地源熱泵

“熱泵+”復(fù)合系統(tǒng),未來建筑供熱供冷的重要形式

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(shí)現(xiàn)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(gè)新的高度,制定了很詳細(xì)的推廣熱泵的時(shí)間圖和技術(shù)路線圖。但是熱泵通常的熱源空氣源、地熱源可再生能源以及余熱廢熱,來自于工廠或者一些工業(yè),但是它是有分散性、間歇性和隨機(jī)性,存在源測(cè)熱流密度相對(duì)較低,同時(shí)波動(dòng)大、初投資高等問題。

 

針對(duì)這些問題,我們?cè)趺茨軌蛘业揭恍┢平庵纺??特別是對(duì)一些大型的公共建筑、建筑群,集約化的熱泵應(yīng)用來講,需要我們尋找它的技術(shù)性組合,所以在這里我們?yōu)榱俗畲蠡l(fā)揮熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì),結(jié)合其他能源系統(tǒng)形式,構(gòu)成了以熱泵為機(jī)載的“熱泵+”模式。具體來講,它和誰進(jìn)行復(fù)合呢?可以與太陽能、地?zé)崮?/a>,以及傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t等進(jìn)行復(fù)合,這樣就可以把可再生能源的間歇不穩(wěn)定、能量密度低,以及常規(guī)冷熱源,它有它的特點(diǎn),穩(wěn)定、備份、品位高等特點(diǎn),復(fù)合在一起組成安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的供熱供冷系統(tǒng)。同時(shí)它還可以和電網(wǎng)協(xié)同,這個(gè)優(yōu)勢(shì)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?xì)忮仩t+市政+蓄能,工業(yè)余熱+空氣源熱泵+冷水機(jī)組,同時(shí)還可以是地源和空氣源+蓄能,以及和傳統(tǒng)的熱泵+冷卻塔+蓄能,燃?xì)忮仩t+蓄能,空氣源熱泵+太陽能+蓄能,還有燃?xì)馊?lián)供和以熱泵+組成這樣一個(gè)新的系統(tǒng)。


“熱泵+”復(fù)合系統(tǒng),未來建筑供熱供冷的重要形式-地大熱能

 
所以這樣一些系統(tǒng),在最近幾年里大家很關(guān)注的就是中深層地源熱泵淺層地?zé)崮艿卦礋岜?/a>,把這兩個(gè)中深層、淺層的優(yōu)勢(shì)各自發(fā)揮出來,組合一個(gè)新的系統(tǒng),如果說還可以和傳統(tǒng)的燃?xì)?蓄能結(jié)合,我們可以看有這么幾個(gè)特點(diǎn),把中深層地源熱泵的特點(diǎn)和淺層地源熱泵的特點(diǎn)組合在一起,為嚴(yán)寒地區(qū),特別是北方地區(qū)清潔取暖的實(shí)現(xiàn)提供了一種創(chuàng)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(gè)系統(tǒng)它的特點(diǎn)是什么?我們首先看,一般建筑本體的冷、熱、電負(fù)荷的波動(dòng)很大,利用熱泵+復(fù)合系統(tǒng),可以優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),發(fā)揮子系統(tǒng)和設(shè)備差異化的優(yōu)勢(shì),在不同負(fù)荷頻段發(fā)揮各自的系統(tǒng)特點(diǎn),保持整個(gè)系統(tǒng)都處于高效運(yùn)行的階段。另外它通過控制運(yùn)行策略的調(diào)整,我們也可以進(jìn)一步提高運(yùn)行效率,同時(shí)降低運(yùn)行的費(fèi)用,這個(gè)很多例子可以表明,比如我們熱泵系統(tǒng)承載基載組合,而基載組合占整個(gè)負(fù)荷的80%左右。如果和鍋爐聯(lián)系起來,鍋爐相對(duì)來講投資低,這樣整體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好。
 

另外,可再生能源剛才講了它的不穩(wěn)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(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際進(jìn)行組合,就可以互為補(bǔ)充、互為耦合,保證系統(tǒng)的供熱供冷的可靠性,同時(shí)最大化利用可再生能源,時(shí)間關(guān)系不展開中間具體怎么做。

 

