谈科研建筑能源系统优化设计

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摘要:通过对原有能源系统进行分析，综合国内外先进的清洁可再生能源利用技术，结合可利用的资源条件，如风电、光电等“绿色电力”，浅层地热能、空气能等可再生能源条件，地源热泵、空气源热泵、太阳能、电锅炉+相变储能等技术，对能源系统进行优化设计研究，实现项目能源供给绿色低碳，增加供电系统可靠性和安全性。同时以互联网+为手段，以智能化为基础，以构建绿色低碳、安全高效的现代能源体系为目的，设计了智慧能源管理系统，对建筑整体各项能耗、系统状态进行监控，有效的提高了能源使用率，降低使用能耗。

关键词:储能，绿色，可再生能源

1项目背景

项目主要包括科研中心、学术中心、主试验楼、控制楼、气源间、备料间、各类辅助试验楼和专家公寓、食堂等，共计15个单体建筑。项目原设计能源系统为燃气锅炉、空气源热泵和多联机。

2系统整体架构

本项目供热(冷)系统方案设计包含钠硫电池储能系统、低碳供热(冷)能源系统和智慧供热(冷)管理系统三个部分。

3钠硫电池储能系统

设置钠硫电池储能系统在供电上可以发挥应急保障作用，增加供电系统的安全性和可靠性。同时移峰填谷，平衡电网峰谷用电量，利用谷电，降低运行费用;同时在同一个项目中，实现电力能源“储电”和“储热”同时应用，增强了项目的示范引领作用，形成亮点。钠硫电池储能系统采用模块化设计，外观见图1。具有运行业绩好、安全性高、结构紧凑、运行温度范围宽、使用寿命长，系统可扩展，即插即用等优点。单个模块每小时蓄电量200kW，本项目设置1个模块，总蓄电量1200kWh。

4低碳供热(冷)能源系统

能源系统拟采用“地源热泵+低温空气热泵+太阳能+电锅炉、相变储能”等多项先进可再生能源利用技术，达到高质量满足本项目冷热需求，同时发挥示范引领作用。

4．1地源热泵系统、低温空气源热泵系统

热泵技术:是将自然界低温热能(浅层土壤中的低温地热能、空气能、江河湖水能等)和人类生活生产中产生排放的余热废热(城市污水热、工业余废热等)，通过少量的电能驱动压缩机做功，促进工质汽态—液态相变转化，源源不断地将低温热能转化为可用于供暖供热水的高温热能。电和热转化率(即系统能效)可以达到2．5以上，实现了可再生能源利用，热能利用效率高，是21世纪人类重点推广的节能环保技术之一。根据其所利用的低温热源方式，热泵系统分为地源热泵、空气源热泵、江河湖水源热泵等多种方式。利用土壤浅层地热能的热泵系统称为地源热泵系统，利用低温空气热能的热泵系统称为空气源热泵系统。在严寒地区，冬季室外温度低于－20℃的时间较长，且极端天气情况下，室外温度可达到－30℃左右。设计可采用专为满足东北、西北等极寒地区集中供热系统需求设计的螺杆式超低温空气源热泵机组。

4．2相变储能

相变储能利用物质相转变过程中伴随的能量吸收和释放而进行，由相变材料物态的往复循环实现热量的存储与释放。相变过程中温度恒定、吸收和释放大量能量。本方案采用模块化热库装置，采用高密度、高稳定性无机纳米复合相变储能材料，单台热库相变储热量为650MJ，具有体积小、储热量高、安装灵活、简单等优势。夜间利用热库将产生的热量储存在热库中，白天峰电时段，仅开启系统循环泵，将热库储热量释放用于供热，节省系统的运行费用。

4．3太阳能光热系统

通过太阳能真空管等集热器将太阳辐射能收集起来，循环加热水，储存并加以利用。在本方案中，太阳能光热系统除了在冬季收集热能，直接用于供暖外，结合地源热泵冬季运行时间长，从地下土壤取热量大于夏季释热量的特殊使用条件，在夏季及过渡季节为地源热泵室外地埋换热系统补热，“跨季蓄能”，用于改善室外地埋管全年取热、放热不平衡情况，提高土壤温度，进一步提高地源热泵运行效率。

