戴 安，萬(wàn)長(zhǎng)瑛

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢能效測(cè)評(píng)有限公司，湖北 武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

在我國(guó)，采用江水源熱泵進(jìn)行區(qū)域化供能的工程應(yīng)用進(jìn)一步帶動(dòng)了相關(guān)學(xué)術(shù)研究，很多專(zhuān)家學(xué)者研究了采用江水源熱泵區(qū)域供能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。鄧波，龍惟定[1]等以上海世博園供能系統(tǒng)為例，分析了水源熱泵系統(tǒng)原理、低品位熱源評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)以及供冷系統(tǒng)配置選型，并研究了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。舒海文[2]以熱泵機(jī)組組合系統(tǒng)的能耗最低為目標(biāo)，構(gòu)建出基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理的機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配模型，再結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的熱泵機(jī)組組合情況，篩選出多種可行的組合方案，最終以“優(yōu)中選優(yōu)”的方式獲得年總能耗最小的機(jī)組組合方案。張廷學(xué)[3]以重慶市某商務(wù)區(qū)區(qū)域供能項(xiàng)目為例，對(duì)項(xiàng)目的方案比選、天然氣冷熱電三聯(lián)供聯(lián)合江水源熱泵供能系統(tǒng)的運(yùn)行方案、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行分析，還分析了項(xiàng)目的示范引領(lǐng)作用。司鵬飛[4]通過(guò)建立冷熱電三聯(lián)供聯(lián)合水源熱泵供能系統(tǒng)的主要設(shè)備熱力模型及系統(tǒng)水源側(cè)逐時(shí)進(jìn)水溫度模型，利用相關(guān)規(guī)劃計(jì)算理論，建立符合實(shí)際工況的優(yōu)化配置模型，并結(jié)合相關(guān)工程案例驗(yàn)證優(yōu)化配置模型。張強(qiáng)[5]基于冷熱電三聯(lián)供復(fù)合水源熱泵供能系統(tǒng)，建立復(fù)合供能系統(tǒng)不同工況性能模型，提出復(fù)合供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析方法，并對(duì)復(fù)合供能系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

江水源熱泵供能技術(shù)是一種利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，具有能效比高、節(jié)能低碳等優(yōu)勢(shì)，在沿江城市應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)如重慶江北CBD、上海世博園，上海十六鋪碼頭等工程都采用了該技術(shù)，取得了良好的降耗減排效果。

1 負(fù)荷特性指標(biāo)

在評(píng)價(jià)建筑的用能特性時(shí)，可以結(jié)合建筑的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、電負(fù)荷具有的共性指標(biāo)進(jìn)行，冷、熱、電負(fù)荷會(huì)隨著建筑外部氣象條件及建筑內(nèi)部用能情況實(shí)時(shí)變化，選取典型日的負(fù)荷密度、負(fù)荷率、峰谷差率、負(fù)荷波動(dòng)率及負(fù)荷持續(xù)時(shí)間即日負(fù)荷密度、日負(fù)荷率、日峰谷差率、日負(fù)荷波動(dòng)率、負(fù)荷持續(xù)時(shí)間作為冷、熱、電負(fù)荷的特性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)有較強(qiáng)的代表性。

日負(fù)荷密度是指區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷與建筑面積的比值，日負(fù)荷率是指區(qū)域內(nèi)某日內(nèi)的平均負(fù)荷與最大負(fù)荷的比值，日峰谷差率是指區(qū)域內(nèi)某日內(nèi)最大負(fù)荷與最小負(fù)荷之差與最大負(fù)荷的比值，日負(fù)荷波動(dòng)率是指區(qū)域內(nèi)某日內(nèi)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差與負(fù)荷均值的比值，負(fù)荷持續(xù)時(shí)間指區(qū)域內(nèi)某日內(nèi)負(fù)荷持續(xù)的時(shí)間[6]。

一般情況下，項(xiàng)目的投資經(jīng)濟(jì)性與日負(fù)荷密度、日負(fù)荷率、負(fù)荷持續(xù)時(shí)間成正比，與日峰谷差率、日負(fù)荷波動(dòng)率成反比。

2 建筑負(fù)荷特性分析

2.1 建筑電負(fù)荷特性分析

項(xiàng)目位于重慶江北中央商務(wù)區(qū)核心區(qū)域，主要銀行機(jī)構(gòu)總部、分行及大型企業(yè)總部匯集于此，且周邊負(fù)荷集高檔辦公寫(xiě)字樓、大型商業(yè)體、高檔住宅小區(qū)以及重慶大劇院、重慶科技館等大型公益文化設(shè)施于一體。

