基于malab的地熱供暖系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

基于malab的地熱供暖系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

0我國地熱利用能源資源的必要性據(jù)估計，全球潛在地熱資源總量相當于每年493億噸石油。從未來發(fā)展看,受自然資源不足和經(jīng)濟發(fā)展需求量不斷加大條件的限制,常規(guī)能源資源不足問題將會更加突出,能源資源不足是我國能源發(fā)展面臨的最大問題。一些發(fā)達國家悄然發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,早已投入巨資全力開發(fā)可再生能源。因此,當前形勢下,更合理地利用地熱能源使其產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益是對我國地熱利用提出的要求更高的課題之一。綜合利用自然科學和社會科學的最新理論成果開展智能算法和計算機仿真在地熱供熱系統(tǒng)方面的應用研究,對我國可再生能源、綠色能源的持續(xù)發(fā)展有重要的理論和現(xiàn)實意義。1地熱供暖的性質(zhì)近年來,我國在地熱供暖中采用調(diào)峰技術、梯級利用和熱泵技術,使地熱供暖面積成倍增長。地熱(源)熱泵裝置由于其突出的節(jié)能和環(huán)保特點,成為地熱節(jié)能技術的核心,在德國、瑞士、日本、美國每年以20%的速度增長。我國雖起步較晚,但一經(jīng)發(fā)展就顯現(xiàn)出良好的增長勢頭,2005年設備容量達630MW,占我國地熱直接利用裝置總容量的17%。地熱供暖與其他常規(guī)供暖方式相比有其特殊性,比如與常規(guī)鍋爐供暖方式相比,地熱水出水溫度受地熱井的條件限制,溫度比較固定,而鍋爐供暖的溫度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。地熱供暖的另外一個特點是地熱水是從地下開采出來的,對于單井運行模式是一個開式系統(tǒng),開采最大流量受到地熱井及地層條件的限制;而鍋爐供暖一般使用循環(huán)水,是閉式系統(tǒng)。因此,地熱供暖可以看成是有恒定熱源溫度的開式地熱水熱力系統(tǒng),而普通鍋爐供暖可以看成是有恒定熱流密度的閉式熱力循環(huán)系統(tǒng)。正是由于地熱水的開式熱力系統(tǒng)性質(zhì),在獲取地熱水中熱量的同時,伴隨著地熱水的排放或回灌。同時,還要考慮由于地熱水水質(zhì)的不同對換熱器或供熱管網(wǎng)終端散熱器造成的腐蝕。因此,最大限度地提高地熱供暖系統(tǒng)的效益,在經(jīng)濟最優(yōu)化條件下,充分利用開采的地熱資源,保護地下環(huán)境是地熱供暖系統(tǒng)追求的理想目標。1.1優(yōu)化模型的建立和優(yōu)化以地熱作為熱源集中供熱具有熱效率高的顯著優(yōu)點,但是脫離了具體的經(jīng)濟效益指標和技術經(jīng)濟條件來對地熱供暖系統(tǒng)進行分析顯然沒有實用意義。對一個地區(qū)來說,供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性模型的建立和優(yōu)化就是在滿足所有熱用戶的熱負荷的前提下,保證整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性最優(yōu),實現(xiàn)價值最大化。于是產(chǎn)生了一個問題,如何對數(shù)目眾多的系統(tǒng)方案進行經(jīng)濟性比較,從中確定一個最優(yōu)方案,即將地熱供暖系統(tǒng)作為一個整體來考慮,如何對以地熱為供暖熱源的系統(tǒng)方案進行技術經(jīng)濟評價,是一個非常重要和現(xiàn)實的問題。