新型能源利用系統(tǒng)分析軟件的研究和開發(fā)初探

史宇豐

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002）

0 引言

分布式供能（簡(jiǎn)稱CHP）是指利用一種形式的一次能源（如生物沼氣、煤層氣、天然氣、焦?fàn)t煤氣等）同時(shí)生產(chǎn)冷量、熱量、電力三種不同形式的能量來滿足用戶用能需求的技術(shù)，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式。與傳統(tǒng)集中供能形式不同，CHP通過能源的梯級(jí)利用，大大提高了一次能源利用率，對(duì)于夏季需制冷、冬季需供熱的建筑，CHP系統(tǒng)可提供更大的供能靈活性。

天然氣分布式供能是指利用天然氣為一次能源的分布式供能，其綜合能源利用率在70%以上，節(jié)能減排效果明顯、可以優(yōu)化天然氣利用，并能發(fā)揮對(duì)電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的雙重削峰填谷作用，增加能源供應(yīng)安全性。國家發(fā)改委在2011年10月9日發(fā)布的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2011〕2196號(hào)）的文件，主要任務(wù)是在“十二五”初期啟動(dòng)一批天然氣分布式能源示范項(xiàng)目，“十二五”期間建設(shè)1000個(gè)左右天然氣分布式能源項(xiàng)目，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。因此，大規(guī)模發(fā)展天然氣分布式供能勢(shì)在必行。

但由于我國對(duì)CHP研究起步較晚，正式投入運(yùn)行的項(xiàng)目較少，因而國內(nèi)對(duì)CHP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平普遍較低，因此開展對(duì)CHP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究，可提高我國在CHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的水平，如把設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到計(jì)算機(jī)軟件中，可大大降低CHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的繁瑣性和難度，因而能在建筑行業(yè)大規(guī)模推廣CHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此社會(huì)效應(yīng)是巨大的。由此華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司聯(lián)合上海華電源信息技術(shù)有限公司共同研究和開發(fā)了分布式供能系統(tǒng)分析軟件。

1 分布式供能系統(tǒng)分析軟件設(shè)計(jì)研究技術(shù)路線

規(guī)劃一個(gè)天然氣分布式供能系統(tǒng)，首先設(shè)定該項(xiàng)目可以用分布式供能系統(tǒng)，然后需了解建筑對(duì)象的負(fù)荷特性、外部環(huán)境因素和系統(tǒng)組成形式。系統(tǒng)配置和優(yōu)化則需根據(jù)不同配置情況和當(dāng)?shù)氐哪茉凑叩染C合因素予以確定，最后從節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)三方面綜合評(píng)價(jià)用戶的分布式供能應(yīng)用效果。分布式供能軟件開發(fā)的技術(shù)路線框架如圖1所示。

1.1 建筑對(duì)象的確定

建筑類型基本包含：商業(yè)、酒店、醫(yī)院、辦公、工廠等。適合使用CHP系統(tǒng)的用戶建筑一般應(yīng)具有以下特征：

（1）全年電力負(fù)荷、熱力負(fù)荷穩(wěn)定相對(duì)且設(shè)備使用率高的用戶；

（2）電力負(fù)荷與熱力負(fù)荷逐時(shí)變化類似的用戶，即熱電比波動(dòng)較小；

（3）用戶熱電比與原動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性相匹配，綜合效果會(huì)很好；

（4）對(duì)供能安全性有很高要求的用戶，如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、商業(yè)、酒店等。

因此，按常規(guī)酒店、綜合商業(yè)、醫(yī)院建筑比較適合做分布式供能系統(tǒng)，但具體情況還應(yīng)根據(jù)建筑物的負(fù)荷特性來進(jìn)行分析。

1.2 建筑物電、熱、冷負(fù)荷的預(yù)測(cè)

