談科研建筑能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要:通過對(duì)原有能源系統(tǒng)進(jìn)行分析，綜合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的清潔可再生能源利用技術(shù)，結(jié)合可利用的資源條件，如風(fēng)電、光電等“綠色電力”，淺層地?zé)崮堋⒖諝饽艿瓤稍偕茉礂l件，地源熱泵、空氣源熱泵、太陽(yáng)能、電鍋爐+相變儲(chǔ)能等技術(shù)，對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目能源供給綠色低碳，增加供電系統(tǒng)可靠性和安全性。同時(shí)以互聯(lián)網(wǎng)+為手段，以智能化為基礎(chǔ)，以構(gòu)建綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系為目的，設(shè)計(jì)了智慧能源管理系統(tǒng)，對(duì)建筑整體各項(xiàng)能耗、系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，有效的提高了能源使用率，降低使用能耗。

關(guān)鍵詞:儲(chǔ)能，綠色，可再生能源

1項(xiàng)目背景

項(xiàng)目主要包括科研中心、學(xué)術(shù)中心、主試驗(yàn)樓、控制樓、氣源間、備料間、各類輔助試驗(yàn)樓和專家公寓、食堂等，共計(jì)15個(gè)單體建筑。項(xiàng)目原設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)為燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵和多聯(lián)機(jī)。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)

本項(xiàng)目供熱(冷)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包含鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、低碳供熱(冷)能源系統(tǒng)和智慧供熱(冷)管理系統(tǒng)三個(gè)部分。

3鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

設(shè)置鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在供電上可以發(fā)揮應(yīng)急保障作用，增加供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)移峰填谷，平衡電網(wǎng)峰谷用電量，利用谷電，降低運(yùn)行費(fèi)用;同時(shí)在同一個(gè)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)電力能源“儲(chǔ)電”和“儲(chǔ)熱”同時(shí)應(yīng)用，增強(qiáng)了項(xiàng)目的示范引領(lǐng)作用，形成亮點(diǎn)。鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，外觀見圖1。具有運(yùn)行業(yè)績(jī)好、安全性高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行溫度范圍寬、使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)可擴(kuò)展，即插即用等優(yōu)點(diǎn)。單個(gè)模塊每小時(shí)蓄電量200kW，本項(xiàng)目設(shè)置1個(gè)模塊，總蓄電量1200kWh。

4低碳供熱(冷)能源系統(tǒng)

能源系統(tǒng)擬采用“地源熱泵+低溫空氣熱泵+太陽(yáng)能+電鍋爐、相變儲(chǔ)能”等多項(xiàng)先進(jìn)可再生能源利用技術(shù)，達(dá)到高質(zhì)量滿足本項(xiàng)目冷熱需求，同時(shí)發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。

4．1地源熱泵系統(tǒng)、低溫空氣源熱泵系統(tǒng)

熱泵技術(shù):是將自然界低溫?zé)崮?淺層土壤中的低溫地?zé)崮堋⒖諝饽?、江河湖水能?和人類生活生產(chǎn)中產(chǎn)生排放的余熱廢熱(城市污水熱、工業(yè)余廢熱等)，通過少量的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功，促進(jìn)工質(zhì)汽態(tài)—液態(tài)相變轉(zhuǎn)化，源源不斷地將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為可用于供暖供熱水的高溫?zé)崮?。電和熱轉(zhuǎn)化率(即系統(tǒng)能效)可以達(dá)到2．5以上，實(shí)現(xiàn)了可再生能源利用，熱能利用效率高，是21世紀(jì)人類重點(diǎn)推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一。根據(jù)其所利用的低溫?zé)嵩捶绞?，熱泵系統(tǒng)分為地源熱泵、空氣源熱泵、江河湖水源熱泵等多種方式。利用土壤淺層地?zé)崮艿臒岜孟到y(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)，利用低溫空氣熱能的熱泵系統(tǒng)稱為空氣源熱泵系統(tǒng)。在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季室外溫度低于－20℃的時(shí)間較長(zhǎng)，且極端天氣情況下，室外溫度可達(dá)到－30℃左右。設(shè)計(jì)可采用專為滿足東北、西北等極寒地區(qū)集中供熱系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)的螺桿式超低溫空氣源熱泵機(jī)組。

