本次介绍的学术论文《The reservoir network: a new network topology for district heating and cooling》发表于《Energy》期刊（第199卷，2020年），文章标识号为117418。该研究的主要作者包括Tobias Sommer（通讯作者）、Matthias Sulzer、Michael Wetter、Artem Sotnikov、Stefan Mennel和Christoph Stettler，他们分别来自瑞士卢塞恩应用科学与艺术大学建筑技术与能源研究所、瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）以及美国劳伦斯伯克利国家实验室。
研究背景与学术领域 该研究属于建筑能源系统与区域能源规划领域，具体聚焦于第五代区域供热供冷（5GDHC）网络的技术创新。为了应对全球变暖并降低城市区域的二氧化碳排放，区域供热被视为一项关键措施。随着全球变暖的加剧，建筑制冷需求日益凸显。同时，制冷过程产生的废热可以被回收用于供热，这为提高能源效率提供了机会。为了实现这种潜力，需要通过区域热网将建筑物连接起来，使其能够交换多余的能量。然而，传统以中央热源和分布式用户为基础的网络拓扑结构，已不再适用于存在双向能量流的“产消者”（prosumer，即同时是生产者和消费者）模式，因此需要新的水力概念。
当前区域供热的发展重点是降低网络温度（从第三代向第四代过渡），但典型的第四代系统无法满足建筑的制冷需求。近年来，主要在瑞士和德国，出现了同时用于供热和制冷的新型低温热网，可被称为“第五代区域供热供冷（5GDHC）网络”。在这种网络中，热泵、制冷机和热交换器的组合为空间供热、生活热水和制冷提供所需温度水平的可用能量。由于建筑物之间存在双向能量流，所有用户（即产消者）都可能从网络中提取或向网络供应热量，这带来了新的控制挑战。现有的一些双向网络（BN）在运行中遇到了泵与泵之间相互干扰的控制难题，特别是在不同规模的产消者共存时，大型产消者的循环泵会严重影响小型产消者的流量，甚至可能导致流量反向或设备损坏。针对这些挑战，本研究提出了一种新颖的网络拓扑结构——蓄水池网络（RN），旨在以可比的能源效率实现更简单的水力设计，从而确保运行的鲁棒性和可扩展性。
研究目标 本研究旨在通过回答三个研究问题来比较新的RN拓扑与传统的BN拓扑：(i) 是什么驱动了5GDHC网络的效率？(ii) 在何种情况下，RN拓扑可以降低投资成本？(iii) 为何RN能实现更稳健的运行并对供需变化更具适应性？具体比较内容包括：(i) 热泵和循环泵的电力消耗；(ii) 基于开挖、管径和管长的投资成本；(iii) 水力设计的定性讨论。
研究流程与方法 本研究主要采用基于Modelica语言的建模仿真方法，使用了Modelica Buildings库版本6.0.0，并在Dymola 2020建模与仿真环境中进行。整个研究流程包括系统建模、参数设计、多情景仿真对比和结果分析。
第一步：网络拓扑与系统元素定义与建模 首先，明确定义了热网中的关键元素： 1. 产消者（Prosumer）：主要任务是满足建筑或工艺的供热或制冷需求，既可从网络提取热量，也可向网络供应热量（例如，来自制冷的废热）。研究模型中包含了三个典型的产消者：一栋住宅楼、一栋办公楼和一栋医院。每个产消者都有基于瑞士典型原型建筑生成的、按比例放大至区域规模的逐时空间供热、生活热水和空间制冷需求剖面。 2. 工厂（Plant）：主要任务是平衡所有产消者的年度净热需求。它本身没有需求，而是作为热源或热汇提供服务。在本研究中，工厂被建模为一个污水热交换器，具有恒定的进水温度和流量。 3. 储热体（Storage）：主要任务是克服网络中供热和取热的时间差。理想情况下，年度净能量交换为零。本研究采用了一个包含350个并联双U型地埋管（每个深250米）的钻孔场作为季节性储热体。 4. 网络管道与循环泵：使用压力降模型进行建模，循环泵模型考虑了电机效率和液压效率。
