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    能源总线系统控制方式研究

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-02-01

    天津大学建筑学院 刘魁星
    辽宁工程技术大学土木工程学院 张家熔
    上海同济城市规划设计研究院 王培培
    同济大学 龙惟定

           【摘   要】能源总线系统是集成化规模化应用区域内的可再生能源及未利用能源等低品位能源的多源多用户能源系统。采用系统仿真模拟的方法,针对能源总线系统的运行控制策略进行详细分析,以多源系统控制策略为例,详细介绍了地源和冷却塔串联型式及并联型式的能源总线系统控制策略的研究,并结合具体案例进行详细分析,提出了8种不同的控制策略。得到多源系统在不同控制策略下的运行规律,为能源总线系统的控制策略确定提供了理论支撑。

           【关键词】能源总线系统;系统仿真;多源系统;控制策略;运行规律

    0 引言

           能源总线系统(Energy Bus System),是一种集成应用区域内的可再生能源及未利用能源的区域冷热能源系统,通过集中的区域管网,将冷却水或者热媒水输送到用户末端的制冷或热泵机组[1],如图1。能源总线系统以热泵机组作为区域供冷供热的主要设备,其中既包括以浅层地热能为低位热源的土壤源热泵,也包括以地下水和地表水为低位热源的地下水源热泵和地表水源热泵。通过作为能量提升装置的热泵,冬季将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖,同时蓄冷量于地下以备夏季使用;夏季将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行供冷,同时蓄存热量以备冬季使用[2] [3] [4]


    图1 能源总线系统示意图

           Yavuzturk和Spitler [5]针对一栋小型办公建筑,采用短时间步长温度响应因子(g-function)埋地盘管模型,以 TRNSYS 为模拟平台,用系统模拟的方法给出了冷却塔—土壤源热泵系统(串联式)的三种运行控制策略,并比较了各种控制策略的优缺点。Sankaranarayanan. K. P. [6]在 EnergyPlus 软件中进行了混合系统建模,并通过 Yavuzturk的数据进行了模型的验证。Xiaowei X. [7]通过模拟手段寻求混合系统最优控制策略。谢鹏,徐菱虹,胡平放[8]以一栋办公楼为实例,建立以温差为参数的控制策略,在此基础上从几方面对系统优化做了分析和探讨。 Enyu W和Alan S [9]土壤源与太阳能联合运行系统,在Trnsys上建模分析系统性能和控制方式。Gang W和Wang J [10]使用神经网络技术建立模型,预测混合系统出水温度,从而指导混合系统控制策略。目前多是针对单源系统控制策略的研究,对于多源系统的控制策略研究相对较小。本文将多源系统与能源总线系统相结合,采用系统仿真的方法,主要研究多源能源总线系统的控制策略,为能源总线系统的控制策略提供了理论支撑。

    1 能源总线单源系统控制策略研究

           1.1 单点源型式

           单点源型式的能源总线系统控制策略主要体现在水泵的控制上,即根据末端负荷的变化调节循环泵,使总线适应负荷变化,此时主循环泵建议采用变频泵,根据供回水干管压差进行水泵转速的调节。此种型式的系统总线循环采用变流量运行,末端用户机组定流量运行。

           1.2 多点源型式

           多点源型式的能源总线系统控制主要体现在部分负荷的分配上。比如有多处地源埋管系统,同时功能,且不同地源埋管所承担的容量不同。研究表明[11]在多处地源换热器始终同时运行,且流量比例与各自承担的容量比例相同时,源侧总出水温度(冬季工况)在不同的工况下都是最高的,这样在设定相同机组进水温度的前提下,机组总出力是最大的,能效COP也是最高的。按照此方式运行,地源的热量得到了分散而充分的利用,如果部分负荷时,只利用了一处或两处地源,则使得空闲出来的地源没有得到充分利用。在能源总线系统设计中,所有地源同时满负荷运行时是设计工况,宝贵的地源是不会设计备用模式的,末端用户对于源侧温度的敏感和依赖度大于流量的变化,因此在能源总线系统中充分利用所有地源的热量是较好的运行策略。

