地源热泵

“热泵+”复合系统,未来建筑供热供冷的重要形式

地大热能什么叫“热泵+”模式?热泵众所周知,是一种将热能从低品位提升到高品位的高效低碳的供能方式,在建筑界里是实现碳中和的重要途径。欧洲在俄乌冲突之后,把热泵提升到一个新的高度,制定了很详细的推广热泵的时间图和技术路线图。但是热泵通常的热源空气源、地热源可再生能源以及余热废热,来自于工厂或者一些工业,但是它是有分散性、间歇性和随机性,存在源测热流密度相对较低,同时波动大、初投资高等问题。

 

针对这些问题,我们怎么能够找到一些破解之路呢?特别是对一些大型的公共建筑建筑群,集约化的热泵应用来讲,需要我们寻找它的技术性组合,所以在这里我们为了最大化发挥热泵系统优势,结合其他能源系统形式,构成了以热泵为机载的“热泵+”模式。具体来讲,它和谁进行复合呢?可以与太阳能地热能,以及传统的燃气锅炉等进行复合,这样就可以把可再生能源的间歇不稳定、能量密度低,以及常规冷热源,它有它的特点,稳定、备份、品位高等特点,复合在一起组成安全、稳定、经济、高效的供热供冷系统。同时它还可以和电网协同,这个优势也非常明显。
 

具体典型的方式,比如说地源热泵+太阳能+蓄能,地源热泵+燃气锅炉+市政+蓄能,工业余热+空气源热泵+冷水机组,同时还可以是地源和空气源+蓄能,以及和传统的热泵+冷却塔+蓄能,燃气锅炉+蓄能,空气源热泵+太阳能+蓄能,还有燃气三联供和以热泵+组成这样一个新的系统。


“热泵+”复合系统,未来建筑供热供冷的重要形式-地大热能

 
所以这样一些系统,在最近几年里大家很关注的就是中深层地源热泵浅层地热能地源热泵,把这两个中深层、浅层的优势各自发挥出来,组合一个新的系统,如果说还可以和传统的燃气+蓄能结合,我们可以看有这么几个特点,把中深层地源热泵的特点和浅层的地源热泵的特点组合在一起,为严寒地区,特别是北方地区清洁取暖的实现提供了一种创新性的方案,刚才把“热泵+”,什么是“热泵+”,“热泵+”的基本组成说了一下。
 
“热泵+”这个系统它的特点是什么?我们首先看,一般建筑本体的冷、热、电负荷的波动很大,利用热泵+复合系统,可以优化系统结构,发挥子系统和设备差异化的优势,在不同负荷频段发挥各自的系统特点,保持整个系统都处于高效运行的阶段。另外它通过控制运行策略的调整,我们也可以进一步提高运行效率,同时降低运行的费用,这个很多例子可以表明,比如我们热泵系统承载基载组合,而基载组合占整个负荷的80%左右。如果和锅炉联系起来,锅炉相对来讲投资低,这样整体的技术经济性更好。
 

另外,可再生能源刚才讲了它的不稳定性、间歇性、能量密度低的问题。如果我们和不同的组合在一起,把它的各种形式可以按照工程现场的实际进行组合,就可以互为补充、互为耦合,保证系统的供热供冷的可靠性,同时最大化利用可再生能源,时间关系不展开中间具体怎么做。

 

同时我们如果利用蓄能,刚才讲了产能或者供热供冷,如果把蓄能结合在一起,特别是利用电力的峰谷差价,我们可以有效地平衡电网,降低整个供冷供热系统的运行费用。这就是热泵+的组成、热泵+的特点。这是第一部分


第二部分,如何把热泵+系统做好?我们做了一些工作,这个工作是一种系统化的工作。从规划、设计、运行到优化全过程,这个过程又分很多阶段,我们把不同的阶段都做了相关的研究和开发技术,完整地建立起来了,不展开讲。怎么建立起来了?比如我们建立一套完整的模型,可以预测建筑的冷热、电的负荷,负荷比较真实地反映一个大的建筑群或者一个小的区域,比传统的预测方法更加准确,而且更符合实际。


“热泵+”复合系统,未来建筑供热供冷的重要形式-地大热能

 

