王昌++李尤然++刘丽珍
摘 要：该文分析了天津生态城2号能源站的设计及运行情况。三年以来地源热泵系统的冬季供热比例不高，都在50%以下。地源热泵双机组蓄能工况下的1#和2#地源热泵机组的平均COP值大致处于2.3～3.5之间，均低于额定COP值。但1#地源热泵机组从2014年2月26日到2014年3月21日期间平均COP值均大于额定COP值3.5，且在4.0～4.5之间变化；2#地源热泵机组从2014年3月11日开始到2014年3月21日期间均大于额定COP值，在3.8～4.3之间变化。机组冬季供水温度低有利于COP值的提高。生态城2号能源站的运行使用可以为今后的区域能源站起到指导性的作用。
关键词：生态城 区域能源 地源热泵 COP
中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0001-04
传统以大型煤电厂和大电网长距离输送电能的供应模式由于与二次能源供热、供冷等设备设施分地分设，不仅总投资运行成本居高不下，而且远距离输送能量损耗大、能源利用效率低（约40%左右）、环境污染严重。20世纪70年代发源于美国，目前已经在发达国家普遍运用的分布式冷热电三联供能源系统，它以天然气为主要的一次能源，能源站规模由区域负荷需求确定，可以建在城市负荷中心，实现冷热电三联供，使一次能源发电后产生的余热烟气得到了高效的梯度循环利用，能源利用率高（达80%以上），碳排放仅为传统能源利用方式的1/4[1]。
该文以生态城动漫园2号能源站为例（该文讨论的为供热季）来具体分析区域能源系统的运行状况。
1 能源站系统及运行策略
1.1 能源站系统组成
该能源站主要由一套冷热电三联供机组、二台地源热泵机组、二台电制冷水冷机组、四个蓄能罐、换热机组、循环水泵及管道阀门等部分组成。图1所示为该能源站系统示意图。
1.1.1 燃气发电机组
本系统设计一台常载负荷为1 480 kW的燃气内燃机发电机组，发电电压等级400 V，通过变电所升压变压器升压为10 kV，与市网并网运行，当需要孤岛运行时，为能源站的水泵、照明供电，同时发电机组为烟气余热溴冷机提供387 ℃的高温烟气，烟气量7 922 kg/h，提供97/70 ℃的缸套水，缸套水流量：25.9 m3/h。
1.1.2 烟气热水型余热吸收式空调机
本能源站三联供系统的设计中，采用发电机组与余热吸收机的直接连接方式。采用一台Q冷=1 363 kW，Q热=1 472 kW的机组。
1.1.3 地源热泵机组
根据天津地区气候特点及该项目现场条件，本项目采用土壤源热泵系统提供动漫园二号站全年部分冷热负荷。包括两台机组，一台机组Q冷=3 550 kW、P冷=669 kW，另一台机组Q热=4 100 kW、P热=1 187 kW。
1.1.4 电制冷水机组
电制冷机组选用两台制冷量为4 100 kW的机组作为调峰设备。
1.1.5 蓄能系统
系统选用4个容积为750 m3的蓄冷（热）水罐.夏季水蓄冷按照4/12 ℃蓄冷温度设计，总蓄冷能力为24 300 kWh。冬季水蓄热按照65/50 ℃蓄热温度设计，总蓄热能力为45 700 kWh。
1.2 系统的运行策略
能源站的供热季运行策略为。
燃气发电机的发电供应范围为：烟气热水型余热吸收式空调机及其辅机（水泵、冷却塔）、1台地源热泵机组及2台地源热泵的所有辅机（用户级泵、地源侧泵）；能源站内其他用电由市电供应。
低谷期（23：00～7：00）：市电驱动两台地源热泵机组在制熱工况下运行，向蓄能槽进行蓄热，系统进入蓄热工况。发电机组、余热吸收机和电制冷机均处于停机状态。
高峰期（8：00～11：00、18：00～23：00）：发电机驱动一台地源热泵机组制热，并带动余热吸收机和能源站部分辅机；其烟气余热通过余热吸收机制热，缸套水通过换热器提供热量。同时市电驱动蓄冷循环泵，将低谷期蓄存在蓄能槽中的热量进行释热。根据热负荷变化情况，由市电驱动另一台地源热泵机组制热，以补充热量不足部分。
平段期（7：00～8：00、11：00～18：00）：由办公建筑特点，这段时间能源站所负担热负荷变化较平稳。系统运行模式同高峰期。
1.3 系统运行方式
根据能源价格政策，优化选择地源热泵和直燃机运行，同时可以人工选择。
根据天气变化和负荷的实际需要，选择主机设备运行台数，制定主机及其辅机运行时间表，由程序按照事先设定的时间表，自动起停，方便管理、高效运行。
根据负荷情况自动加/减主机设备及辅助设备。