4．2相變儲(chǔ)能

相變儲(chǔ)能利用物質(zhì)相轉(zhuǎn)變過程中伴隨的能量吸收和釋放而進(jìn)行，由相變材料物態(tài)的往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)與釋放。相變過程中溫度恒定、吸收和釋放大量能量。本方案采用模塊化熱庫(kù)裝置，采用高密度、高穩(wěn)定性無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，單臺(tái)熱庫(kù)相變儲(chǔ)熱量為650MJ，具有體積小、儲(chǔ)熱量高、安裝靈活、簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。夜間利用熱庫(kù)將產(chǎn)生的熱量?jī)?chǔ)存在熱庫(kù)中，白天峰電時(shí)段，僅開啟系統(tǒng)循環(huán)泵，將熱庫(kù)儲(chǔ)熱量釋放用于供熱，節(jié)省系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

4．3太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)

通過太陽(yáng)能真空管等集熱器將太陽(yáng)輻射能收集起來，循環(huán)加熱水，儲(chǔ)存并加以利用。在本方案中，太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)除了在冬季收集熱能，直接用于供暖外，結(jié)合地源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，從地下土壤取熱量大于夏季釋熱量的特殊使用條件，在夏季及過渡季節(jié)為地源熱泵室外地埋換熱系統(tǒng)補(bǔ)熱，“跨季蓄能”，用于改善室外地埋管全年取熱、放熱不平衡情況，提高土壤溫度，進(jìn)一步提高地源熱泵運(yùn)行效率。

4．4供熱(冷)能源系統(tǒng)配置

地源熱泵機(jī)組、低溫空氣源熱泵機(jī)組:根據(jù)本項(xiàng)目常備供熱負(fù)荷需求配置地源熱泵系統(tǒng)及空氣源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)制冷量滿足為夏季部分建筑供冷需要。配置2臺(tái)螺桿地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組制冷量為596．5kW，制冷功率為102．6kW，單臺(tái)機(jī)組制熱量為520．7kW，制熱功率128．6kW。兩臺(tái)熱泵機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，可以滿足夏季供冷負(fù)荷需求。配置2臺(tái)低溫空氣源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制熱量256．8kW(室外溫度－25℃)，制熱功率116kW，2臺(tái)機(jī)組總制熱量513．6kW。2臺(tái)地源熱泵機(jī)組及2臺(tái)低溫空氣源熱泵機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，總制熱量1555kW，完全能夠滿足本項(xiàng)目常備負(fù)荷1470kW的供熱需求。熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵等設(shè)備及電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等安裝在能源站房。低溫空氣源熱泵機(jī)組安裝在能源站房西南角，緊鄰能源站房布置。真空電鍋爐、相變儲(chǔ)能:在最大作業(yè)熱負(fù)荷工況下，2臺(tái)地源熱泵機(jī)組和2臺(tái)低溫空氣源熱泵機(jī)組共計(jì)可以提供1555kW的熱負(fù)荷，其余2615kW的熱負(fù)荷，配置3臺(tái)額定制熱量1000kW的電鍋爐滿足。考慮冬季采暖科研中心、學(xué)術(shù)中心等辦公建筑夜間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)作業(yè)期內(nèi)，經(jīng)測(cè)算夜間低谷電時(shí)段逐時(shí)最大供熱負(fù)荷需求約為3600kW，2臺(tái)地源熱泵+2臺(tái)超低溫空氣源熱泵+2臺(tái)電鍋爐共同供熱可滿足夜間供熱需求，剩余一臺(tái)1000kW的電鍋爐用于相變儲(chǔ)能，谷電8h相變總儲(chǔ)熱量為8000kWh。相變儲(chǔ)熱熱量在白天高峰電時(shí)段放熱供熱，降低運(yùn)行費(fèi)用。太陽(yáng)能光熱系統(tǒng):在公寓樓屋布置太陽(yáng)能真空管集熱器，總布置集熱設(shè)備采光面積約600m2，配套1個(gè)20m3的蓄熱水箱。

4．5地埋管換熱系統(tǒng)

根據(jù)地區(qū)淺層地?zé)岬刭|(zhì)資料，項(xiàng)目地土壤溫度120m以淺巖土體初始平均溫度偏低，約為10℃，因此導(dǎo)致地埋管換熱器延米換熱量較小，本方案夏季延米換熱量暫按60W/m設(shè)計(jì)，冬季按23．8W/m設(shè)計(jì)。

5智慧供熱(冷)管理系統(tǒng)

5．1管理對(duì)象

本項(xiàng)目智慧供熱(冷)管理系統(tǒng)的管理對(duì)象為能源中心和各建筑末端用能系統(tǒng)。能源中心管理系統(tǒng)包含地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能系統(tǒng)、電鍋爐、相變儲(chǔ)能系統(tǒng)、地埋管換熱器等子系統(tǒng)。各建筑末端用能管理系統(tǒng)，以每棟用能建筑為一個(gè)單元和子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各建筑用能監(jiān)測(cè)及用能優(yōu)化控制，如分時(shí)分區(qū)控制、精準(zhǔn)室溫控制、氣候補(bǔ)償?shù)取?/p>

