0 引言
储热技术的引入不仅可解决地热供暖供需不匹配问题,提高地热能利用率,同时还可充分利用分时电价政策降低地热供暖系统的运行成本。KYRIAKIS等[3]针对中深层地热供热系统供需不平衡的情况,提出引入储热水箱在低负荷时进行储热、高负荷时替代调峰能源的方案,结果表明优化后的系统供暖成本下降14.9%,碳排放量减少54.2%。王含等[4]对比了多能互补式和水罐储热式两种地热供暖系统的经济性,结果表明水罐储热比多能互补式系统初投资减少14.6%、运行成本降低7.1%、费用年值降低9.9%,经济性更优。MANENTE等[5]对比了意大利Ferrara地区热网系统改造添加储热系统后与改造前的运行数据,结果表明储热系统结合分时优化控制可使系统能耗节约11%。郭啸峰等[2]对应用于咸阳某公共建筑的储热式地热供暖系统进行分析,表明采用水作为储热材料时最佳储热比例为42.2%,可使财务内部收益率增加10.87%。郑新等[6]设计了潮汐式地热能储能供热调峰系统,指出较地热 + 天然气调峰方案,潮汐式方案经济效益明显更优,具有较好的推广前景。
然而,引入储热装置将增加地热供暖系统的投资与维护成本,在一定程度上导致其发展受限制,因此降低成本是储热式地热供暖系统当前亟须解决的重要问题。系统优化设计是降低成本的主要途径之一。目前关于储热式地热供暖系统的优化大多为针对设备选型或运行策略的单目标优化,未考虑设备选型对运行策略的影响,难以保证结果最优。此外,碳排放是当前全社会重点关注问题之一,但关于储热式地热供暖系统碳排放的研究尚不多见。
以位于河北省沧州地区的某办公建筑为研究对象,构建了配备储热水箱的储热式地热供暖系统,以综合成本、地热能利用率及碳排放量为优化目标,对系统设备选型及运行策略开展协同优化设计,以期为地热供暖系统的设计提供技术支持。
1 系统简介
目前应用较多的地热供暖系统主要由一级板式换热器（板换）、二级板换、水源热泵机组（热泵）以及地热井潜水泵等设备组成,后文简称基准系统。本文提出的储热式地热供暖系统是在上述基准系统的基础上引入储热水箱,其系统流程如图1所示,其中地热水经一级板换放热后直接为建筑供热,经二级板换放热再由热泵机组升温后为建筑供热;运行过程中,当系统供热功率大于建筑采暖热负荷需求时,多余热量将存储于储热水箱中并于适当时刻放热为建筑供热。
Fig. 1 Schematic of geothermal heating system with thermal storage图1 储热式地热供暖系统流程图 |
2 数学模型
2.1 目标函数
经济性是制约储热式地热供暖系统推广应用的
主要影响因素;此外,地热能利用率及碳排放量亦是系统设计阶段不可忽视的重要指标。因此本文以综合成本、地热能利用率及碳排放量作为优化目标。
然而,以上三者皆为独立的评价指标,难以同时实现最优,因此本文以上述评价指标各占一定权重的综合性能指标作为优化目标,具体表达式如下：
$\begin{align} & Z={{\gamma }_{1}}\frac{{{C}_{\text{BS}}}-{{C}_{i}}}{{{C}_{\text{BS}}}}+{{\gamma }_{2}}\frac{{{G}_{i}}-{{G}_{\text{BS}}}}{{{G}_{\text{BS}}}}+ \\ & {{\gamma }_{3}}\frac{{{E}_{\text{BS}}}-{{E}_{i}}}{{{E}_{\text{BS}}}} \end{align}$ (1)
${{\gamma }_{1}}+{{\gamma }_{2}}+{{\gamma }_{3}}=1$ (2)
式中：C为综合成本,元;G为日均地热能利用率,%;E为碳排放量,kg;BS代表基准系统（benchmark system）;${{\gamma }_{1}}$为综合成本权重系数;${{\gamma }_{2}}$为地热能利用率权重系数;${{\gamma }_{3}}$为碳排放量权重系数。
上述评价指标权重系数可通过判断矩阵法确定[7],其中取综合成本作为1级指标,地热能利用率作为2级指标,碳排放量作为3级指标。判断矩阵如下：
$J\text{=}\left[ \begin{matrix} 1 & 3 & 5 \\ \frac{1}{3} & 1 & 3 \\ \frac{1}{5} & \frac{1}{3} & 1 \\\end{matrix} \right]$ (3)
经处理后得到各权重系数${{\gamma }_{1}}$ = 0.637 0、${{\gamma }_{2}}$ = 0.258 3、${{\gamma }_{3}}$ = 0.104 7。
（1）综合成本
综合成本包括系统年初投资成本、年维护成本以及运行成本,具体表达式如下：