建筑物是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其冷、熱、電負(fù)荷需求均隨時(shí)間而變化，且峰值負(fù)荷一般不同時(shí)出現(xiàn)，為了選擇合適的分布式供能形式、提高系統(tǒng)效率，需對(duì)建筑內(nèi)部的冷、熱、電負(fù)荷逐時(shí)、逐月變化進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行分析。

在軟件中，輸入預(yù)測(cè)的負(fù)荷（可為每月典型日負(fù)荷，也可為一年8760h逐時(shí)負(fù)荷），可自動(dòng)生成每月典型日一天24h的負(fù)荷曲線圖表，根據(jù)曲線特性，可對(duì)建筑物用能特性有很直觀的了解，并可作為選擇系統(tǒng)配置的依據(jù)。

1.3 外部條件因素

外部條件因素主要有以下幾點(diǎn)：（1）當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格；

（2）當(dāng)?shù)卣畬?duì)分布式供能系統(tǒng)設(shè)備有無經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼；

（3）分布式供能系統(tǒng)與市政電網(wǎng)的連接情況，是否可以并網(wǎng)、上網(wǎng)。

能源價(jià)格是分布式供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的重要因素，而分布式供能系統(tǒng)與市政電網(wǎng)的連接情況決定了系統(tǒng)的運(yùn)行方式。

1.4 運(yùn)行方式和運(yùn)行時(shí)間的設(shè)定

分布式供能系統(tǒng)容量的選擇應(yīng)根據(jù)“以熱定電，熱電平衡”的原則，并根據(jù)點(diǎn)、熱（冷）負(fù)荷的特性和大小合理確定。

“以熱定電”是按照用戶的熱或冷負(fù)荷需求來進(jìn)行系統(tǒng)配置，此運(yùn)行方式不產(chǎn)生過量余熱，其綜合效率較高。

1.5 系統(tǒng)配置

根據(jù)以上幾方面的分析結(jié)果，在此必須確定原動(dòng)機(jī)種類、余熱利用設(shè)備和余熱利用系統(tǒng)、其它冷熱源設(shè)備。主要有以下幾方面內(nèi)容：

（1）原動(dòng)機(jī)種類的選擇（燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等）、原動(dòng)機(jī)參數(shù)和臺(tái)數(shù)確定；

（2）余熱利用設(shè)備的選擇（余熱鍋爐、余熱溴化鋰機(jī)組、煙氣熱交換器等）、余熱利用設(shè)備參數(shù)和臺(tái)數(shù)確定；

（3）其它冷熱源設(shè)備的選擇（水蓄冷、熱泵、鍋爐、電制冷、溴化鋰機(jī)組等），設(shè)備參數(shù)和臺(tái)數(shù)；

（4）形成完整的余熱利用系統(tǒng)圖。

有效利用原動(dòng)機(jī)的余熱，是分布式供能系統(tǒng)的核心。使用余熱的地方主要是生活熱水、采暖和制冷，一般利用余熱的先后順序?yàn)樯顭崴?采暖>制冷。

1.6 環(huán)境評(píng)價(jià)

環(huán)境評(píng)價(jià)是對(duì)CHP系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并與常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行比較。分布式供能系統(tǒng)的燃料為天然氣，屬于清潔能源，燃燒時(shí)基本不會(huì)產(chǎn)生粉塵和二氧化硫，而產(chǎn)生的電力又能減少市政電力需求，從而達(dá)到間接抑制燃煤火力發(fā)電所產(chǎn)生的二氧化硫等物質(zhì)。

各類排放物質(zhì)的排放削減率等于兩種系統(tǒng)的排放量之差與傳統(tǒng)系統(tǒng)的排放量的比值。公式如下：

CO2排放削減率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)的CO2排放量-分布式供能系統(tǒng)的CO2排放量）/傳統(tǒng)系統(tǒng)的CO2排放量

SO2排放削減率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)的SO2排放量-分布式供能系統(tǒng)的SO2排放量）/傳統(tǒng)系統(tǒng)的SO2排放量