為解決這個問題就必須明確地熱供暖系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化的目標,在此基礎上建立合理的地熱供暖系統(tǒng)基本的經(jīng)濟性模型,然后選擇求解這一模型的算法原理,設計計算機仿真程序進行優(yōu)化,得到優(yōu)化模型,從而得出最優(yōu)的方案。地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性模型的建立和優(yōu)化是一個復雜的系統(tǒng)工程問題,經(jīng)濟性模型優(yōu)化的目標可確定為:在滿足所有熱用戶的熱負荷的條件下,把年運行費用和初投資綜合考慮,既考慮運行過程的經(jīng)濟性,又考慮初投資以及熱源利用率,使整個地熱供暖系統(tǒng)在工程壽命周期內(nèi)的費用支出最小,熱效益最大。綜上所述,地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性模型的建立及優(yōu)化是研究一系列具體技術經(jīng)濟條件下的離散型多變量的優(yōu)化決策問題,運用人工智能算法和理論以及計算機輔助技術,可使這一復雜系統(tǒng)問題得以深入分析和較好解決。1.2城市供熱發(fā)展能源的必要性與一些發(fā)達國家相比,我國能源資源浪費的情況更為嚴重,我國現(xiàn)在單位GDP的能耗水平相當于美國的4倍,日本和德國的8倍左右。能源利用效率低,資源浪費嚴重。發(fā)展可再生能源和提高能源效率是能源可持續(xù)發(fā)展的兩個重要環(huán)節(jié)。從能源戰(zhàn)略上講,21世紀世界已經(jīng)轉入后能源時期,我國政府已把可再生能源的開發(fā)利用作為能源發(fā)展的基本選擇。目前,我國地熱能直接利用總量在各種可再生能源中僅次于生物質(zhì)能的直接利用。隨著城市建設規(guī)模的擴大和熱用戶的不斷增多,我國城市供熱機構已越來越重視地熱供暖的經(jīng)濟性優(yōu)化工作,而地熱供暖的經(jīng)濟性優(yōu)化研究,不但對節(jié)約投資,降低供熱能耗有重要意義,而且是提高能源利用率的重要環(huán)節(jié)。因此,地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性模型的建立及優(yōu)化具有重要社會效益,是城市供熱行業(yè)亟待解決的研究課題之一。2加熱系統(tǒng)的經(jīng)濟分析與總結2.1供熱技術經(jīng)濟性的研究隨著計算機技術的發(fā)展,20世紀70年代一些供熱技術較發(fā)達的國家開始用數(shù)學模型和優(yōu)化方法研究供熱技術的經(jīng)濟性問題,從諸多供熱方案中尋找最佳方案,以利決策。我國從80年代開始進行這方面的工作和研究,已取得了很大成果,主要集中在以下幾個方面。1不同熱源內(nèi)部設備組合的優(yōu)化模型集中供熱系統(tǒng)的熱源優(yōu)化就是把熱源作為一個獨立的系統(tǒng)來研究,主要就是根據(jù)熱負荷的特性和現(xiàn)有設備的容量級別確定熱源內(nèi)部設備的組合方式。早期提出的多熱源的靜態(tài)優(yōu)化模型是每個熱源都有若干個可選擇的方案,一個熱源的最優(yōu)方案只能從其中選擇一個,在保證供熱質(zhì)量的前提下,使整個熱源的年計算費用最小。還有學者從技術經(jīng)濟方面對熱化系數(shù)的尋優(yōu)進行了研究,但只給出了推薦范圍,難以得出具體值,所以不能確切地反映項目的經(jīng)濟性。2優(yōu)化問題的解決方法近20年來,國內(nèi)外在應用計算機對熱網(wǎng)進行的優(yōu)化設計與分析主要采用給水管網(wǎng)優(yōu)化的方法。例如,應用狄克斯特拉距離尋優(yōu)算法來解決熱網(wǎng)的布局優(yōu)化問題;運用經(jīng)濟管徑法來解決熱網(wǎng)的參數(shù)優(yōu)化問題。3系統(tǒng)的目標化和目標優(yōu)化并重,進行系統(tǒng)設計有些時候需要將熱源、熱網(wǎng)、熱用戶作為一個整體進行規(guī)劃,使其技術和經(jīng)濟指標達到最優(yōu),在研究時以整個系統(tǒng)的某個參數(shù)為目標進行優(yōu)化。