$C=\left( \frac{\Omega }{{{\Omega }^{\text{ann}}}} \right)\cdot \left( C_{\text{I}}^{\text{ann}}+C_{\text{M}}^{\text{ann}} \right)+\sum\limits_{t}^{\Omega }{C_{\text{O}}^{t}}$ (4)
式中：$C_{\text{I}}^{\text{ann}}$为系统年初投资成本,元/年;$C_{\text{M}}^{\text{ann}}$为系统年维护成本,元/年;$C_{\text{O}}^{t}$为t时刻系统运行成本,元;Ω为模拟周期,h;Ωann为年供暖时长,h。
系统年初投资成本为板换、热泵以及储热水箱的年初投资成本之和,表达式如下：
$C_{\text{I}}^{\text{ann}}={{\eta }_{\text{CRF}}}\cdot {{C}_{\text{TCI}}}$ (5)
${{\eta }_{\text{CRF}}}\text{=}\frac{i{{\left( 1+i \right)}^{n}}}{{{\left( 1+i \right)}^{n}}-1}$ (6)
$\begin{align} & {{C}_{\text{TCI}}}={{c}_{\text{HEX}}}\left( {{A}_{\text{HEX1,rated}}}\text{+}{{A}_{\text{HEX2,rated}}} \right)\text{+} \\ & {{c}_{\text{HP}}}{{Q}_{\text{HP,rated}}}+{{c}_{\text{TES}}}{{V}_{\text{TES,rated}}} \end{align}$ (7)
式中：${{\eta }_{\text{CRF}}}$为资本回收系数;${{C}_{\text{TCI}}}$为设备总初投资成本,元;i为基准收益率;n为系统运行周期,年;${{c}_{\text{HEX}}}$为板换单价,元/m2;${{c}_{\text{HP}}}$为热泵机组单价,元/kW;${{c}_{\text{TES}}}$为储热水箱单价,元/m3;${{A}_{\text{HEX1,rated}}}$和${{A}_{\text{HEX2,rated}}}$分别为一级板换和二级板换换热面积,m2;${{Q}_{\text{HP,rated}}}$为热泵机组额定热功率,kW;${{V}_{\text{TES,rated}}}$为储热水箱容积,m3。
系统年维护成本与设备总初投资成本有关,表达式如下：
$C_{\text{M}}^{\text{ann}}={{\eta }_{\text{M}}}\cdot {{C}_{\text{TCI}}}$ (8)
式中：${{\eta }_{\text{M}}}$为维护成本系数。
系统运行成本包括购电成本以及地热水资源费,具体表达式如下：
$\sum\limits_{t}^{\Omega }{C_{\text{O}}^{t}}\text{=}\sum\limits_{t}^{\Omega }{\left( c_{\text{ele}}^{t}\cdot P_{\text{tot,ele}}^{t}\text{+}3.6{{c}_{\text{geo}}}m_{\text{geo}}^{t} \right)}\cdot \Delta t$ (9)
$P_{\text{tot,ele}}^{t}\text{=}P_{\text{pp,ele}}^{t}+P_{\text{HP,ele}}^{t}+P_{\sec \text{,ele}}^{t}+P_{\text{mid,ele}}^{t}+P_{\text{TES,ele}}^{t}$ (10)
式中：$c_{\text{ele}}^{t}$为t时刻市售电价,元/(kW∙h);cgeo为地热水资源费,元/t;$P_{\text{tot,ele}}^{t}$为t时刻系统总耗电功率,kW;$P_{\text{pp,ele}}^{t}$为t时刻潜水泵耗电功率,kW;$P_{\text{HP,ele}}^{t}$为t时刻热泵机组耗电功率,kW;$P_{\sec \text{,ele}}^{t}$为t时刻二次水主泵耗电功率,kW;$P_{\text{mid,ele}}^{t}$为t时刻中间循环泵耗电功率,kW;$P_{\text{TES,ele}}^{t}$为t时刻储热循环泵耗电功率,kW;$m_{\text{geo}}^{t}$为t时刻地热水流量,kg/s;$\Delta t$为模拟时间步长,h。
（2）日均地热能利用率
储热式地热供暖系统日均地热能利用率计算式如下：
$G=\frac{\sum\limits_{t}^{\Omega }{\frac{{{T}_{\text{geo}}}-T_{\text{HEX2,geo,out}}^{t}}{{{T}_{\text{geo}}}-{{T}_{\text{ave}}}}}}{\Omega }$ (11)
