张伟 刘东喜 吕心力 孟庆瑶 张家琪 马峰
摘 要：隨着环境污染的日益严重，地热能等清洁资源的利用在逐渐增加。建筑物供暖是地热能主要应用方式，但现有地热能供暖系统普遍以单一模式为主，其供暖模式温差小、效率低，利用后的高温热水直接排放到环境中，高温尾水富含的物理特性对环境造成严重影响，同时，还存在着能源浪费和系统运行高的问题。因此，降低系统能耗、减少运行成本是促进系统高效节能的关键。本文结合地热能梯级利用现状，充分利用中国天津市峰时电价1.0436元/kW·h、谷时电价0.3923元/kW·h的分时电价价格优势，以天津市5.1万㎡的商业区为假设场景，提出了一种耦合储能装置的低成本供暖系统，利用DEST软件进行建筑物逐时热负荷的计算，并选取系统运行费用作为经济性评价指标与常规供暖系统进行对比，分析了系统的运行效益。计算结果表明，耦合储能装置的供暖系统运行费用总体上均低于常规系统，储能耦合系统的运行费用减少21.8%，运行效益得到明显提升。
关键词：低成本 地热能 供暖系统 储能 运行效益
中图分类号：TU98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0040-06
Study on Energy Storage Coupling System of Low-Cost Geothermal Heating
ZHANG Wei1* LIU Dongxi1 LYU Xinli1 MENG Qingyao1 ZHANG Jiaqi1 MA Feng2，3
（1.School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin， 300350 China; 2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuang，
Hebei Province， 050061 China; 3.Technology Innovation Center of Geothermal & Dry
Hot Rock Exploration and Development， Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang，
Hebei Province，050061 China）
Abstract： With the increasingly serious environmental pollution， the utilization of clean resources such as geothermal energy is gradually increasing. The first mock exam of building heating is geothermal energy， but the existing geothermal energy heating system is mainly based on single mode. The heating mode is characterized by low temperature difference and low efficiency. The high temperature hot water directly discharged into the environment is used. The physical characteristics of high temperature tail water are seriously affecting the environment. At the same time， there are still problems of energy waste and high system operation. Therefore， reducing system energy consumption and operating cost is the key to promote system efficiency and energy saving. Combined with the current situation of cascade utilization of geothermal energy， this paper makes full use of the time-of-use price advantages of peak time electricity price of 1.0436 yuan/kW·h and valley time electricity price of 0.3923 yuan/kW·h in Tianjin， China， and takes the 51000 m2 commercial area of Tianjin as the hypothetical scenario， proposes a low-cost heating system coupled with energy storage devices， and uses DEST software to calculate the hourly heat load of buildings. The system operation cost is selected as the economic evaluation index， compared with the conventional heating system， and the operation benefit of the system is analyzed. The calculation results show that the operation cost of the heating system of the coupled energy storage device is generally lower than that of the conventional system， the operation cost of the coupled energy storage system is reduced by 21.8%， and the operation benefit is significantly improved.