NOx排放削減率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)的NOx排放量-分布式供能系統(tǒng)的NOx排放量）/傳統(tǒng)系統(tǒng)的NOx排放量

還可根據(jù)以上計(jì)算得出減碳量，并計(jì)算碳交易收益。

1.7 節(jié)能評(píng)價(jià)

節(jié)能評(píng)價(jià)是對(duì)分布式供能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)兩者消耗能源的標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行比較。目前消耗的能源主要有電力能源和燃?xì)饽茉矗瑢烧呔D(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)煤。傳統(tǒng)系統(tǒng)的消耗能源主要包括對(duì)象建筑物內(nèi)所有用電設(shè)備的用電量，供冷系統(tǒng)中各種設(shè)備（電制冷、水泵、冷卻塔等）的用電量，供熱系統(tǒng)中各種設(shè)備（鍋爐、水泵等）的用電量。而分布式供能系統(tǒng)除了上述設(shè)備之外，還要計(jì)算原動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀牧浚?jié)能相關(guān)的具體公式如下：

傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗能源的標(biāo)準(zhǔn)煤=0.327×傳統(tǒng)系統(tǒng)的用電總量＋1.2143×傳統(tǒng)系統(tǒng)的鍋爐燃?xì)庀牧?/p>

分布式供能系統(tǒng)消耗能源的標(biāo)準(zhǔn)煤=0.327×分布式供能系統(tǒng)的用電總量＋1.2143×（原動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀牧浚植际焦┠芟到y(tǒng)的鍋爐燃?xì)庀牧浚?/p>

節(jié)能率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗能源的標(biāo)準(zhǔn)煤-分布式供能系統(tǒng)消耗能源的標(biāo)準(zhǔn)煤）/傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗能源的標(biāo)準(zhǔn)煤

若分布式供能系統(tǒng)有剩余電力可供上網(wǎng)發(fā)電，應(yīng)從分布式供能系統(tǒng)的用電總量中扣除相應(yīng)的賣電量。

1.8 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)是投資決策的重要指標(biāo)。雖然節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性之間有密切的聯(lián)系，但節(jié)能性最優(yōu)化的系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)性并不一定是最優(yōu)的。在考慮節(jié)能性的同時(shí)，如何選擇經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的系統(tǒng)是分布式供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)就是計(jì)算傳統(tǒng)系統(tǒng)和分布式供能系統(tǒng)的投資成本與運(yùn)行成本，然后將兩種系統(tǒng)的成本綜合分析，評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性。

（1）全年運(yùn)行成本計(jì)算，主要有以下內(nèi)容：

全年運(yùn)行成本≈買電電費(fèi)-賣電電費(fèi)+燃?xì)赓M(fèi)用+維護(hù)費(fèi)用+人工費(fèi)用

（2）此公式一般適用于初期規(guī)劃階段

1.9 其它系統(tǒng)在分布式供能軟件中的應(yīng)用

本軟件還預(yù)留了接口，方便今后其它系統(tǒng)的追加，如水蓄冷、熱泵、水源熱泵系統(tǒng)，這些都是比較節(jié)能的系統(tǒng)，將其追加到軟件中，能更加便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選擇和比較。

1.10 綜合評(píng)價(jià)

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總和總結(jié)，選出系統(tǒng)方案，得出結(jié)論。

2 項(xiàng)目案例

根據(jù)以上設(shè)計(jì)框架為指導(dǎo)思想，由華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司和上海華電源信息技術(shù)有限公司共同進(jìn)行了軟件編制和開發(fā)，并將軟件命名為《CHP分布式供能系統(tǒng)分析及評(píng)估軟件》，下面以一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為案例簡(jiǎn)單介紹此分布式供能軟件的基本功能。