    2 能源总线多源系统控制策略研究

           不同种类热源型式的能源总线系统控制主要体现在不同类型的热源投入运行方式和不同工况下的优化调度。总体上要遵循两个原则,第一充分考虑热累计对于环境的影响,即对于如地源埋管类的热源考虑全年吸放热量的平衡;第二充分利用自然条件,如有冷却塔的配置充分利用室外温度。无论多种热源型式之间的连接方式是串联还是并联,对于每种热源而言,通常都有以下几种控制策略,见表1,多源能源总线系统的控制策略就是几种热源控制方式的组合。

    表1 能源总线系统的热源控制策略

           2.1 地源+冷却塔串联型式的能源总线系统控制策略研究

           地源+冷却塔串联型式的能源总线系统设计用仿真模型如图2。地源+冷却塔型式的能源总线系统控制策略通常有以下几种,见表2。具体策略执行方式见下面说明。

    表2 地源埋管+冷却塔型式能源总线系统的控制策略

           控制策略1:地源埋管换热器与冷却塔始终运行,总线按照末端需要流量进行变化。串联系统中,地源埋管换热器与冷却塔流量始终保持最大可能;并联系统中,地源埋管换热器与冷却塔始终按照设计工况流量比例运行。

           控制策略2:地源埋管换热器始终运行,总线按照末端需要流量进行变化,冷却塔运行状态按照设定的负荷率Q%确定。当系统负荷率Q%超过设定值时,冷却塔启动。串联系统中,冷却塔一旦启动,就按照可能的最大流量运行;并联系统中,冷却塔一旦启动,就按照与地源埋管换热器设计工况流量比例运行。

           控制策略 3:地源埋管换热器始终运行,总线按照末端需要流量进行变化,冷却塔运行状态按照总线进入末端用户设定水温Ts-in确定。当水温超过设定高值Ts-in-high时,冷却塔启动。串联系统中,冷却塔一旦启动,就按照可能的最大流量运行;并联系统中,冷却塔一旦启动,就按照与地源埋管换热器设计工况流量比例运行。冷却塔启动后,当水温降低至设定低值Ts-in-low时,关闭冷却塔。

           控制策略 4:地源埋管换热器始终运行,总线按照末端需要流量进行变化,冷却塔运行状态按照进入末端用户水温Ts-in与室外空气湿球温度Twb差值△T确定。设定水温Ts-in与室外空气湿球温度Twb差值大于△T时,冷却塔启动。串联系统中,冷却塔一旦启动,就按照可能的最大流量运行;并联系统中,冷却塔一旦启动,就按照与地源埋管换热器设计工况流量比例运行。冷却塔启动后,当水温Ts-in与室外空气湿球温度Twb差值降低至△Tl时,关闭冷却塔。

           控制策略 5:地源埋管换热器始终运行,总线按照末端需要流量进行变化,冷却塔运行状态按照土壤平均温度Tground确定。设定土壤平均温度Tground较初始值Tground-0升高△Th时,冷却塔启动。串联系统中,冷却塔一旦启动,就按照可能的最大流量运行;并联系统中,冷却塔一旦启动,就按照与地源埋管换热器设计工况流量比例运行。冷却塔启动后,当土壤平均Tground恢复至初始值Tground-0加△Tl时,关闭冷却塔。

           控制策略 6:冷却塔始终运行,总线按照末端需要流量进行变化,地源运行状态按照设定的负荷率Q%确定。当系统负荷率Q%超过设定值时,地源启动。

           控制策略 7:冷却塔始终运行,总线按照末端需要流量进行变化,地源运行状态按照总线进入末端用户设定水温Ts-in确定。当水温超过设定高值Ts-in-high时,地源启动。地源启动后,当水温降低至设定低值Ts-in-low时,关闭地源换热器。