式中：${{T}_{\text{geo}}}$为地热水温度,℃;$T_{\text{HEX2,geo,out}}^{t}$为t时刻二级板换出口地热水温度,℃;${{T}_{\text{ave}}}$为沧州地区室外平均干球温度,℃。
（3）碳排放量
储热式地热供暖系统碳排放量包括网电CO2排放以及地热水开采利用导致的CO2排放,具体表达式如下：
$E=\sum\limits_{t}^{\Omega }{\left( P_{\text{tot,ele}}^{t}\cdot {{\gamma }_{\text{carbon,ele}}}+Q_{\text{geo}}^{t}\cdot {{\gamma }_{\text{carbon,geo}}} \right)}\cdot \Delta t$ (12)
式中：${{\gamma }_{\text{carbon,ele}}}$为网电的CO2排放因子,kg/(kW∙h);${{\gamma }_{\text{carbon,geo}}}$为地热水开采利用的CO2排放因子,kg/(kW∙h);$Q_{\text{geo}}^{t}$为t时刻地热出力,kW。
2.2 设备模型
（1）板换模型
板换模型具体表达式如下：
$\left\{ \begin{align} & Q_{\text{HEX,out}}^{t}={{U}_{\text{HEX}}}{{A}_{\text{HEX,rated}}}\Delta T_{\text{HEX}}^{t} \\ & Q_{\text{HEX,out}}^{t}=m_{\text{geo}}^{t}{{c}_{p}}\left( T_{\text{HEX,geo,in}}^{t}-T_{\text{HEX,geo,out}}^{t} \right) \\ & Q_{\text{HEX,out}}^{t}=m_{\text{HEX,sec}}^{t}{{c}_{p}}\left( T_{\text{HEX,sec,out}}^{t}-T_{\text{HEX,sec,in}}^{t} \right) \\ \end{align} \right.$ (13)
式中：$Q_{\text{HEX,out}}^{t}$为t时刻板换输出功率,kW;${{U}_{\text{HEX}}}$为板换总传热系数,kW/(m2∙℃);${{A}_{\text{HEX,rated}}}$为板换面积,m2;$\Delta T_{\text{HEX}}^{t}$为t时刻板换对数平均温差,采用算术平均值近似,℃;${{c}_{p}}$为水的定压比热容,kJ/(kg∙℃);$T_{\text{HEX,geo,in}}^{t}$与$T_{\text{HEX,geo,out}}^{t}$分别为t时刻板换地热水进、出口温度,℃;$m_{\text{HEX,sec}}^{t}$为t时刻板换二次水流量,kg/s;$T_{\text{HEX,sec,in}}^{t}$与$T_{\text{HEX,sec,out}}^{t}$分别为t时刻板换二次水进、出口温度,℃。
（2）热泵机组模型
热泵机组模型可通过性能系数估算公式进行简化[8],如下所示：
$\begin{align} & \text{COP}_{\text{design}}^{t}=7.07249+0.006662{{T}_{\text{sf}}}- \\ & 0.120979\Delta T \end{align}$ (14)
式中：$\text{COP}_{\text{design}}^{t}$为t时刻热泵性能系数估算值;${{T}_{\text{sf}}}$为热泵供热温度,取供热水出口温度,℃;$\Delta T$为热泵温升,即供热温度与热源温度间的温差,℃。
由于估算公式是在设计工况下获得的,需对估算公式进行修正[9]。修正公式如下所示：
$\left\{ \begin{align} & \text{CO}{{\text{P}}^{t}}=\eta _{\text{PL}}^{t}\text{COP}_{\text{design}}^{t} \\ & \eta _{\text{PL}}^{t}=1-0.13\left( 1-\frac{Q_{\text{HP,out}}^{t}}{{{Q}_{\text{HP,rated}}}} \right) \\ \end{align} \right.$ (15)
式中：$\text{CO}{{\text{P}}^{t}}$为t时刻热泵机组实际工况下的性能系数;$\eta _{\text{PL}}^{t}$为t时刻热泵机组变负荷修正系数[10];$Q_{\text{HP,out}}^{t}$为t时刻热泵机组输出功率,kW。
因此,热泵模型表达式如下：