5．2系統(tǒng)架構(gòu)

智慧供熱(冷)管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行控制、能效分析、能源管理、數(shù)據(jù)共享與等幾個(gè)層級(jí)組成。

5．3智慧供熱(冷)管理功能

5．3．1數(shù)據(jù)采集能源中心數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包含:熱泵機(jī)組:電量，供熱量，供回水溫度;電鍋爐:電量，供回水溫度，壓力;相變儲(chǔ)能系統(tǒng):儲(chǔ)熱量、放熱量;空氣源熱泵機(jī)組:電量，供熱量，供回水溫度;太陽(yáng)能系統(tǒng):集熱器4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，水箱溫度、液位，補(bǔ)熱量;循環(huán)水泵:電量;水路系統(tǒng):空調(diào)側(cè)供回水溫度、壓力、熱量，地源側(cè)供回水溫度、壓力、熱量;設(shè)備狀態(tài):熱泵機(jī)組、超低溫空氣源熱泵、循環(huán)泵、電鍋爐等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包含設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、故障、能量輸出等;其他:室外溫、濕度，室外地埋管區(qū)域溫度場(chǎng)地溫監(jiān)測(cè)。各建筑末端用能系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包含:每棟建筑入戶主管供回水溫度、壓力、熱量、調(diào)節(jié)閥開度;建筑室內(nèi)溫度。

5．3．2數(shù)據(jù)分析與控制1)系統(tǒng)運(yùn)行工況參數(shù)數(shù)據(jù)分析與控制。監(jiān)測(cè)供熱供冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中的工況參數(shù)，如系統(tǒng)供回水溫度、流量、壓力、熱泵機(jī)組冷熱量輸出、室內(nèi)環(huán)境溫度等參數(shù)，結(jié)合建筑使用及用能要求，指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行，設(shè)定、調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行策略，例如:定時(shí)運(yùn)行:根據(jù)功能建筑工作作息時(shí)間按時(shí)啟?？刂圃O(shè)備，例如上班前提前開啟建筑內(nèi)如風(fēng)機(jī)盤管余熱，下班后關(guān)閉部分風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)節(jié)能。溫度—時(shí)間延滯:根據(jù)建筑內(nèi)溫度保持的延滯時(shí)間，提前關(guān)閉熱泵主機(jī)或電鍋爐達(dá)到節(jié)能目的。調(diào)節(jié)供水溫度:根據(jù)建筑室內(nèi)外實(shí)際溫度調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的供水溫度，設(shè)定合適的供水溫度減少系統(tǒng)主機(jī)的過度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。延長(zhǎng)設(shè)備壽命:對(duì)系統(tǒng)冷熱源主機(jī)進(jìn)行等時(shí)間交替運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行壽命，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。2)設(shè)備、儀表運(yùn)行狀態(tài)分析與控制。故障處理:監(jiān)測(cè)各設(shè)備、儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，找出故障源，方便系統(tǒng)及時(shí)管理與維護(hù)。3)系統(tǒng)能效分析與控制。本項(xiàng)目能源管理系統(tǒng)包含地源熱泵、空氣源熱泵、太陽(yáng)能補(bǔ)熱、電鍋爐相變儲(chǔ)熱、地埋管換熱器等5個(gè)子系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)耗電量、耗熱量、耗冷量等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并分析整個(gè)項(xiàng)目能源系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)運(yùn)行能耗，判斷各系統(tǒng)運(yùn)行情況是否達(dá)到設(shè)計(jì)效果。通過對(duì)能耗的分析、總結(jié)，提出利于整個(gè)項(xiàng)目能源系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化控制方案。

5．3．3數(shù)據(jù)共享與預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，接入園區(qū)大的能源管理平臺(tái)，為其提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析成果，實(shí)現(xiàn)園區(qū)包含本供熱(冷)管理系統(tǒng)在內(nèi)的數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一。

6結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得項(xiàng)目能源系統(tǒng)更加低碳、智能，本項(xiàng)目能源系統(tǒng)，除了高質(zhì)量滿足項(xiàng)目供熱(冷)負(fù)荷需求外，為打造國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的清潔可再生能源標(biāo)桿示范項(xiàng)目提供了可復(fù)制、推廣的技術(shù)、模式和體制經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

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作者：于博濤 單位：大同市重點(diǎn)工程建設(shè)服務(wù)中心