           控制策略 8:设定地源埋管换热器和冷却塔各自的运行时间,并在规定的时间域内启动。

           以上控制策略 2、3、4、5 的目的在于通过一种方式控制冷却塔的启停。当系统处于部分负荷时,若冷却塔启动,总线水进入用户温度降低,末端机组功率降低,但是由于冷却塔的启动会带来风机和循环水泵的功耗增加,因此,此时的最优控制实质是两者之间的平衡最佳点,即功率之和最小。每一种控制策略的设定值不同,同样会影响冷却塔的开启时间,也会带来功率的不同。例如,控制策略 2,设定负荷率Q%高,冷却塔开启时间短,风机和循环泵功率降低,但是总线系统出水温度升高,机组功率增加。在这几种控制策略下,地源部分是一直处于运行状态的,地源累计换热量ΣQground-max是最大的。

           控制策略 6、7 的目的在于控制地源的使用时间。同样,地源启动会降低总线水出水温度从而减少末端机组功率,但是也会造成循环泵功率增加。在这几种控制策略下,冷却塔是一直处于运行状态的,地源部分累计换热量ΣQground-min是最小的。

           相比之下,对于串联系统而言,控制策略 1 是风机和循环泵功率最大的控制方式,同时总线逐时的出水温度也是最低的,末端机组的功率是最小的。而控制策略 8不同的时间安排导致不同的地源累计换热量,这两种控制策略下,地源部分累计换热量在ΣQground-max和ΣQground-min之间。

           现假定区域设计冷负荷为1596 kW,TMW840机组运行7台制冷量237×7kW[11]。选择上海地区7、8月的气象参数进行系统运行分析,运行时间为每天9:00-22:00,末端冷负荷按照图 3进行的模型模拟,总线设变频循环泵,设定热源距离末端用户距离为500m,管段的设计比摩阻按照150Pa/m计算。分析不同运行策略对于系统参数的影响。


    图2 地源+冷却塔串联型式的能源总线系统设计用仿真模型

    图3 地源+冷却塔能源总线系统控制策略研究用日负荷模型

           分别选择控制策略1、2、7进行模拟分析。模拟结果表明,采用运行策略1进行系统控制,在模拟时间段内系统总COPsys为4.1。采用运行策略7时,若设定总线进入末端用户水温超过Ts-in-high=30℃时,地源启动;地源启动后,当水温降低至设定低值Ts-in-low=25℃时,关闭地源换热器。在模拟时间段内系统总COPsys为4.0。

           串联系统采用运行策略2,设定不同的控制负荷率Q%会得到不同的运行结果,见图4、图5、图6。可以看出随着控制负荷率Q%的增大,累计输送功率变小,但是累计机组功率变大。这是由于控制负荷率Q%的增大导致冷却塔运行时间缩短末端机组进水温度升高造成的。寻找最优化控制负荷点,即寻找两者之和最小的点。图4是串联系统控制策略2下不同控制负荷率情况下累计末端机组功率、累计输送功率以及总功率的对比图,可见采用运行策略2设定控制负荷率为40~50%时,系统累计总功率最小,即最节能。


    图4 串联系统控制策略2不同开启负荷率时系统功率对比

           图5可以看出,随着控制负荷率Q%的增大,冷却塔运行时间减少,因此冷却塔累计换热量减小。


    图5 串联系统控制策略2不同开启负荷率时系统换热量对比

           图6所示为控制策略2下采用不同控制负荷率Q%时的串联系统COPsys对比图。上面的分析可以看到,不同策略下能源总线系统的各个热源运行时间是不同的。面对诸如地源埋管换热器这种形式的热源,在设定控制策略的时候不止要考虑系统运行能耗,也要注意整个运行周期(至少一年)内系统对环境的吸放热影响,要充分考虑系统吸放热量的平衡。


    图6 串联系统控制策略2不同开启负荷率时系统COPsys对比

           2.2 地源+冷却塔并联型式的能源总线系统控制策略研究

           地源+冷却塔并联型式的能源总线系统设计用仿真模型如图7。根据表1中地源+冷却塔型式的能源总线系统控制策略,分析不同控制策略对并联型式的能源总线系统影响。与串联系统一样,分别选择控制策略1、2、7进行模拟分析。模拟结果表明,采用运行策略1进行系统控制,在模拟时间段内系统总COPsys为4.1。采用运行策略7时,若设定总线进入末端用户水温超过Ts-in-high=30℃时,地源启动;地源启动后,当水温降低至设定低值Ts-in-low=25℃时,关闭地源换热器。在模拟时间段内系统总COPsys为4.1。