$\left\{ \begin{align} & Q_{\text{HP,out}}^{t}=\text{CO}{{\text{P}}^{t}}\cdot P_{\text{HP,ele}}^{t} \\ & Q_{\text{HP,out}}^{t}=Q_{\text{HP,in}}^{t}+P_{\text{HP,ele}}^{t} \\ & Q_{\text{HP,out}}^{t}=m_{\text{HP,sec}}^{t}{{c}_{p}}\left( T_{\text{HP,sec,out}}^{t}-T_{\text{HP,sec,in}}^{t} \right) \\ & Q_{\text{HP,in}}^{t}=m_{\text{HEX,sec}}^{t}{{c}_{p}}\left( T_{\text{HEX,sec,out}}^{t}-T_{\text{HEX,sec,in}}^{t} \right) \\ \end{align} \right.$ (16)
式中：$Q_{\text{HP,in}}^{t}$为t时刻热泵机组输入热功率,kW;$m_{\text{HP,sec}}^{t}$为t时刻热泵二次水流量,kg/s;$T_{\text{HP,sec,in}}^{t}$、$T_{\text{HP,sec,out}}^{t}$分别为t时刻热泵二次水进、出口温度,℃。
（3）储热水箱模型
储热水箱模型具体表达式如下：
$\left\{ \begin{align} & {{E}_{\text{TES,rated}}}=\frac{\rho {{V}_{\text{TES,rated}}}{{c}_{p}}\left( {{T}_{\text{TES,max}}}-{{T}_{\text{TES,min}}} \right)}{3600} \\ & E_{\text{TES}}^{t}=\frac{\rho {{V}_{\text{TES,rated}}}{{c}_{p}}\left( T_{\text{TES}}^{t}-{{T}_{\text{TES,min}}} \right)}{3600} \\ & E_{\text{TES}}^{t+1}=\left( 1-{{\eta }_{\text{los}}} \right)E_{\text{TES}}^{t}+{{\eta }_{\text{charg}}}Q_{\text{TES,charg}}^{t}\Delta t- \\ & \frac{1}{{{\eta }_{\text{disch}}}}Q_{\text{TES,disch}}^{t}\Delta t \\ \end{align} \right.$ (17)
式中：${{E}_{\text{TES,rated}}}$为储热水箱储热容量,kW∙h;ρ为水的密度,kg/m3;${{T}_{\text{TES,max}}}$与${{T}_{\text{TES,min}}}$分别为储热水箱温度上、下限,℃;$E_{\text{TES}}^{t}$为t时刻储热水箱中的储热量,kW∙h;$T_{\text{TES}}^{t}$为t时刻储热温度,℃;${{\eta }_{\text{los}}}$为储热水箱热损失率;${{\eta }_{\text{charg}}}$为储热水箱储热效率;${{\eta }_{\text{disch}}}$为储热水箱放热效率;$Q_{\text{TES,charg}}^{t}$为t时刻储热功率,kW;$Q_{\text{TES,disch}}^{t}$为t时刻放热功率,kW。
2.3 约束条件
（1）能量平衡约束
储热式地热供暖系统各个时刻皆需满足能量供需平衡,具体约束表达式如下：
$Q_{\text{HEX,out}}^{t}+Q_{\text{HP,out}}^{t}+Q_{\text{TES,disch}}^{t}=Q_{\text{load}}^{t}+Q_{\text{TES,charg}}^{t}$ (18)
式中：$Q_{\text{load}}^{t}$为t时刻建筑采暖热负荷,kW。
（2）设备选型约束
系统主要设备选型约束如下：
$\left\{ \begin{align} & {{m}_{\text{pp,min}}}\le {{m}_{\text{pp,rated}}}\le {{m}_{\text{pp,max}}} \\ & {{A}_{\text{HEX,min}}}\le {{A}_{\text{HEX,rated}}}\le {{A}_{\text{HEX,max}}} \\ & {{Q}_{\text{HP,min}}}\le {{Q}_{\text{HP,rated}}}\le {{Q}_{\text{HP,max}}} \\ & {{V}_{\text{TES,min}}}\le {{V}_{\text{TES,rated}}}\le {{V}_{\text{TES,max}}} \\ \end{align} \right.$ (19)
