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地源熱泵“熱泵+”復合系統，未來建筑供熱供冷的重要形式
文章來源：地大熱能 發布作者： 發表時間：2023-01-12 09:54:59瀏覽次數：1750
地大熱能：什么叫“熱泵+”模式？熱泵眾所周知，是一種將熱能從低品位提升到高品位的高效低碳的供能方式，在建筑界里是實現碳中和的重要途徑。歐洲在俄烏沖突之后，把熱泵提升到一個新的高度，制定了很詳細的推廣熱泵的時間圖和技術路線圖。但是熱泵通常的熱源有空氣源、地熱源等可再生能源以及余熱廢熱，來自于工廠或者一些工業，但是它是有分散性、間歇性和隨機性，存在源測熱流密度相對較低，同時波動大、初投資高等問題。
針對這些問題，我們怎么能夠找到一些破解之路呢？特別是對一些大型的公共建筑、建筑群，集約化的熱泵應用來講，需要我們尋找它的技術性組合，所以在這里我們為了最大化發揮熱泵系統優勢，結合其他能源系統形式，構成了以熱泵為機載的“熱泵+”模式。具體來講，它和誰進行復合呢？可以與太陽能、地熱能，以及傳統的燃氣鍋爐等進行復合，這樣就可以把可再生能源的間歇不穩定、能量密度低，以及常規冷熱源，它有它的特點，穩定、備份、品位高等特點，復合在一起組成安全、穩定、經濟、高效的供熱供冷系統。同時它還可以和電網協同，這個優勢也非常明顯。
具體典型的方式，比如說地源熱泵+太陽能+蓄能，地源熱泵+燃氣鍋爐+市政+蓄能，工業余熱+空氣源熱泵+冷水機組，同時還可以是地源和空氣源+蓄能，以及和傳統的熱泵+冷卻塔+蓄能，燃氣鍋爐+蓄能，空氣源熱泵+太陽能+蓄能，還有燃氣三聯供和以熱泵+組成這樣一個新的系統。
所以這樣一些系統，在最近幾年里大家很關注的就是中深層地源熱泵和淺層地熱能地源熱泵，把這兩個中深層、淺層的優勢各自發揮出來，組合一個新的系統，如果說還可以和傳統的燃氣+蓄能結合，我們可以看有這么幾個特點，把中深層的地源熱泵的特點和淺層的地源熱泵的特點組合在一起，為嚴寒地區，特別是北方地區的清潔取暖的實現提供了一種創新性的方案，剛才把“熱泵+”，什么是“熱泵+”，“熱泵+”的基本組成說了一下。
“熱泵+”這個系統它的特點是什么?我們首先看，一般建筑本體的冷、熱、電負荷的波動很大，利用熱泵+復合系統，可以優化系統結構，發揮子系統和設備差異化的優勢，在不同負荷頻段發揮各自的系統特點，保持整個系統都處于高效運行的階段。另外它通過控制運行策略的調整，我們也可以進一步提高運行效率，同時降低運行的費用，這個很多例子可以表明，比如我們熱泵系統承載基載組合，而基載組合占整個負荷的80%左右。如果和鍋爐聯系起來，鍋爐相對來講投資低，這樣整體的技術經濟性更好。
另外，可再生能源剛才講了它的不穩定性、間歇性、能量密度低的問題。如果我們和不同的組合在一起，把它的各種形式可以按照工程現場的實際進行組合，就可以互為補充、互為耦合，保證系統的供熱供冷的可靠性，同時最大化利用可再生能源，時間關系不展開中間具體怎么做。
同時我們如果利用蓄能，剛才講了產能或者供熱供冷，如果把蓄能結合在一起，特別是利用電力的峰谷差價，我們可以有效地平衡電網，降低整個供冷供熱系統的運行費用。這就是熱泵+的組成、熱泵+的特點。這是第一部分。
第二部分，如何把熱泵+系統做好?我們做了一些工作，這個工作是一種系統化的工作。從規劃、設計、運行到優化全過程，這個過程又分很多階段，我們把不同的階段都做了相關的研究和開發的技術，完整地建立起來了，不展開講。怎么建立起來了?比如我們建立一套完整的模型，可以預測建筑的冷熱、電的負荷，負荷比較真實地反映一個大的建筑群或者一個小的區域，比傳統的預測方法更加準確，而且更符合實際。
