雷开银 文双娜 封冠男
北京首都机场动力能源有限公司 北京市 100079
摘要：地热、烟气余热及市政热力相耦合的供热模式，是有效利用可再生能源、烟气废热来提升绿色能源使用率及一次能源使用率的一种方式。为解决三类热源实际运行中经济性运行问题，本文结合电价的波动与供热管网的蓄热能力，对三种热源之间负荷分配进行优化，有效提升系统的经济性。根据计算，优化每日负荷分配可降低成本11%。利用供热管网的蓄热能力，每GJ热量可降低1.8元成本。
关键词：地源热泵 烟气热泵 耦合供热 经济性运行
引言
《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》中提出到2019年清洁取暖率达到50%，代替散烧煤0.74亿t，新增天然气131亿m3；到2021年清洁取暖率达到70%，代替散烧煤1.5亿t，新增天然气278亿m3。要推进冬季清洁取暖，宜气则气，宜电则电，尽可能的利用清洁能源[1]，利用清洁能源代替燃煤供热来解决供热系统中的环境问题。
在此背景下，燃气锅炉、地源热泵、空气源热泵、烟气余热回收热泵、太阳能供热等多种热源单一或组合供热模式在供热行业中得到迅速发展。多热源耦合供热技术在节能减排、提高供热稳定性和灵活性上发挥着独特的作用[2]。
目前耦合供热系统主要为电和天然气两种热源的耦合，电和天然气之间如何实现优势互补，如何实现负荷分配是提高联合供热系统经济性的关键因素。本文以北京某供热系统为例，结合理论分析和2019-2020年实际供暖数据，对地源热泵、烟气余热热泵及市政板换耦合供热系统中经济性运行方式进行研究，提出合理的负荷分配方案。
二、模型介绍
该能源场站具有地源热泵、烟气余热热泵及市政板换三类热源，结合了电制热和燃气锅炉制热两种产热方式，利用地表浅热、烟气余热及天然气三种热量，实现对用户的供热服务。
为优化热源的运行模式，探索多热源耦合系统经济性运行规律，主要分三部分进行经济性运行优化。
首先，该耦合供热系统中有两类热泵，对这两种热泵的经济性进行评价。其次根据电价的峰谷平变化，来择机选择市政板换和热泵的使用时间段。最后根据该能源场站管网及末端用户的特点，借助管网的蓄热能力，辅助进行经济性运行策略的优化。
三、两类热泵的经济性对比
根据该能源场站的设备参数，综合考虑辅机功率与热泵机组功率。计算每GJ的能源成本。从成本中分析，市政热量单独作为热源成本为84元/GJ，烟气热泵为69元/GJ，地源热泵成本为73.3元/GJ。根据计算过程发现，两类热泵的经济性主要取决于热泵的COP值及附属水泵的总功率。同时，地源热泵的成本要低于市政板换。
根据2019~2020年该能源场站的实际运行数据，在烟气热泵单独供热时成本为51元/GJ，地源热泵成本为58元/GJ。根据实际情况，因水泵和热泵机组的变频使单位热量的成本有所下降，但烟气热泵的经济性依旧高于地源热泵机组。
由上可见，在两类热泵机组之间的经济性选择在理论和实践中得以解决，在考虑经济性运行时，应该优先选择烟气热泵机组。
四、电与天然气耦合供热时的经济性分析
耦合系统供热时，合理的分配一天内的热负荷，能够有效的降低运行成本。在此供热系统中，按照北京市冬季目录电价，结合该耦合供热系统的各设备参数，可以算出，一天内每个热源单独供热时的成本变化。图4.1为一天内在不同电价时，三种热源成本的变化趋势。
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图4.1 不同电价时，三类热源每GJ成本变化趋势图
根据以上结果，可以看出地源热泵一天内任何时间较烟气热泵与板换成本更高，在烟气余热热泵供热和市政板换供热之间，每日10:00~15:00，18:00~21:00电价高峰时期，使用市政板换供热成本较低。
在电价高峰时使用市政板换、在谷段与平段使用烟气热泵的运行模式最经济，比单独使用烟气热泵降低成本11.5%，比单独使用地源热泵降低成本17.2%。
五、管网蓄热在耦合供热经济性中的应用
在耦合供热系统中，因为电价的变化，不同时间使用不同热源进行供热能够有效降低运行成本。利用供热时水系统本身的蓄热能力，也能同时减少在峰段的产热量，从而降低成本。
结合该场站实际情况，管网中约2000吨水，管网供水温度在45~50℃变化，在电价由谷段变为平段，由平段变为峰段时供水温度较原定多2℃对末端服务品质影响不大（根据各个供热系统末端实际情况确定）。
根据以上数据，计算出管网每2℃可蓄热16.8GJ热量，谷段到平段节省成本753元，平段到峰段节省成本421.3元。一天内可节省成本1595.6元。该场站供暖季平均每天供热880GJ，因此相当于节省成本1.8元/GJ。
六、总结
结合北京某供热系统的实际运行情况，对三种热源耦合供热的经济性运行进行不断的优化，得到以下结论：
1.在电和天然气耦合系统供热中，若有两种电供热的热源，首先根据其主力设备的性能则优选取设备效率高的热源。
2.在电与天然气两类热源之间，可根据一天内电价变化，调整不同时间段使用的设备，可大幅降低运行成本。以本文中的供热系统为模型，可降低11%的运行成本。
3.根据末端用户的实际情况，若能利用管网进行蓄热，也可降低运行成本。以本文中的供热系统为模型，可降低1.8元/GJ的成本。
参考文献：
[1] 姜镀辉, 崔红社, 杨佳林,等. 空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统研究[J]. 青岛理工大学学报, 2018, 039(006):70-74,103.
[2] 刘卫东, 王魁荣, 王魁吉. 多热源联合供热综述[J]. 区域供热, 2012, 000(001):14-24,52.