接着，详细构建了两种网络拓扑的模型： * 基准案例 - 双向网络（BN）：这是具有两条管道（一暖一冷）的并行连接拓扑。产消者、工厂和储热体都并联在暖管和冷管之间。产消器的流量方向根据其处于供热或制冷模式而改变。储热体通过旁路和控制阀连接，以实现通过旁路的零流量。 * 新方案 - 蓄水池网络（RN）：这是一个单管回路（蓄水池回路）拓扑。所有产消者都从该回路取水，满足需求后再将水注回同一回路。取水点和回水点在管道上相邻。这种设计确保了各产消器水泵之间的水力解耦，无需控制阀进行水力平衡。回路中的水流方向由主循环泵保持恒定。
产消者内部的水力方案（包含用于供热的热泵和用于制冷的直接换热器）在BN和RN中保持一致，以确保可比性。但在网络集成方式上有所不同：在BN中，产消器需要双向流动；而在RN中，通过使用两个三通阀，确保始终从回路上游取水、向下游回水。
第二步：参数设计与情景设定 为了进行公平且有意义的比较，研究设定了设计条件： 1. 能量条件：储热体的年度能量平衡为零。因此，工厂需满足产消者对管网施加的年度净热需求（减去循环泵能耗）。 2. 温度条件：必须为产消者提供介于6°C至17°C之间的水温。上限17°C是为了支持直接制冷，下限6°C是为了确保经过热泵降温后仍高于冰点。
基于这些条件，对管道和循环泵进行了尺寸设计： * BN案例：无主循环泵，暖管和冷管中的流量由产消器和工厂的流量决定。管道设计流量取为各管段逐时流量分布的95%分位数，单位长度压降设计为250 Pa/m。计算得到的平均管径为0.17米。 * RN案例：设计了三种情景以展示性能驱动因素： * RN1：蓄水池回路以恒定流量（95 kg/s）运行，单位长度压降为250 Pa/m，计算得管径为0.21米。 * RN2：同样以恒定流量（95 kg/s）运行，但采用更低的单位长度压降（125 Pa/m）以减少泵能耗，计算得管径为0.23米。 * RN3：蓄水池回路的流量根据网络温度进行可变控制，旨在满足温度条件的同时最小化流量。管道设计流量取为逐时流量分布的95%分位数（69.5 kg/s），单位长度压降为250 Pa/m，计算得管径为0.18米。
此外，为了满足能量条件，针对不同拓扑和情景优化了工厂（污水热交换器）的尺寸（即换热效率ε），BN中ε为0.70，RN1和RN2中为0.94，RN3中为0.91。
第三步：仿真执行与数据分析 使用Dymola对上述四种系统配置（BN, RN1, RN2, RN3）进行了为期一年、逐时分辨率的动态仿真。求解器采用Radau，容差为1e-5。仿真结束后，收集并分析以下关键数据： 1. 设计条件符合性：检查工厂供热量、储热体净能量交换以及网络温度是否满足预设条件。 2. 质量流量与热泵性能：分析各产消器、工厂、储热体及管网中的质量流量变化。计算并比较不同拓扑下各产消器热泵的瞬时性能系数（COP）。 3. 电力消耗：汇总计算全年热泵和循环泵的总耗电量，并分析其季节变化模式。 4. 投资成本估算：基于市场数据，估算不同管径下单管和双管配置（考虑管道、开挖和安装）的每米投资成本，并结合不同拓扑在典型区域布局（环形和线性）下的管道总长度，进行经济性比较。
主要结果 设计条件符合性：所有仿真案例均成功满足了设计条件。在BN和RN3中，工厂的年度供热量（分别约为2.214 GWh和2.210 GWh）几乎相同，略低于产消者的净热需求（2.93 GWh），差额由热泵电力提供。储热体的年度净能量交换为零。全年网络水温均维持在6°C至17°C的限定范围内。
质量流量与热泵性能：BN和RN3中，通过产消器的质量流量根据其COP和需求变化，趋势相似。RN1和RN2中的蓄水池回路流量恒定。RN3中的回路流量通过控制策略实现了可变，从而在大部分时间降低了流量。热泵的COP在BN和RN3之间仅有微小差异（通常小于2%），这是因为尽管网络平均温度不同，但均处于高效运行区间。