第二，我們在這個負荷的預測，實際上方法本身來講是它一個動態的，我們開發了一個冷熱動態負荷因子數據庫和建筑群負荷的集合尋優的工具。在此基礎上做了一個仿真系統，各種系統組合在一起到底誰優，根據項目可以做一個仿真平臺，通過仿真平臺從設計階段講提供一個最優的配置。
同時我們針對很多可再生能源現場的資源測試和系統的測試結果，還可以反饋回這個平臺，不斷修正這個平臺的科學性、準確性。這樣一來，我們就可以更好地利用這些進行大型的、區域的熱泵+系統的規劃，同時我們也開發了一套完整的工具，對這種復合系統到底怎么定量地評價好與壞，投資省是一方面，運行省也是一方面，同時還有可靠性、環境友好性等等，通過不同的指標體系進行綜合評價，這里有一套評價的方式方法。
在運行階段，我們通過優化工具既可以對設計階段，也可以對運行階段進行尋優，這種尋優過程我們也建立了一套軟件，給大型的任務+系統提供了優化的工具。
運行我們通過分層控制優勢，構建了這樣一個復合式熱泵+系統的控制框架，從上、中、下層進行聯控，達到一個系統的按需、精準、及時的調控。同時針對這種熱泵+系統，通常都要有智慧平臺，數據實時的采集、分析和判別。這是第二部分“技術與優化”。
在講完了什么是“熱泵+”，我們用什么樣的手段實現“熱泵+”系統，下面結合一些案例跟大家分享。比如我們在濟寧文化中心已經建成的近30萬平米的建筑群，包括圖書館、博物館、群眾藝術館，也有一些住宅公寓，組合匹配是不一樣的。我們利用前面的“熱泵+”系統給整個建筑群做了一套供熱供冷系統，當然它是以地源熱泵系統作為機載，滿足了全年的供暖供熱需求，這個項目獲得了中國建筑協會暖通空調設計的一等獎。
濟寧文化中心這個項目有很多具體的參數，簡單講，地源熱泵的參數我們得到了巖土體的綜合導熱系數2.83W/(m.K)，我們做了2700個雙U型的換熱孔，孔深120m，間距5m，包括對它的負荷進行了準確的預判。設備也是用了不同的組合，包括用了離心式熱泵機組和螺桿式機組進行組合。效果是什么情況？這個已經應用了四年，我們進行了全年的監測，監測是實時的，監測的結果整個“熱泵+”系統的制熱性能系數達到3.6，系統的制冷系數達到4.4，明顯高于國內平均水平。
第二個項目再介紹一下我們做了多年的曲阜市人民醫院，醫院通常是由急診樓、病房樓、門診樓還有一些宿舍綜合體組成，有10萬平方米，采用的是熱泵+燃氣鍋爐+太陽能組合的一套分布式的系統，這個系統總冷負荷9000千瓦，總熱負荷8500千瓦，這個項目運行大概有六年了，我們也獲過相關的獎項。這里主要講的是優化，我們通過前面講的優化工具和手段，如果進行一些比較，我們可以看出來，比如說地源熱泵的占比，制熱占比13%，鍋爐占56%，太陽能占25%。這里需要說明的是投資當時是受限的，所以投資為最低是當時業主投資的要求，所以優化的軟件是可以把目標進行調整的，這樣下來它的可再生能源利用率可以達到近25%，夏季的運行費用12塊錢，冬季的運行費用11塊錢左右，這個和前面不一樣，因為投資方需要的是投資最少。
不同的優化是不一樣的，如果以系統的全生命期為最低目標，地源熱泵占比67%，如果以系統運行費最省，地源熱泵系統未必最多，它可以提升，所以不同的系統組合它的結果是不一樣的。具體怎么做的呢?選了三臺離心機組，兩臺冷卻塔，兩臺燃氣鍋爐，包括太陽能集熱，主要是供生活熱水，共同組成，這邊是施工現場。
它的系統的測試結果不光都是設計完成，它的冷源的能效比達到4.92，這個效果是相當不錯的，在大型的以熱泵+為主的系統中，取得了良好的效果。通過計算和運行來進行比較，我們也可以看，事先做的這種優化模擬計算和最后的實際運行數據基本在7%～8%的誤差，所以說這個從設計、優化到運行是相互吻合的，所以這個互補的多能源的系統是比較成功的應用，但是它又滿足了業主投資最省，否則還有其他的優化目標。