同時(shí)我們?nèi)绻眯钅?,剛才講了產(chǎn)能或者供熱供冷,如果把蓄能結(jié)合在一起,特別是利用電力的峰谷差價(jià),我們可以有效地平衡電網(wǎng),降低整個(gè)供冷供熱系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。這就是熱泵+的組成、熱泵+的特點(diǎn)。這是第一部分。


第二部分,如何把熱泵+系統(tǒng)做好?我們做了一些工作,這個(gè)工作是一種系統(tǒng)化的工作。從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行到優(yōu)化全過程,這個(gè)過程又分很多階段,我們把不同的階段都做了相關(guān)的研究和開發(fā)技術(shù),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(yù)測(cè)建筑的冷熱、電的負(fù)荷,負(fù)荷比較真實(shí)地反映一個(gè)大的建筑群或者一個(gè)小的區(qū)域,比傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法更加準(zhǔn)確,而且更符合實(shí)際。


“熱泵+”復(fù)合系統(tǒng),未來建筑供熱供冷的重要形式-地大熱能

 

第二,我們?cè)谶@個(gè)負(fù)荷的預(yù)測(cè),實(shí)際上方法本身來講是它一個(gè)動(dòng)態(tài)的,我們開發(fā)了一個(gè)冷熱動(dòng)態(tài)負(fù)荷因子數(shù)據(jù)庫和建筑群負(fù)荷的集合尋優(yōu)的工具。在此基礎(chǔ)上做了一個(gè)仿真系統(tǒng),各種系統(tǒng)組合在一起到底誰優(yōu),根據(jù)項(xiàng)目可以做一個(gè)仿真平臺(tái),通過仿真平臺(tái)從設(shè)計(jì)階段講提供一個(gè)最優(yōu)的配置。

 

同時(shí)我們針對(duì)很多可再生能源現(xiàn)場(chǎng)的資源測(cè)試和系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果,還可以反饋回這個(gè)平臺(tái),不斷修正這個(gè)平臺(tái)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。這樣一來,我們就可以更好地利用這些進(jìn)行大型的、區(qū)域的熱泵+系統(tǒng)的規(guī)劃,同時(shí)我們也開發(fā)了一套完整的工具,對(duì)這種復(fù)合系統(tǒng)到底怎么定量地評(píng)價(jià)好與壞,投資省是一方面,運(yùn)行省也是一方面,同時(shí)還有可靠性、環(huán)境友好性等等,通過不同的指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),這里有一套評(píng)價(jià)的方式方法。

 

在運(yùn)行階段,我們通過優(yōu)化工具既可以對(duì)設(shè)計(jì)階段,也可以對(duì)運(yùn)行階段進(jìn)行尋優(yōu),這種尋優(yōu)過程我們也建立了一套軟件,給大型的任務(wù)+系統(tǒng)提供了優(yōu)化的工具。
 
運(yùn)行我們通過分層控制優(yōu)勢(shì),構(gòu)建了這樣一個(gè)復(fù)合式熱泵+系統(tǒng)的控制框架,從上、中、下層進(jìn)行聯(lián)控,達(dá)到一個(gè)系統(tǒng)的按需、精準(zhǔn)、及時(shí)的調(diào)控。同時(shí)針對(duì)這種熱泵+系統(tǒng),通常都要有智慧平臺(tái),數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集、分析和判別。這是第二部分“技術(shù)與優(yōu)化”。
 
在講完了什么是“熱泵+”,我們用什么樣的手段實(shí)現(xiàn)“熱泵+”系統(tǒng),下面結(jié)合一些案例跟大家分享。比如我們?cè)?a href="http://www.qddehua.com.cn/t/濟(jì)寧.html" >濟(jì)寧文化中心已經(jīng)建成的近30萬平米的建筑群,包括圖書館、博物館、群眾藝術(shù)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(tǒng)給整個(gè)建筑群做了一套供熱供冷系統(tǒng),當(dāng)然它是以地源熱泵系統(tǒng)作為機(jī)載,滿足了全年的供暖供熱需求,這個(gè)項(xiàng)目獲得了中國(guó)建筑協(xié)會(huì)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的一等獎(jiǎng)。
 