2.1 項(xiàng)目概況

此項(xiàng)目為五星級(jí)高端會(huì)展酒店。主要建筑指標(biāo)如下：

基地面積：27 355.3m2

總建筑面積：145 097m2

建筑高度：北區(qū)西側(cè)A塔樓大屋面高度119.8m，東側(cè)B塔樓84.69m，南區(qū)裙房24m。

建筑主要功能：兩座高層塔樓的功能為酒店客房，北側(cè)裙房主要功能為餐飲、會(huì)議和桑拿設(shè)施，南側(cè)裙房一至二樓為KTV娛樂功能、三樓為大型多功能廳。

酒店對(duì)供電和供冷、供熱的要求明確，并根據(jù)各專業(yè)統(tǒng)計(jì)的全年8760h負(fù)荷清晰的展示了酒店用能特性，并為本三聯(lián)供機(jī)房裝機(jī)需求的估算提供了可靠的依據(jù)。根據(jù)電、冷、熱負(fù)荷曲線，擬建設(shè)發(fā)電能力為800kW的分布式供能機(jī)房，內(nèi)設(shè)2臺(tái)400kW的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供電源分兩路并網(wǎng)至2臺(tái)低壓變壓器的低壓主母排上；在制冷季將內(nèi)燃機(jī)的缸套水和煙氣接至熱水煙氣型溴化鋰機(jī)組，為酒店提供空調(diào)冷水，不足部分用電制冷機(jī)補(bǔ)充；在其它季節(jié)，用缸套水和煙氣分別加熱系統(tǒng)回水，為酒店采暖和生活熱水提供高溫?zé)崴蛔悴糠钟萌細(xì)忮仩t補(bǔ)充。每臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組與余熱設(shè)備一一對(duì)應(yīng)。圖2為余熱系統(tǒng)的流程圖。市電網(wǎng)平衡，考慮每天22：00～6：00不開機(jī)，用市網(wǎng)電。每年四月份為機(jī)組檢修月，五月初至十月底為制冷季，其余季節(jié)為采暖季和過渡季。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算得出的結(jié)論見表1～表5。

表1 全年運(yùn)行情況評(píng)估結(jié)果

表2 全年系統(tǒng)運(yùn)營收入

經(jīng)了解當(dāng)?shù)氐娜?lián)供用燃?xì)鈨r(jià)格為2.87元/m3，常規(guī)系統(tǒng)用燃?xì)鈨r(jià)格為3.29元/m3，售冷價(jià)格為0.205元/kWh，售熱價(jià)格為0.367元/kWh，電價(jià)均為0.863元/kWh。便于

表3 全年三聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)赓M(fèi)用支出

表4 全年三聯(lián)供系統(tǒng)收益

表5 污染物排放比較

同時(shí)計(jì)算得出的此三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能率為30.5%。

2.2 利用CHP分布式供能系統(tǒng)分析及評(píng)估軟件對(duì)此酒店的三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行分析

2.2.1 軟件運(yùn)行計(jì)算界面

（1）圖3為軟件的主界面，在此界面可輸入項(xiàng)目的基本信息。

（2）圖4為軟件的價(jià)格輸入界面，可以同時(shí)輸入幾個(gè)價(jià)格策略。

（3）圖5為軟件的余熱系統(tǒng)繪制界面，并可在此界面雙擊設(shè)備，對(duì)設(shè)備參數(shù)和臺(tái)數(shù)進(jìn)行定義和修改。

（4）圖6為軟件的運(yùn)行時(shí)間設(shè)定界面。（5）圖7為軟件的計(jì)算運(yùn)行界面。

（6）圖8為軟件的計(jì)算結(jié)果輸出表格，在此可調(diào)用計(jì)算中間結(jié)果和最終結(jié)果。軟件的最終報(bào)告是生成word版本的項(xiàng)目方案書。