另外，介紹一下北京城市副中心，很多在北京都知道，四大班子搬到通州以后，副中心到底建設什么樣的系統?最后采取的方案也是熱泵+系統，當時按照黨中央、國務院的要求，要求可再生能源利用率40%以上，在七、八年前要達到可再生能源利用率40%以上是比較可行的，或者說是比較實際的一種方式就是地源熱泵+蓄能+市政熱力，它也是一種組合式的熱泵+系統，到今天我們再看到這套系統不一定是最佳的，很多情況發生了改變。副中心這樣一個系統是怎么組成？熱源系統通過地源熱泵為機載，再加上市政熱力，這樣可以用市政熱力進行調峰，這樣比較好地組合成熱源系統。
冷源系統是地源熱泵+常規低溫型冷水機組，主要是為了蓄冰，用峰谷差價來實現，大型副中心的建筑群用的是這些系統，應該說也是一個大膽的嘗試，但是也有一點遺憾，整個前期的方案是我們做的，但是后來真正實施這個方案和我們做的規劃方案差異比較大，在這里不好講，因為各種原因。
怎么實現城市副中心的?我們也通過一些科學嚴謹的方法，包括做實驗孔，做方案得到相關的基礎數據。
第四個項目講講我們自己這個樓。這個樓完完整整地實現地源熱泵+太陽能+吸收式制冷來實現的熱泵+的供熱供冷系統，這個系統是近零耗建筑，建筑物并不大，但是系統應用是多方面組合的，包括其他方面的，包括光伏也在應用，但不是供熱供冷用的。集熱器也有很多種，這也帶有實驗性質的，我們可以看到不同的冷熱源的貢獻比例不一樣。平均下來，到今天為止八年了，平均建筑運行能耗，所有用能加起來是34.2，從目前我見到的國內類似的示范建筑里面，它的運行能耗應該講是最低的之一，而且我們這里還有一個數據機房也在里面。具體還有一些其他的設計，從被動式技術到末端的選擇等等，這個就不展開了。
還有一個針對我們夏熱冬冷地區，比如貴州中天?未來方舟，這個項目很大，800萬平方米，我們是方案的咨詢方，實施者是中國節能環保集團，他們董事長在全國兩會上多次提到這樣一個低碳的系統，這里我簡單介紹一下，這是我們做的方案。它是河水源熱泵+污水源熱泵，適當做了些燃氣鍋爐做補充，這樣一個系統。
貴州冬天非常濕冷，這種濕冷在中國獨一無二，這個地區非常特別，我冬季也去過，極其難受，某種意義上講，比北京還要難受。這個系統通過大量河水源做機載，我們也做了一些相關的基礎數據的測試，包括河水溫度的變化、河水的流量等等。這個運行項目已經有好幾年了，通過整個這幾年的實際運行結果來看，河水源熱泵系統常規運行工況可以達到5.15的能效比，整個如果加起來，我們可以看到供暖季的平均COP4.1，這都是長期監測的結果，真實的數據。
另外講一個我們正在做的，還沒有在實施的，也是一個“熱泵+”的系統，今天面對低碳、零碳的這樣一個發展目標，它也是一個地源熱泵+蓄能+常規的冷熱水機組，這個面積也很大，近140萬平方米，具體來講它有一些配置，時間關系不展開了。
未來建筑的供熱供冷形式，其中重要形式之一是“熱泵+”的復合系統，這個系統為什么是？除了多能互補、優化配置、平衡投資和運行成本之外，主要縱向上是“熱泵+”與電網交互，降低運行成本，同時還可以消納可再生能源。所以從橫、縱兩項來比較的話，推動了建筑用能的清潔化、高效化、低碳化。
熱泵代表了未來供暖發展方向，“熱泵+”系統是多贏的，可以實現清潔化，同時還可以和電力系統進行協同，當然要想做好“熱泵+”系統仍然要堅持做好因地制宜的原則，才能讓經濟、安全、環境多方面共同得到保障和發展。
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