4．4供热(冷)能源系统配置

地源热泵机组、低温空气源热泵机组:根据本项目常备供热负荷需求配置地源热泵系统及空气源热泵系统，地源热泵系统制冷量满足为夏季部分建筑供冷需要。配置2台螺杆地源热泵机组，单台机组制冷量为596．5kW，制冷功率为102．6kW，单台机组制热量为520．7kW，制热功率128．6kW。两台热泵机组同时运行，可以满足夏季供冷负荷需求。配置2台低温空气源热泵机组，单台制热量256．8kW(室外温度－25℃)，制热功率116kW，2台机组总制热量513．6kW。2台地源热泵机组及2台低温空气源热泵机组同时运行，总制热量1555kW，完全能够满足本项目常备负荷1470kW的供热需求。热泵机组、循环水泵等设备及电气系统、控制系统等安装在能源站房。低温空气源热泵机组安装在能源站房西南角，紧邻能源站房布置。真空电锅炉、相变储能:在最大作业热负荷工况下，2台地源热泵机组和2台低温空气源热泵机组共计可以提供1555kW的热负荷，其余2615kW的热负荷，配置3台额定制热量1000kW的电锅炉满足。考虑冬季采暖科研中心、学术中心等办公建筑夜间处于低负荷运行状态，实验作业期内，经测算夜间低谷电时段逐时最大供热负荷需求约为3600kW，2台地源热泵+2台超低温空气源热泵+2台电锅炉共同供热可满足夜间供热需求，剩余一台1000kW的电锅炉用于相变储能，谷电8h相变总储热量为8000kWh。相变储热热量在白天高峰电时段放热供热，降低运行费用。太阳能光热系统:在公寓楼屋布置太阳能真空管集热器，总布置集热设备采光面积约600m2，配套1个20m3的蓄热水箱。

4．5地埋管换热系统

根据地区浅层地热地质资料，项目地土壤温度120m以浅岩土体初始平均温度偏低，约为10℃，因此导致地埋管换热器延米换热量较小，本方案夏季延米换热量暂按60W/m设计，冬季按23．8W/m设计。

5智慧供热(冷)管理系统

5．1管理对象

本项目智慧供热(冷)管理系统的管理对象为能源中心和各建筑末端用能系统。能源中心管理系统包含地源热泵系统、空气源热泵系统、太阳能系统、电锅炉、相变储能系统、地埋管换热器等子系统。各建筑末端用能管理系统，以每栋用能建筑为一个单元和子系统，实现各建筑用能监测及用能优化控制，如分时分区控制、精准室温控制、气候补偿等。

5．2系统架构

智慧供热(冷)管理系统由数据采集与传输、数据存储、运行控制、能效分析、能源管理、数据共享与等几个层级组成。

5．3智慧供热(冷)管理功能

5．3．1数据采集能源中心数据采集内容包含:热泵机组:电量，供热量，供回水温度;电锅炉:电量，供回水温度，压力;相变储能系统:储热量、放热量;空气源热泵机组:电量，供热量，供回水温度;太阳能系统:集热器4个温度测点，水箱温度、液位，补热量;循环水泵:电量;水路系统:空调侧供回水温度、压力、热量，地源侧供回水温度、压力、热量;设备状态:热泵机组、超低温空气源热泵、循环泵、电锅炉等设备运行状态，包含设备运行时间、故障、能量输出等;其他:室外温、湿度，室外地埋管区域温度场地温监测。各建筑末端用能系统数据采集内容包含:每栋建筑入户主管供回水温度、压力、热量、调节阀开度;建筑室内温度。

5．3．2数据分析与控制1)系统运行工况参数数据分析与控制。监测供热供冷系统运行过程中的工况参数，如系统供回水温度、流量、压力、热泵机组冷热量输出、室内环境温度等参数，结合建筑使用及用能要求，指导系统运行，设定、调节系统运行策略，例如:定时运行:根据功能建筑工作作息时间按时启停控制设备，例如上班前提前开启建筑内如风机盘管余热，下班后关闭部分风机盘管系统节能。温度—时间延滞:根据建筑内温度保持的延滞时间，提前关闭热泵主机或电锅炉达到节能目的。调节供水温度:根据建筑室内外实际温度调节空调系统的供水温度，设定合适的供水温度减少系统主机的过度运行，实现节能。延长设备寿命:对系统冷热源主机进行等时间交替运行，延长设备的运行寿命，节省维护费用。2)设备、仪表运行状态分析与控制。故障处理:监测各设备、仪表进行实时运行状态，当发生故障时，通过监测数据，找出故障源，方便系统及时管理与维护。3)系统能效分析与控制。本项目能源管理系统包含地源热泵、空气源热泵、太阳能补热、电锅炉相变储热、地埋管换热器等5个子系统。根据系统耗电量、耗热量、耗冷量等数据，统计并分析整个项目能源系统及其各子系统运行能耗，判断各系统运行情况是否达到设计效果。通过对能耗的分析、总结，提出利于整个项目能源系统运行的优化控制方案。

5．3．3数据共享与预留标准的网络接口，接入园区大的能源管理平台，为其提供监测数据和分析成果，实现园区包含本供热(冷)管理系统在内的数据共享与统一。

6结语

通过对能源系统的优化设计，使得项目能源系统更加低碳、智能，本项目能源系统，除了高质量满足项目供热(冷)负荷需求外，为打造国际先进、国内领先的清洁可再生能源标杆示范项目提供了可复制、推广的技术、模式和体制经验。

参考文献:

［1］徐治国，赵长颖，纪育楠，等．中低温相变蓄热的研究进展［J］．储能科学与技术，2014，3(3):179-190．

［2］沈文忠．太阳能光伏技术与应用［M］．上海:上海交通大学出版社，2013．

［3］温兆银．钠硫电池及其储能应用［J］．上海节能，2007(2):7-10．

作者：于博涛 单位：大同市重点工程建设服务中心