清華大學最早在國內(nèi)開始研究供熱系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題,并提出了相應的數(shù)學模型。2.2單位供暖費用計算方法的比較地熱供暖系統(tǒng)的初投資高,用中、低溫地熱供暖是否合理需要作技術經(jīng)濟評價。由于地熱熱源和用戶情況變化范圍大,必須要作可行性研究和技術經(jīng)濟評價。先對地熱的不同供暖方案進行評價,選出優(yōu)化方案,再與常規(guī)的熱源供熱比較。分析地熱供暖的投入產(chǎn)出比,并據(jù)此確定系統(tǒng)設計的技術參數(shù)。否則可能得不償失,或沒有得到最大效益。對一個投資方案進行技術經(jīng)濟評價有多種方法,地熱供暖系統(tǒng)的初投資較大,占用資金較多,應考慮資金的時間價值,采用動態(tài)評價方法。不同技術方案的經(jīng)濟效益是不同的,并且方案在不同使用條件下經(jīng)濟效益也會有很大差別,在分析中應找出一個共同的比較標準使各方案具有可比性。用單位供暖費用來評價供暖系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性,并以單位供暖費用最低為目標和技術方案可行來優(yōu)選方案。采用單位供暖費用計算方法的優(yōu)點主要有以下幾點:1)使不同技術方案有一個統(tǒng)一的比較標準。2)年度費用法符合國家的統(tǒng)一規(guī)定。3)地熱供暖系統(tǒng)有直接式、間接式、有調(diào)峰、無調(diào)峰等各種不同的形式。用單位供暖費用法可對工程項目年度費用中的各個部分進行單獨計算,以適應各種模式,然后取代數(shù)和得出總費用。這種計算方法適于計算機模塊化的程序結構,也可單獨比較某一部分費用的高低。4)年度費用法消除了不同方案使用壽命不一致的問題,將方案的現(xiàn)金流量換算成年值,就可以在共同時段——年度內(nèi)作比較。5)單位供暖費用法排除了稅金、利潤和供熱市場的影響,簡化了計算。李新國和張啟通過方案比較分析了地熱熱泵調(diào)峰供暖系統(tǒng)的熱力性能和經(jīng)濟性;針對兩種供暖終端設備——散熱器和風機盤管,分析計算了地熱熱泵調(diào)峰供暖系統(tǒng)的供暖參數(shù)和熱泵性能參數(shù);對我國目前經(jīng)濟條件下地熱熱泵調(diào)峰供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了探討,并與常規(guī)地熱鍋爐調(diào)峰供暖和傳統(tǒng)鍋爐供暖進行了比較。尹航針對具體地熱工程項目建立實驗系統(tǒng)并進行了測試分析,總結出影響地熱能源利用率的因素,包括地熱水的回灌溫度、進水量及進水溫度;列舉了地下水水質(zhì)、回灌方式等對地熱水供熱及供冷系統(tǒng)的影響;同時還分析得出回灌溫度對系統(tǒng)總能效比和對地熱利用率的影響呈相反趨勢;最后利用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus對一棟商用建筑物進行了動態(tài)負荷模擬分析,并根據(jù)峰值負荷理論得出:基礎負荷利用地熱能來滿足,峰值負荷采用輔助的冷熱源來滿足,可以增大供熱及供冷面積,從而提高地熱能源利用率。3經(jīng)濟分析與數(shù)學模型的建立3.1熱供暖系統(tǒng)的特點和參數(shù)3.1.1調(diào)峰措施的經(jīng)濟性分析地熱能作為綠色、可再生能源雖然具有運行費用低的特點,但是作為熱源的地熱井卻需要較高的初投資。以天津地區(qū)為例,通常每開采一口地熱深井,必須同時開采一口地熱回灌井,以免因地下水流失造成生產(chǎn)井水位快速下降。目前天津地區(qū)用于供熱的地熱井深度超過2000m,最深達4000m。每口地熱井的勘探、開采造價約為400~600萬元。光是地熱井的造價就遠遠高于傳統(tǒng)集中供暖鍋爐房的造價。因此,如何利用供暖工程及地熱能本身的特點,提高地熱能源利用率,降低單位面積地熱井的造價,降低單位面積地熱供暖系統(tǒng)的年運行費用,是研究地熱供暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的最大區(qū)別。