該工程項(xiàng)目基于江水源熱泵供冷供熱的總建筑面積為400萬(wàn)m2，項(xiàng)目共有2個(gè)能源站，分3期建設(shè)，其中1號(hào)能源站在最后一期建設(shè)，已在2017年投用。2018年已接入供冷供熱面積約244.38萬(wàn)m2，為江北嘴高檔辦公寫(xiě)字樓、大型商業(yè)體、高檔住宅小區(qū)提供冷熱供應(yīng)服務(wù)；1號(hào)能源站配置18臺(tái)主機(jī)，其中單臺(tái)額定制冷量8 400 kW、額定制熱量8 645 kW的單工況離心式水源熱泵機(jī)組10臺(tái)，單臺(tái)額定制冷量8 545 kW、額定制冰量5 043 kW的雙工況離心式蓄冷冷水機(jī)組8臺(tái)，蓄冰盤(pán)管320臺(tái)，總蓄冷量33萬(wàn) kW·h。冰蓄冷系統(tǒng)利用夜間低價(jià)谷電制冰蓄冷，白天用電高峰時(shí)，進(jìn)行融冰供冷，補(bǔ)充江水源熱泵供冷系統(tǒng)的供冷量，降低直接由江水源熱泵制冷帶來(lái)的高峰時(shí)段電力消耗，降低運(yùn)行成本。

1號(hào)能源站2018年用電情況如圖1所示，全年耗電量約2 200萬(wàn) kW·h，9月是最大用電量月份，尖峰平谷時(shí)段總用電量 375萬(wàn) kW·h，占全年耗電量的17.3%。供冷區(qū)域內(nèi)公共建筑供冷周期為5月中旬到9月中旬，期間可結(jié)合冰蓄冷系統(tǒng)供冷，供冷系統(tǒng)共消納谷段電量713萬(wàn) kW·h，占全年谷電消耗量的81%。供冷期冰蓄冷系統(tǒng)具有良好的削峰填谷效果，供暖期啟動(dòng)江水源熱泵的供熱功能，獨(dú)立承擔(dān)區(qū)域供暖任務(wù)。

圖1 重慶江北CBD基于江水源熱泵的供能系統(tǒng)2018年用電情況

因重慶氣候條件及當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)布局特點(diǎn)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)峰谷負(fù)荷差較大，調(diào)節(jié)手段有限，平均峰谷差率達(dá)到40%。2018年夏季全市供冷所需的用電負(fù)荷最高達(dá)到1 000萬(wàn) kW，提高了電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響(見(jiàn)圖2)。江北CBD江水源熱泵供冷系統(tǒng)，有效利用冰蓄冷系統(tǒng)的削峰填谷供能，可有效降低電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，減少供冷系統(tǒng)耗電量。

圖2 1號(hào)能源站電負(fù)荷曲線

如圖3所示，選擇2018年3月1日、6月1日、9月1日、12月1日四個(gè)典型日期，1號(hào)能源站四個(gè)日期的電負(fù)荷曲線變化趨勢(shì)大致一致，電負(fù)荷主要在8點(diǎn)到20點(diǎn)之間變化，最大負(fù)荷基本上均出現(xiàn)在上午10點(diǎn)。根據(jù)四個(gè)典型日全天電功率數(shù)據(jù)，可計(jì)算出1號(hào)能源站全年日負(fù)荷密度、日負(fù)荷率、日峰谷差率、日負(fù)荷波動(dòng)率和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間負(fù)荷指標(biāo)，如表1所示。日負(fù)荷率、日峰谷差率、日負(fù)荷波動(dòng)率等3項(xiàng)比較類(lèi)指標(biāo)結(jié)果，如圖4所示。

圖3 1號(hào)能源站典型日電負(fù)荷曲線

表1 日電負(fù)荷特性指標(biāo)

圖4 1號(hào)能源站典型日電負(fù)荷比較類(lèi)指標(biāo)

結(jié)合表1和圖4分析可得：日負(fù)荷率在0.377～0.695，6月份最高，12月份最低，分析原因主要是6月份外界氣溫高，所需供冷負(fù)荷最大，12月份是供暖初期，外界氣溫未降至很低，且同一建筑(群)冷負(fù)荷指標(biāo)大于熱負(fù)荷指標(biāo)，故6月份日負(fù)荷率最高；日峰谷差率在0.663～0.978，3月份最高，6月份最低，分析原因主要是3月份為一年中的供冷期與供暖期之間的過(guò)渡期，能源站間歇啟停，6月份夏季氣溫很高，能源站幾乎全天滿負(fù)荷運(yùn)行；日負(fù)荷波動(dòng)率在0.263～0.812，12月份最高，6月份最低；負(fù)荷持續(xù)時(shí)間在11.0～13.0 h；年平均日負(fù)荷率為0.539，年平均日峰谷差率為0.830，年平均日負(fù)荷波動(dòng)率為0.555，年平均負(fù)荷持續(xù)時(shí)間為11.75 h；年平均日負(fù)荷較低，說(shuō)明能源站設(shè)備具有較大的可利用裕度，可以進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)；日峰谷差率較高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)負(fù)荷峰值的潛力較大。