Key Words： Low cost; Geothermal energy; Heating system; Energy storage; Operation benefit
建筑物供暖是地热能主要应用方式，现有地热能供暖的主要方式是地热能板式换热器间接供热、“地热+热泵机组”供暖、“地热+热泵机组+调峰锅炉”交替供暖3种方式，虽然这些方式均能降低回灌水温度，增大地热资源利用率，但是其初投资和运行成本较大，运行效益较差[1-4]。为此，许多学者对地热能的低成本高效利用进行了深入研究。Mike[5]等将地热能供暖的总负荷分成高温供暖部分和低温供暖部分，并分别采用管网和地板辐射采暖的方式，提高了地热能的利用率;王含等[6]设计了多能互補式和储能式地热能利用系统，通过编写数学计算模型、优化算法等处理方法分析了初投资、能源节约、费用年值等评价指标的能源系统综合效益，最终确定合理的储能式供暖系统方案具有较好的效益;茹洪久等[7]以天津地区为例，分析了钻井深度、运行方式、水位变化等主要因素对地热能供暖经济性的影响，并得出了降低运行成本的主控因素是地热资源税和运行电费的结论;董红霞等[8]建立了地热梯级利用系统的热力模型，并结合室外气象参数变化对供热负荷的影响，确定了在不同室外温度下能源的配置形式及运行策略方式，从而提高地热水的利用率、降低系统的运行能耗及费用。
基于上述学者对地热能供暖系统的研究，本文研究了一种低成本地热供暖储能耦合系统，以天津市5.1万m2的办公区为假设场景，选取系统的运行费用为评价指标分析系统的运行效益，最终得到低成本地热供暖储能耦合系统具有以下优势：（1）与独立的常规供暖系统相比，虽然耦合储能装置的供暖系统的热泵机组和各个泵的运行时间变长，但系统在放能时仅供暖循环泵工作，因此在整个供暖季耗电量增加幅度不大;（2）充分利用谷电价格优势，达到削峰填谷与节能环保的效果，减少系统运行费用，实现较好的经济效益。
1 低成本地热供暖储能耦合系统
1.1 地热供暖储能耦合系统的组成
本文提出的低成本地热供暖储能耦合系统主要由3个部分组成，包括地热能一级利用部分、二级利用部分和储能部分，如图1所示。在白天的工作时间段，地热水首先经过第一级板式换热器，将风机盘管采暖系统的回水温度进行加热使供水温度达到设计要求;一级板式换热器的出水进入二级板式换热器进行换热，同时开启中间循环泵和热泵机组，通过热泵机组将这部分热量进行提级利用，达到采暖系统的供水温度，供给热用户。在夜间低谷电价时间段，将一级板换和热泵机组提供的热量储存到蓄能装置中，在高峰电价时间段释放热量。利用低谷电，达到削峰填谷的效果，减少系统的运行费用。
根据不同天气情况下建筑物热负荷的大小，该系统具有多种运行模式，如地热能直接供暖、“地热能+水源热泵”供暖、“地热能+水源热泵+蓄热”交替供暖、“地热能+水源热泵蓄热供暖等，在不同模式下工作时，各阀门开闭情况如表1所示。这些模式都可以通过实时监控室外温度、供热管网供回水温度、温差等参数，自动控制调节运行模式，本文主要研究在极端天气下，即地热水+水源热泵+蓄热交替供暖”和“地热水+水源热泵蓄热”供暖两种模式下，系统能耗和运行费用的变化。
1.2 地热供暖储能耦合系统的设备选型
根据天津市相关地质资料进行参数设置，本文以地热水出口温度65℃，流量40m3/h，回灌井能够实现百分百自然回灌为基础进行地热能供暖分析。65℃的一级地热水经一级板换换热，温度降为43℃，设计温降22℃;一级板换二次水作为供暖循环水，设计出水温度50℃，回水温度40℃;43℃的一级地热尾水经二级板换，换热后温度降为15℃至回灌井，二次水作为热泵的低温热源，设计蒸发器进出水温度为18～10℃;热泵冷凝器循环水作为供暖循环水，供回水温度为50～40℃。相关参数如表2所示。
结合建筑物负荷的变化特点及系统的各设计参数，主要设备的选型如表3所示。
2 建筑物概况及热负荷计算
本文选取的供暖对象为办公区，建筑物面积为5.1万m2，选取采暖热负荷指标为50W/m2，计算得该办公区总热负荷为2550kW，冬季供暖天数为120d，供暖时间为每天的8：00-18：00，末端为风机盘管采暖系统，供热参数50℃/40℃，保持室内温度为18℃，通过对DEST软件中气象数据库的气象资料进行整理，得到天津市典型气象年供暖季的气象参数如图2所示。