第二,我们在这个负荷的预测,实际上方法本身来讲是它一个动态的,我们开发了一个冷热动态负荷因子数据库和建筑群负荷的集合寻优的工具。在此基础上做了一个仿真系统,各种系统组合在一起到底谁优,根据项目可以做一个仿真平台,通过仿真平台从设计阶段讲提供一个最优的配置。

 

同时我们针对很多可再生能源现场的资源测试和系统的测试结果,还可以反馈回这个平台,不断修正这个平台的科学性、准确性。这样一来,我们就可以更好地利用这些进行大型的、区域的热泵+系统的规划,同时我们也开发了一套完整的工具,对这种复合系统到底怎么定量地评价好与坏,投资省是一方面,运行省也是一方面,同时还有可靠性、环境友好性等等,通过不同的指标体系进行综合评价,这里有一套评价的方式方法。

 

在运行阶段,我们通过优化工具既可以对设计阶段,也可以对运行阶段进行寻优,这种寻优过程我们也建立了一套软件,给大型的任务+系统提供了优化的工具。
 
运行我们通过分层控制优势,构建了这样一个复合式热泵+系统的控制框架,从上、中、下层进行联控,达到一个系统的按需、精准、及时的调控。同时针对这种热泵+系统,通常都要有智慧平台,数据实时的采集、分析和判别。这是第二部分“技术与优化”。
 
在讲完了什么是“热泵+”,我们用什么样的手段实现“热泵+”系统,下面结合一些案例跟大家分享。比如我们在济宁文化中心已经建成的近30万平米的建筑群,包括图书馆、博物馆、群众艺术馆,也有一些住宅公寓,组合匹配是不一样的。我们利用前面的“热泵+”系统给整个建筑群做了一套供热供冷系统,当然它是以地源热泵系统作为机载,满足了全年的供暖供热需求,这个项目获得了中国建筑协会暖通空调设计的一等奖。
 

济宁文化中心这个项目有很多具体的参数,简单讲,地源热泵的参数我们得到了岩土体的综合导热系数2.83W/(m.K),我们做了2700个双U型的换热孔,孔深120m,间距5m,包括对它的负荷进行了准确的预判。设备也是用了不同的组合,包括用了离心式热泵机组和螺杆式机组进行组合。效果是什么情况?这个已经应用了四年,我们进行了全年的监测,监测是实时的,监测的结果整个“热泵+”系统的制热性能系数达到3.6,系统的制冷系数达到4.4,明显高于国内平均水平。

 

第二个项目再介绍一下我们做了多年的曲阜市人民医院医院通常是由急诊楼、病房楼、门诊楼还有一些宿舍综合体组成,有10万平方米,采用的是热泵+燃气锅炉+太阳能组合的一套分布式的系统,这个系统总冷负荷9000千瓦,总热负荷8500千瓦,这个项目运行大概有六年了,我们也获过相关的奖项。这里主要讲的是优化,我们通过前面讲的优化工具和手段,如果进行一些比较,我们可以看出来,比如说地源热泵的占比,制热占比13%,锅炉占56%,太阳能占25%。这里需要说明的是投资当时是受限的,所以投资为最低是当时业主投资的要求,所以优化的软件是可以把目标进行调整的,这样下来它的可再生能源利用率可以达到近25%,夏季的运行费用12块钱,冬季的运行费用11块钱左右,这个和前面不一样,因为投资方需要的是投资最少。


“热泵+”复合系统,未来建筑供热供冷的重要形式-地大热能

 
不同的优化是不一样的,如果以系统的全生命期为最低目标,地源热泵占比67%,如果以系统运行费最省,地源热泵系统未必最多,它可以提升,所以不同的系统组合它的结果是不一样的。具体怎么做的呢?选了三台离心机组,两台冷却塔,两台燃气锅炉,包括太阳能集热,主要是供生活热水,共同组成,这边是施工现场。
 

它的系统的测试结果不光都是设计完成,它的冷源的能效比达到4.92,这个效果是相当不错的,在大型的以热泵+为主的系统中,取得了良好的效果。通过计算和运行来进行比较,我们也可以看,事先做的这种优化模拟计算和最后的实际运行数据基本在7%~8%的误差,所以说这个从设计、优化到运行是相互吻合的,所以这个互补的多能源的系统是比较成功的应用,但是它又满足了业主投资最省,否则还有其他的优化目标。