濟(jì)寧文化中心這個(gè)項(xiàng)目有很多具體的參數(shù),簡(jiǎn)單講,地源熱泵的參數(shù)我們得到了巖土體的綜合導(dǎo)熱系數(shù)2.83W/(m.K),我們做了2700個(gè)雙U型的換熱孔,孔深120m,間距5m,包括對(duì)它的負(fù)荷進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)判。設(shè)備也是用了不同的組合,包括用了離心式熱泵機(jī)組和螺桿式機(jī)組進(jìn)行組合。效果是什么情況?這個(gè)已經(jīng)應(yīng)用了四年,我們進(jìn)行了全年的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)的,監(jiān)測(cè)的結(jié)果整個(gè)“熱泵+”系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)達(dá)到3.6,系統(tǒng)的制冷系數(shù)達(dá)到4.4,明顯高于國(guó)內(nèi)平均水平。

 

第二個(gè)項(xiàng)目再介紹一下我們做了多年的曲阜市人民醫(yī)院,醫(yī)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?xì)忮仩t+太陽能組合的一套分布式的系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)總冷負(fù)荷9000千瓦,總熱負(fù)荷8500千瓦,這個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行大概有六年了,我們也獲過相關(guān)的獎(jiǎng)項(xiàng)。這里主要講的是優(yōu)化,我們通過前面講的優(yōu)化工具和手段,如果進(jìn)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(dāng)時(shí)是受限的,所以投資為最低是當(dāng)時(shí)業(yè)主投資的要求,所以優(yōu)化的軟件是可以把目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整的,這樣下來它的可再生能源利用率可以達(dá)到近25%,夏季的運(yùn)行費(fèi)用12塊錢,冬季的運(yùn)行費(fèi)用11塊錢左右,這個(gè)和前面不一樣,因?yàn)橥顿Y方需要的是投資最少。


“熱泵+”復(fù)合系統(tǒng),未來建筑供熱供冷的重要形式-地大熱能

 
不同的優(yōu)化是不一樣的,如果以系統(tǒng)的全生命期為最低目標(biāo),地源熱泵占比67%,如果以系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)最省,地源熱泵系統(tǒng)未必最多,它可以提升,所以不同的系統(tǒng)組合它的結(jié)果是不一樣的。具體怎么做的呢?選了三臺(tái)離心機(jī)組,兩臺(tái)冷卻塔,兩臺(tái)燃?xì)忮仩t,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(xiàn)場(chǎng)。
 

它的系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果不光都是設(shè)計(jì)完成,它的冷源的能效比達(dá)到4.92,這個(gè)效果是相當(dāng)不錯(cuò)的,在大型的以熱泵+為主的系統(tǒng)中,取得了良好的效果。通過計(jì)算和運(yùn)行來進(jìn)行比較,我們也可以看,事先做的這種優(yōu)化模擬計(jì)算和最后的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本在7%~8%的誤差,所以說這個(gè)從設(shè)計(jì)、優(yōu)化到運(yùn)行是相互吻合的,所以這個(gè)互補(bǔ)的多能源的系統(tǒng)是比較成功的應(yīng)用,但是它又滿足了業(yè)主投資最省,否則還有其他的優(yōu)化目標(biāo)。


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(shè)什么樣的系統(tǒng)?最后采取的方案也是熱泵+系統(tǒng),當(dāng)時(shí)按照黨中央、國(guó)務(wù)院的要求,要求可再生能源利用率40%以上,在七、八年前要達(dá)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(shí)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(tǒng),到今天我們?cè)倏吹竭@套系統(tǒng)不一定是最佳的,很多情況發(fā)生了改變。副中心這樣一個(gè)系統(tǒng)是怎么組成?熱源系統(tǒng)通過地源熱泵為機(jī)載,再加上市政熱力,這樣可以用市政熱力進(jìn)行調(diào)峰,這樣比較好地組合成熱源系統(tǒng)。
 
冷源系統(tǒng)是地源熱泵+常規(guī)低溫型冷水機(jī)組,主要是為了蓄冰,用峰谷差價(jià)來實(shí)現(xiàn),大型副中心的建筑群用的是這些系統(tǒng),應(yīng)該說也是一個(gè)大膽的嘗試,但是也有一點(diǎn)遺憾,整個(gè)前期的方案是我們做的,但是后來真正實(shí)施這個(gè)方案和我們做的規(guī)劃方案差異比較大,在這里不好講,因?yàn)楦鞣N原因。
 