2.2 建筑冷負(fù)荷及熱負(fù)荷特性分析

本文選擇江北CBD區(qū)域供能能源站的1號(hào)能源站及其供能范圍為對(duì)象進(jìn)行區(qū)域負(fù)荷特性的研究。

針對(duì)CBD內(nèi)商業(yè)、酒店、辦公、住宅等四類(lèi)建筑，將負(fù)荷率每隔10%劃分一個(gè)范圍。根據(jù)四類(lèi)建筑的全年冷熱負(fù)荷，分別計(jì)算出各自全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷率，并統(tǒng)計(jì)各負(fù)荷率的分布比例以及公共建筑與住宅在供冷期和供暖期的逐時(shí)負(fù)荷率，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可得：公共建筑的冷負(fù)荷率分布比例曲線符合正態(tài)分布曲線，冷負(fù)荷率為40%～50%的占比最大，約占22%，符合公共建筑每天用能時(shí)間集中，負(fù)荷波動(dòng)較小的規(guī)律，負(fù)荷率為0%～20%及80%～100%的占比接近，均占5%；居住建筑冷負(fù)荷率為10%～20%的占比最大，約占1/3，符合居住建筑白天用能較少，晚上用能較多的規(guī)律；由于酒店的功能屬性，全年中每天用能規(guī)律基本一致，冷熱負(fù)荷率分布比例曲線走向類(lèi)似，酒店熱負(fù)荷率30%～70%占比60%；其他三類(lèi)建筑熱負(fù)荷率為0～10%的占比75%以上，熱負(fù)荷率在10%以上的時(shí)間很少，且隨著熱負(fù)荷率的增加，分布比例逐漸降低。

圖5 各類(lèi)建筑冷熱負(fù)荷率分布比例曲線

針對(duì)上述四類(lèi)建筑，計(jì)算出區(qū)域內(nèi)所有建筑的綜合冷熱負(fù)荷的全年逐時(shí)負(fù)荷率，類(lèi)似于負(fù)荷率的劃分方法，將綜合負(fù)荷率每隔10%劃分一個(gè)范圍，并統(tǒng)計(jì)所有建筑綜合負(fù)荷率的分布比例以及供冷期和供暖期的逐時(shí)負(fù)荷率的分布比例。按照商業(yè)、酒店、辦公、住宅整體為一種建筑類(lèi)型，商業(yè)、酒店、辦公整體為另一種建筑類(lèi)型，結(jié)果如圖6所示。

圖6 江水源熱泵綜合冷熱負(fù)荷率分布比例曲線

分析圖6可得：總體來(lái)看，綜合負(fù)荷的冷熱負(fù)荷率分布較商業(yè)、酒店等單一建筑業(yè)態(tài)的冷熱負(fù)荷率分布更加波動(dòng)；綜合冷熱負(fù)荷率為0～40%的分布比例在60%以上，綜合冷熱負(fù)荷率為70%～100%的分布比例較??；兩種建筑類(lèi)型的綜合冷負(fù)荷率為0～80%的分布比例約為95%，綜合熱負(fù)荷率絕大部分時(shí)間在0～40%；與單一建筑業(yè)態(tài)冷熱負(fù)荷率的分布規(guī)律相比，綜合冷熱負(fù)荷率為0～30%的分布比例最高，綜合冷熱負(fù)荷率為0～20%的分布比例接近1/2，除酒店外，單一建筑業(yè)態(tài)熱負(fù)荷率為0～20%的分布比例在3/4以上，冷負(fù)荷率為0～10%的分布比例僅為1/10。

3 結(jié) 論

本文以重慶江北 CBD 區(qū)域供能工程項(xiàng)目為案例，基于調(diào)研得到的建筑冷、熱、電負(fù)荷數(shù)據(jù)，并進(jìn)行區(qū)域用能特性的研究，分析了區(qū)域日負(fù)荷密度、日負(fù)荷率、日峰谷差率、日負(fù)荷波動(dòng)率、負(fù)荷持續(xù)時(shí)間等負(fù)荷特性評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果顯示：

(1)年平均日負(fù)荷較低，能源站設(shè)備具有較大的可利用裕度，可以進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)；

(2)日峰谷差率較高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)負(fù)荷峰值的潛力較大；

(3)公共建筑的冷負(fù)荷率為40%～50%的占比最大，居住建筑冷負(fù)荷率為10%～20%的占比最大，熱負(fù)荷率為0～10%的占比75%以上；

(4)公共建筑綜合冷熱負(fù)荷率為0～40%的分布比例在60%以上，綜合冷熱負(fù)荷率為0～20%的分布比例接近1/2；

(5)江水源熱泵系統(tǒng)具有較大比例的可平移負(fù)荷。