2.2.2 計(jì)算結(jié)論

（1）全年運(yùn)行情況匯總（見表6）

表6 軟件計(jì)算全年運(yùn)行情況評(píng)估結(jié)果

（2）全年運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)。常規(guī)系統(tǒng)中，電源需采用市電網(wǎng)，冷源采用電制冷機(jī)，熱源采用燃?xì)忮仩t。按此原則將三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電、余熱制冷制熱量進(jìn)行價(jià)格折算以統(tǒng)計(jì)全年運(yùn)營收入，結(jié)果見表7。本三聯(lián)供系統(tǒng)的燃?xì)赓M(fèi)用為支出費(fèi)用，結(jié)果見表8。則采用三聯(lián)供系統(tǒng)后的全年收益見表9。

表7 軟件計(jì)算全年系統(tǒng)運(yùn)營收入

表8 軟件計(jì)算全年三聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)赓M(fèi)用支出

表9 軟件計(jì)算全年三聯(lián)供系統(tǒng)收益

（3）節(jié)能指標(biāo)的計(jì)算與分析。與不采用三聯(lián)供系統(tǒng)的方案相比，采用此三聯(lián)供方案后的節(jié)能率為32%。

（4）污染物排放指標(biāo)的計(jì)算與分析。與不采用三聯(lián)供系統(tǒng)的方案相比，采用此三聯(lián)供方案后污染物排放減排率見表10。

表10 軟件計(jì)算污染物排放比較

（5）軟件其它功能介紹。此軟件還可自動(dòng)生成項(xiàng)目分布式能源可行性研究咨詢報(bào)告，報(bào)告為Word版本，已涵蓋了方案說明、全年運(yùn)行情況分析、節(jié)能分析、經(jīng)濟(jì)分析和污染物排放指標(biāo)分析等內(nèi)容，此報(bào)告為開放式的，設(shè)計(jì)者還可以對(duì)報(bào)告中的內(nèi)容進(jìn)行編輯和補(bǔ)充。以上這些表格中的數(shù)據(jù)均已包含在報(bào)告中了，同用最原始的手算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，基本相符，也驗(yàn)證了此軟件的正確性。

讓軟件自動(dòng)生成分布式能源可行性研究咨詢報(bào)告，可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作，提高工作效率，不用再為寫繁瑣的報(bào)告而頭疼了。在用軟件進(jìn)行計(jì)算中，還可以同時(shí)輸入2個(gè)或2個(gè)以上的分布式供能方案，用軟件計(jì)算后，在報(bào)告中可以清晰的看到不同分布式功能方案之間的數(shù)據(jù)比較，以此為依據(jù)選擇一個(gè)最優(yōu)方案。

3 結(jié)語

從以上的案例可以看出，此分布式供能軟件能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)效率，其計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了此軟件的合理有效性，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也證實(shí)了采用分布式供能系統(tǒng)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

然而此軟件開發(fā)還在初期階段，很多功能還有待于進(jìn)一步深化和調(diào)整。目前華東院已在著手整理各種品牌的設(shè)備詳細(xì)參數(shù)、價(jià)格和調(diào)研，例如三聯(lián)供系統(tǒng)的自耗電等，使軟件計(jì)算更加精準(zhǔn)，也使得軟件的數(shù)據(jù)庫更加完善。同時(shí)華東院也用了一系列的案例，對(duì)軟件進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試，希望使得界面更加簡(jiǎn)明易懂，操作性更強(qiáng)，便于設(shè)計(jì)人員的操作和使用。此外還為軟件預(yù)留了接口，希望在今后能把其它的一些節(jié)能系統(tǒng)追加到軟件中去，擴(kuò)展軟件的功能。

希望此分布式供能軟件能為更多設(shè)計(jì)師使用，為我國分布式供能系統(tǒng)的全國普及做出貢獻(xiàn)。

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[1]CJJ145-2010，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程[S].2010.

[2]DG/TJ08-115-2008，分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].2008.

[3]發(fā)改能源〔2011〕2196號(hào)，關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見[S].2011.