           并联系统采用运行策略 2,设定不同的控制负荷率Q%会得到不同的运行结果,见图8、图9、图10。可以看出随着控制负荷率Q%的增大,累计输送功率变小,但是累计机组功率变大。这是由于控制负荷率Q%的增大导致冷却塔运行时间缩短末端机组进水温度升高造成的。寻找最优化控制负荷点,即寻找两者之和最小的点。图 8是并联系统控制策略 2 下不同控制负荷率情况下累计末端机组功率、累计输送功率以及总功率的对比图,可见采用运行策略2设定控制负荷率为40~50%时,系统累计总功率最小,即最节能。


    图7 地源+冷却塔并联型式的能源总线系统设计用仿真模型

    图8并联系统控制策略2不同开启负荷率时系统功率对比

           图9可以看出,随着控制负荷率Q%的增大,冷却塔运行时间减少,因此冷却塔累计换热量减小。


    图9 并联系统控制策略2不同开启负荷率时系统换热量对比

           图10所示为控制策略2下采用不同控制负荷率Q%时的并联系统COPsys对比图。


    图10 并联系统控制策略2不同开启负荷率时系统COPsys对比

           以上分析可以知道,优化的控制策略可以提高系统的能效比,减少系统运行功率。无论是串联系统还是并联系统,都必须通过详细的仿真分析,找到最优化的控制策略。

    3 结语

           能源总线系统是多源多用户系统,选用了低品位能源与可再生能源,由于这些能源本身的特性决定了能源总线系统设计的特殊性。针对能源总线系统的运行控制策略进行分析,采用系统仿真的方法,分单源能源总线系统和多源型式的能源总线系统分别进行研究,着重分析多源能源总线系统控制策略研究。得到不同型式的系统在不同控制策略下的运行规律,为能源总线系统的控制策略确定提供了理论支撑。

    参考文献

           [1] 龙惟定.低碳城市的区域建筑能源规划[M].北京:中国建筑工业出版社.2011:254-255.
           [2] 王培培,龙惟定,白玮.能源总线系统研究—半集中式区域供冷供热系统[J].湖南大学学报(自然科学版),2009, 36(12):137-141.
           [3] Wang P P, Long W D.Research on energy consumption of regional distributed heat pump energy bus system[J]. Advanced Materials Research, 2012, 374-377:425-429.
           [4]王培培,龙惟定.小型能源总线系统全年动态热力性能仿真分析[J].制冷学报,2015,36(2):59-64.
           [5] Yavuzturk C, Spitler J D. Comparative study of operating and control strategies for hybrid ground source heat pump systems using a short time step simulation model[J]. ASHRAE Transactions,2000,106 (2):192-209.
           [6] vuzturk C, Spitler J D. A short time step response factor model for vertical ground loop heat exchangers[J]. ASHRAE Transactions,1999,105(2):475-48.
           [7] Sankaranarayanan. K. P. Modeling verification and optimization of hybrid ground source heat pump systems in energyplus[M].Oklahoma: Oklahoma State University,2005.
           [8] Xiaowei X. Simulation and optimal control of hybrid ground source heat pump systems[D]. Oklahoma: Oklahoma State University,2007.
           [9] Enyu W, Alan S. Fungb, Chengying Q. Performance prediction of a hybrid solar ground-source heat pump system[J]. Energy and Buildings,2012,(47):600-611.
           [10]谢鹏,徐菱虹.混合式地源热泵系统不同控制策略的分析与比较[J].暖通空调,2009,39(3):110-114.
           [11]王培培.区域集散式热泵能源总线系统性能研究[D].上海:同济大学,2015:137-141.

           备注:本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会(2018年10月23~27日,中国·三门峡)论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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