本文對地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟分析是在具備一定的地熱熱儲的地質(zhì)條件下進行的。雖然地熱水的出水溫度和水位對地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟分析會產(chǎn)生重要的影響,但由于地熱水的出水溫度和水位主要隨選用的地層及其地下水蘊含量的不同而變化,而此項影響因素屬于水文地質(zhì)方面需要考慮的問題,因此本文將地熱水的溫度和水位設為地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性模型的給定參數(shù)。由于供熱負荷與室外溫度的降低基本上是呈正比例關系,因此以供熱負荷為縱坐標時的度日數(shù)曲線形狀與以室外溫度為縱坐標時相同,即供熱負荷的變化與室外溫度的變化是一致的。由圖1可以看出,對于間接式供暖系統(tǒng),在地熱水流量不變的條件下,隨著室外溫度的降低線性提高循環(huán)水的溫度,可以起到調(diào)峰的目的。但是循環(huán)水溫度不可能超過地熱水出口溫度,地熱水溫度調(diào)節(jié)范圍不可能像鍋爐供暖那樣大。同時,由圖2可以看出,如果循環(huán)水溫度不變,為了適應室外溫度的降低,地熱水流量應呈指數(shù)規(guī)律增加趨勢,而不是像直接式供暖系統(tǒng)那樣呈線性比例增加方式。反過來說,如果室外溫度低于間接式地熱供暖的室外設計溫度,如圖3所示,間接式供暖系統(tǒng)的相對熱效率不是保持不變,而是呈下降趨勢。以上分析適用于環(huán)境溫度高于設計溫度的情形,如果實際環(huán)境溫度低于設計的環(huán)境溫度,而且沒有調(diào)峰熱源,室內(nèi)溫度將下降。主要原因是由于建筑物散熱損失增加,循環(huán)水的回水溫度降低,供水溫度也降低,這樣就會導致室內(nèi)散熱器散熱性能的惡化。若不采用調(diào)峰措施,如圖4所示,設計工況點為A點,那么在供暖期絕大部分時間內(nèi)系統(tǒng)在低于設計熱負荷的狀態(tài)下運行,累計熱負荷為曲線ABCD以下的面積,約占虛線矩形面積的一半,供熱能力沒有完全發(fā)揮,這樣設備的初投資將會增加很多,運行也不經(jīng)濟。而如果采用調(diào)峰措施,比如考慮調(diào)峰能力為供暖負荷的50%,則會減少近一半的地熱供暖負荷。地熱供暖與調(diào)峰措施相結合,揚長避短,可以充分利用地熱水,提高地熱水的利用效率。較理想的設計熱負荷是略高于全年的平均熱負荷(如圖4中的C點),這樣在整個供暖期內(nèi)地熱供暖系統(tǒng)都處于運行狀態(tài)。在僅靠地熱供暖系統(tǒng)不能滿足高峰熱負荷的情況下,可以采用其他輔助熱源進行調(diào)峰。調(diào)峰系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析也應考慮初投資和運行費用兩方面。地熱供暖系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)各部分之間相互影響,因此,供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價應包括系統(tǒng)內(nèi)的所有部分。3.1.2熱壓系統(tǒng)的特殊參數(shù)1調(diào)峰措施在權地熱供暖系統(tǒng)如果按照最大負荷來開采地熱,需要配置大量的地熱井,雖然在節(jié)能、環(huán)保上體現(xiàn)了最大的優(yōu)勢,但是由于地熱井高昂的勘探鉆井費用,必然會造成整個系統(tǒng)投資巨大。最大熱負荷出現(xiàn)在室外氣溫最低的時段內(nèi),而最低室外氣溫在一年中出現(xiàn)的時間很短,所以最大熱負荷一般在一年中出現(xiàn)的時間也很短。