式中：${{m}_{\text{pp,rated}}}$为潜水泵额定流量,kg/s;${{m}_{\text{pp,max}}}$与${{m}_{\text{pp,min}}}$分别为潜水泵额定流量上、下限,kg/s;${{A}_{\text{HEX,max}}}$与${{A}_{\text{HEX,min}}}$分别为板换换热面积上、下限,m2; ${{Q}_{\text{HP,max}}}$与${{Q}_{\text{HP,min}}}$分别为热泵机组额定热功率上、下限,kW;${{V}_{\text{TES,max}}}$与${{V}_{\text{TES,min}}}$分别为储热水箱容积上、下限,m3。
（3）设备运行约束
潜水泵受工艺影响不能频繁启停,且变频范围较窄,其运行约束如下：
$\frac{{{f}_{\min }}}{{{f}_{\max }}}{{m}_{\text{pp,rated}}}\le m_{\text{geo}}^{t}\le {{m}_{\text{pp,rated}}}$ (20)
式中： ${{f}_{\min }}$和${{f}_{\max }}$分别为潜水泵的最小、最大有效运行频率,Hz。
板换的运行约束如下：
$\left\{ \begin{align} & T_{\text{HEX,geo,in}}^{t}\ge T_{\text{HEX,sec,out}}^{t}+\Delta {{T}_{\text{pinch}}} \\ & T_{\text{HEX,geo,out}}^{t}\ge T_{\text{HEX,sec,in}}^{t}+\Delta {{T}_{\text{pinch}}} \\ \end{align} \right.$ (21)
式中：$\Delta {{T}_{\text{pinch}}}$为夹点温差,℃。
热泵机组的运行约束如下：
$0\le Q_{\text{HP,out}}^{t}\le {{\delta }_{\text{HP}}}{{Q}_{\text{HP,rated}}}$ (22)
式中：${{\delta }_{\text{HP}}}$为热泵机组运行状态,取值0或1。
储热水箱的运行约束如下：
$\left\{ \begin{align} & 0\le Q_{\text{TES,charg}}^{t}\le {{\delta }_{\text{charg}}}{{Q}_{\text{TES,charg,rated}}} \\ & 0\le Q_{\text{TES,disch}}^{t}\le {{\delta }_{\text{disch}}}{{Q}_{\text{TES,disch,rated}}} \\ & {{\delta }_{\text{charg}}}+{{\delta }_{\text{disch}}}\le 1 \\ & {{T}_{\text{TES,min}}}\le T_{\text{TES}}^{t}\le {{T}_{\text{TES,max}}} \\ \end{align} \right.$ (23)
式中：${{Q}_{\text{TES,charg,rated}}}$为储热水箱储热功率上限,kW;${{Q}_{\text{TES,disch,rated}}}$为储热水箱放热功率上限,kW;${{\delta }_{\text{charg}}}$及${{\delta }_{\text{disch}}}$分别为储热水箱储/放热状态,取值0或1。
（4）流体网络运行约束
系统流体网络约束表达式如下：
$\left\{ \begin{align} & \sum{m_{i\text{,in}}^{t}}=\sum{m_{i\text{,out}}^{t}} \\ & \sum{m_{i\text{,in}}^{t}T_{i\text{,in}}^{t}}=\sum{m_{i\text{,out}}^{t}T_{i\text{,out}}^{t}} \\ & {{m}_{i,\min }}\le m_{i}^{t}\le {{m}_{i,\max }} \\ & {{T}_{i,\min }}\le T_{i}^{t}\le {{T}_{i,\max }} \\ \end{align} \right.$ (24)
式中：$m_{i\text{,in}}^{t}$与$m_{i\text{,out}}^{t}$分别为t时刻流入与流出i节点的流体质量流量,kg/s;$T_{i\text{,in}}^{t}$与$T_{i\text{,out}}^{t}$分别为t时刻流入与流出i节点的流体温度,℃;${{m}_{i,\max }}$与${{m}_{i,\min }}$分别为流经i节点的流体质量流量上、下限,kg/s;${{T}_{i,\max }}$与${{T}_{i,\min }}$分别为流经i节点的流体温度上、下限,℃。