另外,介绍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,副中心到底建设什么样的系统?最后采取的方案也是热泵+系统,当时按照党中央、国务院的要求,要求可再生能源利用率40%以上,在七、八年前要达到可再生能源利用率40%以上是比较可行的,或者说是比较实际的一种方式就是地源热泵+蓄能+市政热力,它也是一种组合式的热泵+系统,到今天我们再看到这套系统不一定是最佳的,很多情况发生了改变。副中心这样一个系统是怎么组成?热源系统通过地源热泵为机载,再加上市政热力,这样可以用市政热力进行调峰,这样比较好地组合成热源系统。
 
冷源系统是地源热泵+常规低温型冷水机组,主要是为了蓄冰,用峰谷差价来实现,大型副中心的建筑群用的是这些系统,应该说也是一个大胆的尝试,但是也有一点遗憾,整个前期的方案是我们做的,但是后来真正实施这个方案和我们做的规划方案差异比较大,在这里不好讲,因为各种原因。
 
怎么实现城市副中心的?我们也通过一些科学严谨的方法,包括做实验孔,做方案得到相关的基础数据。
 
第四个项目讲讲我们自己这个楼。这个楼完完整整地实现地源热泵+太阳能+吸收式制冷来实现的热泵+的供热供冷系统,这个系统是近零耗建筑,建筑物并不大,但是系统应用是多方面组合的,包括其他方面的,包括光伏也在应用,但不是供热供冷用的。集热器也有很多种,这也带有实验性质的,我们可以看到不同的冷热源的贡献比例不一样。平均下来,到今天为止八年了,平均建筑运行能耗,所有用能加起来是34.2,从目前我见到的国内类似的示范建筑里面,它的运行能耗应该讲是最低的之一,而且我们这里还有一个数据机房也在里面。具体还有一些其他的设计,从被动式技术到末端的选择等等,这个就不展开了。
 
还有一个针对我们夏热冬冷地区,比如贵州中天•未来方舟,这个项目很大,800万平方米,我们是方案的咨询方,实施者是中国节能环保集团,他们董事长在全国两会上多次提到这样一个低碳的系统,这里我简单介绍一下,这是我们做的方案。它是河水源热泵+污水源热泵,适当做了些燃气锅炉做补充,这样一个系统。
 

贵州冬天非常湿冷,这种湿冷在中国独一无二,这个地区非常特别,我冬季也去过,极其难受,某种意义上讲,比北京还要难受。这个系统通过大量河水源做机载,我们也做了一些相关的基础数据的测试,包括河水温度的变化、河水的流量等等。这个运行项目已经有好几年了,通过整个这几年的实际运行结果来看,河水源热泵系统常规运行工况可以达到5.15的能效比,整个如果加起来,我们可以看到供暖季的平均COP4.1,这都是长期监测的结果,真实的数据。


“热泵+”复合系统,未来建筑供热供冷的重要形式-地大热能

 

另外讲一个我们正在做的,还没有在实施的,也是一个“热泵+”的系统,今天面对低碳零碳的这样一个发展目标,它也是一个地源热泵+蓄能+常规的冷热水机组,这个面积也很大,近140万平方米,具体来讲它有一些配置,时间关系不展开了。

 

在严寒地区,比如在东北,我们在长春有一个中韩国际示范区,也用“热泵+”的复合模式,这在严寒地区是一个大胆的尝试。
 
未来建筑的供热供冷形式,其中重要形式之一是“热泵+”的复合系统,这个系统为什么是?除了多能互补、优化配置、平衡投资和运行成本之外,主要纵向上是“热泵+”与电网交互,降低运行成本,同时还可以消纳可再生能源。所以从横、纵两项来比较的话,推动了建筑用能的清洁化、高效化、低碳化
 

热泵代表了未来供暖发展方向,“热泵+”系统是多赢的,可以实现清洁化,同时还可以和电力系统进行协同,当然要想做好“热泵+”系统仍然要坚持做好因地制宜的原则,才能让经济、安全、环境多方面共同得到保障和发展。