在系统节能控制模式下，根据预测负荷、实时负荷情况、主机设备及其辅机性能，优化选择主机设备及其辅机台数，保证系统整体效率最优。
根据负荷情况、室外气象参数，优化设定空调冷热水供水量，实现变水量调节，在保证供冷供热需要的前提下，冷热源中心整体效率最高，运行费用最省。
根据优化设定的空调冷热水供水量自动控制水泵的运行频率，方便管理、高效运行。
根据优化设定的地埋管循环水量自动控制水泵的运行频率，方便管理、高效运行。
根据优化设定的冷却水供水量自动控制冷却水泵的运行频率，方便管理、高效运行。
根据优化设定的冷却水温度自动控制冷却塔风机频率，方便管理、高效运行。
2 实际运行分析与讨论
2.1 系统机组实际开启运行工况
目前2号能源站已经有部分用户使用，但因为使用率较低以及其他限制原因，冷热电三联供系统并未投入运行。2013—2014年冬季能源站投入运行的设备包括2台地源热泵机组、4台蓄能罐、2台板式换热器。
2013—2014的供热期为2013年11月10日至2014年3月21日，共计132 d。2013年冬季，2#能源站是为动漫园主楼01、02-01、02-02、02-03共4座办公楼供暖，各楼建筑面积及设计负荷详见表1。
2.2 冬季地源热泵运行情况供能分析
2013—2014年冬季采暖投入运行的供暖设备包括2台地源热泵机组、4台蓄能罐、2套板式换热器和市政供暖。经统计，此次采暖季能源站总供热量为32 363 GJ。两台地源热泵机组共运行了1 093.7 h，总产热量为12 548.9 GJ，占总供热量的39%；市政供热量为19 791.1 GJ，占总供热量的61%。
2.3 空调侧运行分析
能源站共有两台地源热泵机组，型号为YORK_CYKKQKRH9H05CWCSG，基本参数如表2所示。
由表2计算可知，地源热泵机组冬季直供工况额定COP为4.1，蓄能工况额定COP为3.5。
采用COP平均值评价地源热泵的能效，计算公式为COP平均=制热量/耗电量。制热量为运行时段累计热量，耗电量为运行时段累计耗电量。其热量由温差和流量计算得到，其数值取地源热泵开启到停止的中间一段稳定运行时的数据，耗电量为电表的累积电量。
在整个采暖季中，1#地源热泵直供时间共7.2 h，蓄能时间共544 h，总运行时间为551.2 h。2#地源热泵直供时间共5.3 h，蓄能时间共540.7 h，总运行时间为546 h。两台机组基本处于蓄能状态，共有118次蓄热运行。1#、2#同时蓄能时平均COP随时间变化以及累计热量和耗电量随时间变化趋势分别如图3、4所示，平均供水温度和平均COP随时间变化如图5所示。
双机组蓄能工况下共蓄能12 395.7 GJ，占总供热量的38%。由图3可知，地源热泵双机组蓄能工况下的1#和2#地源热泵机组的平均COP值大致处于2.3～3.5之间，均低于额定COP值。但1#地源热泵机组从2014年2月26日到2014年3月21日期间平均COP值均大于额定COP值3.5，且在4.0～4.5之间变化；2#地源热泵机组从2014年3月11日开始到2014年3月21日期间均大于额定COP值，在3.8～4.3之间变化。这其中原因可以从图5中得到解释。
由图5可以看出，用戶侧供水温度从2014年3月12日开始快速下降，从原来的32 ℃下降到27.8 ℃，此时机组平均COP值明显增大。进一步说明了机组冬季供水温度低有利于COP值的提高。
3 结语
三年以来地源热泵系统的冬季供热比例不高，都在50%以下。由于冬季有其它热源，如2011—2012年冬季有4台燃气锅炉作为备用热源，2012—2013年冬季以及2013—2014年冬季有市政热作为补充热源，所以在峰谷电价的存在下，应优先采用地源热泵系统在夜间蓄能，从而可以充分利用地源热泵系统以及蓄能系统的优势，进而减少备用热源的使用率，提高效率。地源热泵双机组蓄能工况下的1#和2#地源热泵机组的平均COP值大致处于2.3～3.5之间，均低于额定COP值。但1#地源热泵机组从2014-2-26到2014-3-21期间平均COP值均大于额定COP值3.5，且在4.0～4.5之间变化；2#地源热泵机组从2014年3月11日开始到2014年3月日21日期间均大于额定COP值，在3.8～4.3之间变化。机组冬季供水温度低有利于COP值的提高。生态城2号能源站的运行使用可以为今后的区域能源站起到指导性的作用。
参考文献
[1]黄聪健.区域分布式综合能源系统视角下的控制性详细规划编制研究[D].广州：华南理工大学，2012.
