文_雷開(kāi)銀 封冠男 文雙娜 北京首都機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源有限公司

北京大興機(jī)場(chǎng)致力于建設(shè)成為具有世界一流水準(zhǔn)的綠色新國(guó)門(mén)，在建設(shè)之初就將“資源節(jié)約、環(huán)境友好、運(yùn)行高效和人性化服務(wù)”的綠色理念貫徹落實(shí)到機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的生命周期之中，全面實(shí)踐可持續(xù)化的建設(shè)與運(yùn)行理念。

在借鑒北京城市副中心等經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，大興機(jī)場(chǎng)創(chuàng)新地提出了集中式地源熱泵系統(tǒng)供熱方案。以蓄滯洪區(qū)為地埋孔區(qū)域，通過(guò)耦合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)地源熱泵與集中鍋爐房、鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，形成穩(wěn)定可靠的復(fù)合式系統(tǒng)，遠(yuǎn)期可為周邊近257萬(wàn)m2配套建筑提供冷熱需求。

燃?xì)忮仩t、煙氣余熱熱泵以及地源熱泵的耦合式供熱系統(tǒng)，在具備穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)同時(shí)，也因?yàn)槎酂嵩吹拇嬖冢哂辛苏{(diào)控的靈活性，各類(lèi)熱源的不同組合，使得運(yùn)行時(shí)既要考慮不同設(shè)備效率、不同階段的供熱需求，還要考慮地?zé)豳Y源的可持續(xù)性及電氣耦合供熱的經(jīng)濟(jì)性，因此耦合供熱系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在評(píng)價(jià)體系及運(yùn)行策略上。為優(yōu)化耦合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行策略，借助大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)三熱源耦合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)耦合供熱運(yùn)行策略進(jìn)行不斷的優(yōu)化，尋找出最佳運(yùn)行策略。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 多熱源耦合供熱系統(tǒng)整體介紹

大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)能源站內(nèi)有多臺(tái)煙氣余熱熱泵、地源熱泵及燃?xì)忮仩t市政板式換熱器，這三類(lèi)熱源在并聯(lián)后為用戶(hù)提供供熱服務(wù)。該耦合供熱模式是采用氣電耦合的供熱模式。該能源站各熱源關(guān)系如圖1所示。

圖1 三熱源耦合供熱系統(tǒng)示意圖

多類(lèi)熱源并聯(lián)供熱使耦合供熱系統(tǒng)更加靈活可靠。在此類(lèi)耦合供熱系統(tǒng)中，各熱源之間的解耦、熱源的使用順序及耦合供熱系統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)方式，都是此耦合供熱系統(tǒng)的難點(diǎn)。

1.2 三類(lèi)熱源介紹

1.2.1 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的熱量通過(guò)板式換熱器引入能源站，成為該能源站的一種穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)的熱源。該熱源主要作為補(bǔ)充熱源，因熱量為燃?xì)忮仩t產(chǎn)生，在運(yùn)行調(diào)節(jié)上受到燃?xì)忮仩t供水溫度的影響，并且在分析評(píng)估上，該能源站的能耗與燃?xì)忮仩t所消耗能耗的劃分界面不清楚。

1.2.2 煙氣余熱熱泵

煙氣余熱熱泵是利用煙氣熱泵機(jī)組將隨著鍋爐煙氣排入大氣的廢熱進(jìn)行回收并轉(zhuǎn)移至低溫水上，作為三熱源耦合供熱系統(tǒng)的熱源之一。該能源站站內(nèi)煙氣熱泵主要是將噴淋水中熱量通過(guò)逆卡洛循環(huán)轉(zhuǎn)移到低溫水上，噴淋水中熱量為水在噴淋塔處直接與煙氣接觸換熱獲得。

煙氣余熱利用熱泵充分利用了燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的煙氣中的廢熱，同時(shí)受燃?xì)忮仩t負(fù)荷的影響，其必須在煙氣廢熱熱量達(dá)到一定量才能啟動(dòng)熱泵機(jī)組。