怎么實(shí)現(xiàn)城市副中心的?我們也通過一些科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?,包括做?shí)驗(yàn)孔,做方案得到相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
 
第四個(gè)項(xiàng)目講講我們自己這個(gè)樓。這個(gè)樓完完整整地實(shí)現(xiàn)地源熱泵+太陽能+吸收式制冷來實(shí)現(xiàn)的熱泵+的供熱供冷系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)是近零耗建筑,建筑物并不大,但是系統(tǒng)應(yīng)用是多方面組合的,包括其他方面的,包括光伏也在應(yīng)用,但不是供熱供冷用的。集熱器也有很多種,這也帶有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的,我們可以看到不同的冷熱源的貢獻(xiàn)比例不一樣。平均下來,到今天為止八年了,平均建筑運(yùn)行能耗,所有用能加起來是34.2,從目前我見到的國(guó)內(nèi)類似的示范建筑里面,它的運(yùn)行能耗應(yīng)該講是最低的之一,而且我們這里還有一個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房也在里面。具體還有一些其他的設(shè)計(jì),從被動(dòng)式技術(shù)到末端的選擇等等,這個(gè)就不展開了。
 
還有一個(gè)針對(duì)我們夏熱冬冷地區(qū),比如貴州中天?未來方舟,這個(gè)項(xiàng)目很大,800萬平方米,我們是方案的咨詢方,實(shí)施者是中國(guó)節(jié)能環(huán)保集團(tuán),他們董事長(zhǎng)在全國(guó)兩會(huì)上多次提到這樣一個(gè)低碳的系統(tǒng),這里我簡(jiǎn)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(dāng)做了些燃?xì)忮仩t做補(bǔ)充,這樣一個(gè)系統(tǒng)。
 

貴州冬天非常濕冷,這種濕冷在中國(guó)獨(dú)一無二,這個(gè)地區(qū)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(gè)系統(tǒng)通過大量河水源做機(jī)載,我們也做了一些相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)試,包括河水溫度的變化、河水的流量等等。這個(gè)運(yùn)行項(xiàng)目已經(jīng)有好幾年了,通過整個(gè)這幾年的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來看,河水源熱泵系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行工況可以達(dá)到5.15的能效比,整個(gè)如果加起來,我們可以看到供暖季的平均COP4.1,這都是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的結(jié)果,真實(shí)的數(shù)據(jù)。


“熱泵+”復(fù)合系統(tǒng),未來建筑供熱供冷的重要形式-地大熱能

 

另外講一個(gè)我們正在做的,還沒有在實(shí)施的,也是一個(gè)“熱泵+”的系統(tǒng),今天面對(duì)低碳、零碳的這樣一個(gè)發(fā)展目標(biāo),它也是一個(gè)地源熱泵+蓄能+常規(guī)的冷熱水機(jī)組,這個(gè)面積也很大,近140萬平方米,具體來講它有一些配置,時(shí)間關(guān)系不展開了。

 

在嚴(yán)寒地區(qū),比如在東北,我們?cè)?a href="http://www.qddehua.com.cn/t/長(zhǎng)春.html" >長(zhǎng)春有一個(gè)中韓國(guó)際示范區(qū),也用“熱泵+”的復(fù)合模式,這在嚴(yán)寒地區(qū)是一個(gè)大膽的嘗試。
 
未來建筑的供熱供冷形式,其中重要形式之一是“熱泵+”的復(fù)合系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)為什么是?除了多能互補(bǔ)、優(yōu)化配置、平衡投資和運(yùn)行成本之外,主要縱向上是“熱泵+”與電網(wǎng)交互,降低運(yùn)行成本,同時(shí)還可以消納可再生能源。所以從橫、縱兩項(xiàng)來比較的話,推動(dòng)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(fā)展方向,“熱泵+”系統(tǒng)是多贏的,可以實(shí)現(xiàn)清潔化,同時(shí)還可以和電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同,當(dāng)然要想做好“熱泵+”系統(tǒng)仍然要堅(jiān)持做好因地制宜的原則,才能讓經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境多方面共同得到保障和發(fā)展。