电力消耗（核心结果）： * 热泵耗电：在BN、RN1、RN2和RN3中，热泵的年度耗电量非常接近，分别为0.69、0.70、0.70和0.69 GWh。差异小于2%，表明两种拓扑在热泵能效方面相当。 * 循环泵耗电：这是不同情景差异显著的部分。 * BN：仅储热体泵耗电，为0.07 GWh。 * RN1（恒定大流量、高压降）：循环泵（包括回路主泵和储热体泵）耗电高达0.42 GWh。 * RN2（恒定大流量、低压降）：通过增大管径降低压降，泵耗电降至0.25 GWh，但仍显著高于BN。 * RN3（变流量控制）：泵耗电仅为0.06 GWh，与BN处于同一水平。 * 总耗电：BN和RN3的总耗电均为0.76 GWh，几乎完全相同。而RN1的总耗电比BN高出48%，RN2高出约24%。关键发现是：当RN采用依赖于网络温度的变流量控制时，其总能效与BN相当；若采用恒定流量运行，循环泵能耗将急剧增加。
投资成本分析： * 单管配置的投资成本始终低于同直径的双管配置。估算表明，即使单管直径增加95%，其成本仍可能与直径较小的双管系统相当。 * 在环形区域布局中，RN作为单环系统，其管道总长度仅为BN双环系统的一半。因此，即使RN3的管径（0.18米）比BN平均管径（0.17米）略大6%，RN在投资上仍具有经济优势。实际上，RN可以承受比BN大得多的管径而仍保持成本优势。 * 在线性区域布局中，BN和RN的管道总长度相近，都可视为双管系统。此时，RN因其稍大的管径，投资成本会略高于BN。
定性优势：除了定量结果，研究指出RN拓扑在规划灵活性、网络扩展简易性和运行稳健性方面具有优势。由于水力解耦，单个产消器的性能调整或流量变化不会影响其他产消器，也无需重新进行水力平衡。此外，多个不同温度的蓄水池回路可以通过直接或间接方式连接，形成模块化、易于扩展的网络结构。
结论与意义 本研究通过详细的仿真对比，提出并验证了一种用于第五代区域供热供冷的新型单管蓄水池网络拓扑。主要结论如下： 1. 能源效率：通过实施变流量控制，蓄水池网络可以达到与双向网络同等的整体能源效率（总耗电差异小于1%）。恒定流量运行会导致泵能耗大幅增加，应予以避免。 2. 经济性：RN的经济性优势高度依赖于区域管网的空间布局。在环形布局中，由于管道长度大幅减少，RN具有显著的投资成本优势。在线性布局中，两者成本相近。 3. 运行与扩展性：RN通过水力解耦简化了控制，提高了运行稳健性，并使得网络扩展和模块化互联更加简便。
研究的价值： * 科学价值：为5GDHC系统提供了一种创新的网络拓扑理论，深化了对复杂多源、双向流动热网中能效驱动因素（特别是泵控策略与管网设计耦合关系）的理解。 * 应用价值：为区域能源规划者和工程师提供了一种新的、具有潜在经济和技术优势的系统设计方案，尤其适用于具有环形管网布局或需考虑未来扩展的新建区域。 * 工程实践价值：明确了新拓扑的设计准则（特别是必须采用变流量控制），并指出了其适用场景，对实际工程选型具有指导意义。
研究亮点 1. 创新性：首次系统性地提出并定义了“蓄水池网络”这一全新的5GDHC拓扑结构，概念清晰，具有原创性。 2. 方法严谨：采用基于物理的、高保真度的Modelica建模仿真方法，对复杂动态系统进行全年逐时分析，结果可靠。设定了明确的设计条件和多情景对比，论证全面。 3. 结论明确且具有启发性：不仅证明了新拓扑在能效上可比，更重要的是揭示了其经济性优势与管网布局的强关联性，以及变流量控制对于RN能效的关键作用。这些发现对工程实践有直接指导意义。 4. 前瞻性：提出了基于互联回路的模块化网络构想，为未来更大范围、更灵活的区域能源整合提供了思路。
其他有价值内容 研究在讨论部分指出了未来需要进一步探索的方向，包括：在不同气候带、城市形态和需求模式下的广泛应用研究；评估未保温管道与周围土壤的热交换（即管网本身的储热能力）；开发用于快速、经济和可靠地规划、设计和运行此类系统的工具。这些都为后续研究指明了路径。此外，研究所使用的所有Modelica模型已在GitHub上开源，有助于推动该领域的重复性研究和协作创新。