采暖期室外计算温度由逐时温度确定，采暖期室外平均温度0.2℃，结合其它相关气象数据，计算得该建筑物的逐日热负荷如图3所示。
针对本文选取的商业办公区建筑，根据地热资源计算复合供暖系统的供热能力，供热功率和最大供热面积为：
（1）
（2）
式中：Q为复合供暖系统的供热功率（kW）;C为水的比热容，本文取C=4.2×103J/（kg·℃）;m为地热水流量（m3/h）;t1、t2、t3分别为地热水出口温度、一级板换后地热水的温度、地热水的回灌温度（℃）;COP为水源热泵机组性能参数，本文取COP=4.5;A为复合供暖系统最大供热面积（m2）;q为热负荷指标（W/m2）;η为综合热效率，这里取η=0.95。
3 储能耦合系统运行效益分析
本文主要研究的是供暖系统在蓄能、放能和地热能独立供能3个阶段，通过对系统电耗、用户末端供回水温度和流量的监测，可考察整个系统运行与机组独立供能阶段运行的系统经济效益，从而分析储能耦合系统的节能效果。储能耦合系统在运行过程中存在蓄能、放能和地热能独立供能3个阶段。（1）蓄能阶段：热泵机组、供暖循环泵、地热水循环泵和蒸发器循环泵是主要的耗电设备。（2）放能阶段：热泵机组与地热水循环泵停止运行，只有供暖循环泵在工作，开始向用户供能。（3）地热能独立供能阶段：热泵机组、供暖循环泵、地热水循环泵和蒸发器循环泵又同时投入使用，继续向用户供能。因此在计算上述系统耗电量时，需计算上述3个阶段内每个时段设备（主要是热泵机组与泵）的耗电量，将两者进行比较。
通过计算可得，在整个供暖季中，储能耦合系统的耗电量略高于常规系统的耗电量，这是因为耦合储能装置的供暖系统增加热泵机组和各个泵的运行时间，整个系统的耗电量增加较多，但因放能时仅供暖循环泵工作，而且放能时间一般长于蓄能时间，其减少的耗电量往往可以抵消部分夜间蓄能增加的耗电量，达到了削峰填谷的效果，使整个系统的耗电量增加幅度降低，仅略高于常规系统耗电量。
虽然耗电量略微增加，但由于峰谷电政策的实施，运行费用大大减少。天津市电网峰谷分时电价表[9]见表3。高峰期峰谷分时计量时间安排如下。高峰时段：8：00-11：00、18：00-23：00，非峰谷时段：7：00-8：00、11：00-18：00，低谷时段23：00-7：00。
故本文研究的办公区分时电价组成为：蓄能时段（4：00-7：00）电价为0.3923元/千kW·h，放能时段（8：00-11：00）电价为1.0436元/kW·h，地热能独立供能时段（11：00-18：00）电价为0.6768元/kW·h。根据实测耗电量可求得系统的运行费用如图4所示。经计算，冬季供暖季储能耦合系统的运行费用合计268234.2元，比常规供暖系统的运行费用减少21.8%。从图中还可以看出，在第35天和第90天左右时，储能耦合供暖系统的运行费用明显低于常规供暖系统，这主要是由于储能装置放能量大，储能系统运行时间长所致;同样可以发现，在供暖季初期和末期，储能耦合供暖系统的运行费用和常规供暖系统的运行费用基本持平，这主要是因为在供暖季的初期和末期，用户对热负荷的需求量少，储能耦合系统的运行时间少。
4 结论
本文通过对现有的传统地热能供暖方式研究发现，现有的地热能供暖方式虽能避免地热井数限制，减少地热水的开采，有较高的地热资源的利用率，但较高的初投资和运行成本对其推广应用造成了一定的限制。为解决这一问题，提高系统的运行效益，提出了一种低成本运行的储能耦合供暖系统，并以天津市5.1万m2的商业区为假设场景进行了系统运行效益的分析。利用DEST软件计算量建筑物的逐日热负荷，并选取系统的耗电量和运行费用作为评价指标，与常规供暖系统进行对比，得出如下结论：
（1）虽然耦合储能装置的供暖系统的热泵机组和各个泵的运行时间变长，但系统在放能时仅供暖循环泵工作，因此在整个供暖季与常规供暖系统相比耗电量增加幅度不大;
（2）耦合储能装置的供暖系统充分利用了谷电的价格优势，比常规供暖系统的运行费用减少21.8%。
5 结语
综上所述，采用储能耦合供暖系统可以有效地降低系统的运行成本，提高运行效益，其对地热能资源的低成本应用具有重要意义，对高效、节能地利用地热能，对建筑物供暖有很大帮助。
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