3 计算与分析
Table 1 Input parameters表1 输入参数 |
| 输入参数 | 数值 |
|---|---|
| 地热水温度 ${{T}_{\text{geo}}}$ | 90℃ |
| 供热温度 ${{T}_{\sup \text{ply}}}$ | 45℃ |
| 回水温度 ${{T}_{\text{return}}}$ | 35℃ |
| 储热水箱温度上限 ${{T}_{\text{TES,max}}}$ | 75℃ |
| 储热水箱温度下限 ${{T}_{\text{TES,min}}}$ | 45℃ |
| 储热水箱热损失率 ${{\eta }_{\text{los}}}$ | 2% |
| 储热水箱储热效率 ${{\eta }_{\text{charg}}}$ | 90% |
| 储热水箱放热效率 ${{\eta }_{\text{disch}}}$ | 90% |
| 系统运行周期 n[14] | 20年 |
| 平均室外干球温度 ${{T}_{\text{ave}}}$ | 13.9℃ |
| 板换总传热系数 ${{U}_{\text{HEX}}}$ | 3.5 kW/(m2∙℃) |
| 潜水泵最大有效运行频率 ${{f}_{\max }}$ | 50 Hz |
| 网电CO2排放因子 ${{\gamma }_{\text{carbon,ele}}}$[15] | 0.994 kg/(kW∙h) |
| 年供暖时长 ${{\Omega }^{\text{ann}}}$ | 2 904 h |
| 板换单价 ${{c}_{\text{HEX}}}$ | 800元/m2 |
| 热泵机组单价 ${{c}_{\text{HP}}}$ | 500元/kW |
| 储热水箱单价 ${{c}_{\text{TES}}}$ | 1 120元/m3 |
| 地热水资源费 ${{c}_{\text{geo}}}$ | 2元/t |
| 基准收益率 i[12] | 5% |
| 维护成本系数 ${{\eta }_{\text{M}}}$[13] | 1% |
| 时间步长 $\Delta t$ | 1 h |
| 水的比热 ${{c}_{p}}$ | 4.182 kJ/(kg∙℃) |
| 水的密度 ρ | 998 kg/m3 |
| 夹点温差 $\Delta {{T}_{\text{pinch}}}$ | 3℃ |
| 潜水泵最小有效运行频率 ${{f}_{\min }}$ | 35 Hz |
| 地热水开采利用CO2排放因子${{\gamma }_{\text{carbon,geo}}}$[16] | 0.005 8 kg/(kW∙h) |
Fig. 2 Hourly heating load of typical day in heating season图2 供暖季典型日逐时采暖热负荷曲线 |
Fig. 3 Time-of-use electricity price图3 分时电价 |
Table 2 Operation strategies of geothermal heating system with thermal storage表2 储热式地热供暖系统运行策略 |
| 运行策略 | 有负荷 | 无负荷 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 峰时 | 平时 | 谷时 | 平时 | ||
| 基准系统 | 热泵开启 | 热泵开启 | 热泵关闭 | 热泵关闭 | |
| 策略1 | 热泵关闭,水箱放热 | 热泵关闭,水箱放热 | 热泵启动,水箱储热 | 热泵关闭,水箱储热 | |
| 策略2 | 热泵关闭,水箱放热 | 热泵启动,水箱放热 | 热泵启动,水箱储热 | 热泵启动,水箱储热 | |
| 策略3 | 热泵关闭,水箱放热 | 热泵启动,水箱储热 | |||
| 策略4 | 热泵启动,水箱放热 | 热泵关闭,水箱储热 | |||
储热式地热供暖系统协同优化设计可看作是求解一个混合整数非线性规划问题,基于表2制定的运行策略,通过Yalmip工具箱调用Gurobi求解器对模型进行优化求解,以确定最优运行策略及对应的设备选型优化参数。
性能评价指标优化结果如表3所示。由表中可以观察到,增设储热水箱可以降低系统综合成本及碳排放量并提高日均地热能利用率。从表中还可看出,策略3综合性能最优,优化后的系统相较于基准系统综合成本降低30.24%,日均地热能利用率提高11.12%,碳排放量减少46.65%。
Table 3 Optimization results of performance evaluation index表3 性能评价指标优化结果 |
| 运行策略 | 综合成本 / 元 | 日均地热能利用率 / % | 碳排放量 / kg | 综合性能系数 / % |