1.2.3 地源熱泵

地源熱泵是利用地源熱泵機(jī)組將地埋管收集起來(lái)的地下熱量轉(zhuǎn)移至低溫水上，作為低溫水熱源。大興機(jī)場(chǎng)內(nèi)該能源站地源熱泵機(jī)組主要將地源側(cè)水中熱量通過(guò)逆卡洛循環(huán)轉(zhuǎn)移到低溫水上，地源側(cè)水中的熱量是地埋管深入120m時(shí)與周?chē)寥罁Q熱所得。如何保證地源熱泵站冬夏季地埋側(cè)取放熱量的平衡，確保淺層地?zé)豳Y源的可持續(xù)使用是運(yùn)行中需要考慮的關(guān)鍵性問(wèn)題。

2 運(yùn)行策略管理

2.1 設(shè)計(jì)策略

設(shè)計(jì)供熱運(yùn)行策略以地源熱泵作為基礎(chǔ)熱源，以煙氣余熱利用熱泵及市政熱力作為調(diào)峰熱源。即優(yōu)先使用地源熱泵，其次使用煙氣熱泵與市政熱力作為補(bǔ)充?？紤]熱泵機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用較燃?xì)忮仩t低，且煙氣熱泵如不開(kāi)啟，則煙氣尾部熱量散失。三類(lèi)熱源的使用順序?yàn)榈卦礋岜茫緹煔庥酂崂脽岜茫救細(xì)忮仩t。

2.2 實(shí)際運(yùn)行策略

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，結(jié)合兩類(lèi)熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)COP值及峰谷平尖電價(jià)的情況，在滿(mǎn)足可再生能源利用率的前提下，盡可能提高系統(tǒng)的整體效率及經(jīng)濟(jì)性。

按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，單獨(dú)使用任何單一熱源時(shí)，單位GJ熱量所需的成本變化如圖2所示。

圖2 三熱源耦合供熱理論成本計(jì)算

實(shí)際運(yùn)行策略為供熱初期、末期的電價(jià)平段與谷段使用地源熱泵機(jī)組；供熱中期的電價(jià)平段與谷段使用煙氣余熱利用熱泵；供熱期間的電價(jià)峰段使用燃?xì)忮仩t提供的熱量。初期、中期、末期的劃分按可再生能源的使用量進(jìn)行劃分，確?？稍偕茉蠢寐侍嵘?/p>

2.3 實(shí)際運(yùn)行中的策略?xún)?yōu)化

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行策略，在2020～2021年供熱季進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。分別對(duì)比三類(lèi)設(shè)備單獨(dú)供熱時(shí)的單位GJ熱量所需成本情況如圖3所示。

圖3 實(shí)際運(yùn)行中每日運(yùn)行成本對(duì)比

根據(jù)圖3中參數(shù)，實(shí)際運(yùn)行策略中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，峰谷平尖電價(jià)錯(cuò)峰運(yùn)行49元/GJ較單一熱源成本最低的全天使用煙氣熱泵56元/GJ要低12.5%。但是各類(lèi)設(shè)備單位GJ熱量所需成本較理論計(jì)算數(shù)值有所下降，主要受設(shè)備變頻的影響。僅對(duì)比水泵的理論計(jì)算電耗與實(shí)際運(yùn)行中的電耗進(jìn)行對(duì)比，設(shè)備變頻降低了60%左右的電耗。

綜上，根據(jù)電價(jià)及設(shè)備效率制定的三熱源耦合運(yùn)行策略，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，有效地降低12.5%的運(yùn)行能耗成本，同時(shí)也可保障可再生能源利用率。在多熱源耦合供熱系統(tǒng)中有一定的參考意義。同時(shí)，變頻設(shè)備可大幅降低生產(chǎn)能耗，對(duì)于節(jié)能降耗有較大助力。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)供熱系統(tǒng)的建設(shè)設(shè)計(jì)情況，利用理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行綜合確定。在電與天然氣兩類(lèi)熱源之間，可根據(jù)一天內(nèi)電價(jià)變化，調(diào)整不同時(shí)間段使用的設(shè)備，可大幅降低運(yùn)行成本。以本文中的供熱系統(tǒng)為模型，試驗(yàn)驗(yàn)證可降低12.5%的運(yùn)行能耗成本。

根據(jù)電價(jià)及設(shè)備效率制定的三熱源耦合運(yùn)行策略，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，切實(shí)有效地降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也可保障可再生能源利用率。在多熱源耦合供熱系統(tǒng)中有一定的參考意義。同時(shí)變頻設(shè)備可大幅降低生產(chǎn)能耗，對(duì)于節(jié)能降耗有較大助力。