采用基礎負荷加調(diào)峰負荷的復合式系統(tǒng),既利用了地熱能具有的高效節(jié)能、環(huán)保清潔、安全可靠,運行穩(wěn)定、便于管理、節(jié)省占地空間以及舒適等諸多優(yōu)點,又能利用調(diào)峰措施運行以提高地熱能的利用效率,優(yōu)化地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性。調(diào)峰比是地熱供暖系統(tǒng)調(diào)峰負荷占系統(tǒng)總的供暖負荷的百分比。關于調(diào)峰比的相關公式如下:①設計調(diào)峰比μμ=qfqs×100%(1)μ=qfqs×100%(1)式中qf為單位面積調(diào)峰熱負荷,kW/m2;qs為單位面積設計熱負荷,kW/m2。②采用調(diào)峰措施后的供暖面積Ff=Fd1?μ(2)Ff=Fd1-μ(2)式中Ff為采用調(diào)峰措施后的供暖面積,m2;Fd為未采用調(diào)峰措施的供暖面積,m2。2不同水溫下銅鋁復合薄膜散熱量的計算由于地熱屬于恒定流量一過式熱源(只能一次利用,不消耗載熱介質(zhì),只提取熱量),地熱井釋放的熱量由地熱水放熱后的尾水溫度決定。同一口地熱井地熱尾水溫度越低,地熱井提供的熱量越多。地熱水釋放熱量由下式計算:qr=cGr(tr?tp)(3)qr=cGr(tr-tp)(3)式中qr為地熱水釋放熱量,kW;c為水的比熱容,kJ/(kg·℃);Gr為地熱水的流量,kg/s;tr為地熱水出水溫度,℃;tp為地熱水尾水排放溫度,℃。但是地熱尾水溫度又影響供暖系統(tǒng)的供回水溫度,并進一步影響供暖系統(tǒng)末端散熱設備的散熱面積。不同水溫下銅鋁復合散熱器散熱量的計算結果如表1所示。由表1可知,循環(huán)水平均溫度與供暖室內(nèi)溫度的差值影響著供暖末端設備的安裝數(shù)量,從而影響室內(nèi)供暖系統(tǒng)的造價,造成地熱系統(tǒng)整體造價的變化。3.2供暖粒度數(shù)確定和組合由于地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在可以節(jié)省大量的高品位能源,因此在能源越來越短缺的今天,地熱能在降低供暖系統(tǒng)的運行費用方面的優(yōu)越性越來越明顯。地熱和其他方式的熱源作為調(diào)峰熱源的復合式供暖系統(tǒng)可取得較高的經(jīng)濟效益。調(diào)峰熱源的累計熱量成為地熱供暖系統(tǒng)優(yōu)化模型中主要的組成部分。而調(diào)峰熱源的累計熱量要根據(jù)供暖度日數(shù)曲線進行計算。本節(jié)主要對度日數(shù)曲線進行分析并建模。度日數(shù)的定義是每日的平均溫度與規(guī)定的基準溫度的偏離值(℃·d)。因此,某一天的度日數(shù)就是該日的平均溫度與基準溫度的差值。供暖度日數(shù)則是指采用當?shù)貥藴誓甑臍庀髷?shù)據(jù)確定的冬季供暖度日數(shù)HDD值。確定標準年氣象參數(shù)的做法是,根據(jù)當?shù)貧庀笈_站最近10年的氣象資料月統(tǒng)計值得出120個月的統(tǒng)計樣本,從中選出能夠反映氣象規(guī)律的、有代表性的12個平均月,用各平均月的逐時氣象數(shù)據(jù)進行動態(tài)負荷計算,并將12個平均月銜接構成的氣象資料稱為標準年氣象資料。由于氣象參數(shù)是隨機的,因此在進行全年供暖能耗計算時采用標準年氣象參數(shù)才有代表性。由于地熱供暖系統(tǒng)具有較高的初投資和較低的運行費用,供暖系統(tǒng)的能耗將是系統(tǒng)優(yōu)化和分析時重要的影響因素。供暖度日數(shù)是計算供暖能耗的重要參數(shù)。而供暖度日數(shù)是離散數(shù)組,在進行地熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟分析時需要對其建立數(shù)學模型,本文采用最小二乘法對供暖度日數(shù)進行多項式數(shù)據(jù)擬合。下面以天津地區(qū)室外溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(