|---|---|---|---|---|
| 基准系统 | 999.42 | 53.88 | 748.56 | / |
| 策略1 | 696.54 | 59.70 | 406.98 | 26.87 |
| 策略2 | 774.89 | 64.88 | 538.28 | 22.52 |
| 策略3 | 697.14 | 59.88 | 399.35 | 27.02 |
| 策略4 | 830.21 | 65.43 | 587.47 | 18.57 |
系统设备选型优化结果如表4所示。对比发现相较于基准系统,优化后的各运行策略下板换面积、热泵额定热功率均有明显降低,说明储热水箱承担了部分供热负荷,使板换及热泵机组初投资成本降低。然而,由于增加了储热水箱成本,某些运行策略下系统总初投资成本反而有小幅上升。
Table 4 Optimization results of equipment selection表4 设备选型优化结果 |
| 运行策略 | 一级板换 | 二级板换 | 热泵 | 储热水箱 | 总初投资成本 / 元 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 面积 / m2 | 初投资成本 / 元 | 面积 / m2 | 初投资成本 / 元 | 额定热功率 / kW | 初投资成本 / 元 | 容积 / m3 | 初投资成本 / 元 | |||||
| 基准系统 | 10.11 | 8 088.00 | 12.19 | 9 752.00 | 279.96 | 139 980.00 | 0.00 | 0.00 | 157 820.00 | |||
| 策略1 | 6.83 | 5 464.00 | 3.33 | 2 664.00 | 112.40 | 56 200.00 | 84.05 | 94 136.00 | 158 464.00 | |||
| 策略2 | 9.65 | 7 720.00 | 3.87 | 3 096.00 | 110.16 | 55 080.00 | 97.22 | 108 886.40 | 174 782.40 | |||
| 策略3 | 8.95 | 7 160.00 | 2.03 | 1 624.00 | 99.34 | 49 670.00 | 93.61 | 104 843.20 | 163 297.20 | |||
| 策略4 | 8.39 | 6 712.00 | 8.57 | 6 856.00 | 134.99 | 67 495.00 | 56.50 | 63 280.00 | 144 343.00 | |||
Fig. 4 Optimization results of comprehensive cost图4 综合成本优化结果 |
Fig. 5 Optimization results of electricity purchasing cost图5 购电成本优化结果 |
Fig. 6 Optimization results of hourly electricity purchasing cost图6 逐时购电成本优化结果 |
地热能利用率的优化结果如图7所示,从图中可以看出,优化后系统无负荷期间地热能利用率有明显提升,说明增设储热水箱可有效回收无负荷期间的多余热量。此外,从图中还可看出,策略2与策略4的热泵运行时间较长,因此其日均地热能利用率较高。
Fig. 7 Optimization results of hourly geothermal energy utilization rate图7 逐时地热能利用率优化结果 |
Fig. 8 Optimization results of carbon dioxide emission图8 碳排放量优化结果 |
Fig. 9 Optimization results of hourly carbon dioxide emission图9 逐时碳排放量优化结果 |
Fig. 10 Thermal balance and equipment output under optimal operation strategy图10 最优运行策略下热功率平衡与设备出力 |
4 结论
构建了储热式地热供暖系统模型,以综合成本、地热能利用率以及碳排放量作为优化目标,对系统设备选型及运行策略进行协同优化,结论如下：
（1）优化后系统综合成本相对较小,其中热泵购电成本是影响综合成本的主要因素且随运行策略波动较大。
（2）优化后系统无负荷期间地热能利用率明显提升,说明增设储热水箱可有效回收无负荷期间的多余热量。
（3）优化后系统碳排放量明显减少,其中热泵运行是影响系统碳排放量的关键。
（4）策略3综合性能最优,其相较于基准系统综合成本降低30.24%,日均地热能利用率提高11.12%,碳排放量减少46.65%。