總功率的對比圖,可見采用運行策略2設定控制負荷率為40~50%時,系統累計總功率最小,即最節能。
圖7 地源+冷卻塔并聯型式的能源總線系統設計用仿真模型
圖8并聯系統控制策略2不同開啟負荷率時系統功率對比
圖9可以看出,隨著控制負荷率Q%的增大,冷卻塔運行時間減少,因此冷卻塔累計換熱量減小。
圖9 并聯系統控制策略2不同開啟負荷率時系統換熱量對比
圖10所示為控制策略2下采用不同控制負荷率Q%時的并聯系統COPsys對比圖。
圖10 并聯系統控制策略2不同開啟負荷率時系統COPsys對比
以上分析可以知道,優化的控制策略可以提高系統的能效比,減少系統運行功率。無論是串聯系統還是并聯系統,都必須通過詳細的仿真分析,找到最優化的控制策略。
3 結語
能源總線系統是多源多用戶系統,選用了低品位能源與可再生能源,由于這些能源本身的特性決定了能源總線系統設計的特殊性。針對能源總線系統的運行控制策略進行分析,采用系統仿真的方法,分單源能源總線系統和多源型式的能源總線系統分別進行研究,著重分析多源能源總線系統控制策略研究。得到不同型式的系統在不同控制策略下的運行規律,為能源總線系統的控制策略確定提供了理論支撐。
參考文獻
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備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。