樓宇型分布式能源站中蓄能系統的應用探討

常麗，秦淵，李晨

樓宇型分布式能源站中蓄能系統的應用探討

常麗，秦淵，李晨

（中南電力設計院，湖北武漢430071）

介紹了樓宇型分布式能源站的特點及裝機配置，并以武漢某分布式能源站為案例，分析了蓄能系統在樓宇型分布式能源站中的意義，提出蓄能系統設備配置及運行策略的建議。

樓宇型分布式能源站；蓄能系統；系統配置；運行策略

0 引言

隨著經濟的發展、能源結構的調整，分布式能源站系統的應用逐漸引起人們的關注。目前國內已投產的分布式能源站普遍存在經濟效益較差的現象，這不僅與我國特定的能源價格、電力政策等管理體制方面有關，更重要反映的是冷、熱、電負荷需求分析不準確以及系統配置不合理等方面的問題。本文將對分布式能源站中蓄能系統的系統配置及運行策略進行分析探討。

1 樓宇型分布式能源站概述

分布式能源站也稱為燃氣冷熱電三聯供系統（CCHPC：ombined Cooling，heating and Power），是能源綜合梯級利用的解決方案，總的能源利用率可以達到75%～90%。它以燃氣（天然氣、生物質沼氣等）為一次能源，將發電系統和供熱、供冷系統相結合的小規模、點狀分布在用戶附近的一種綜合供能方式。

分布式能源站按供能范圍及系統規模大小，分為區域型和樓宇型兩類。區域型分布式能源站針對工業園區等規模較大的區域，系統規模大，發電機組多采用燃氣輪機；樓宇型分布式能源站則針對酒店、機場、寫字樓、商廈、醫院等建筑群，系統規模較小，發電機組多采用內燃機，一般布置在地下室或鄰近建筑內。本文主要針對樓宇型天然氣分布式能源站的系統配置進行探討。

表1 樓宇型分布式能源站裝機配置類別

樓宇型分布式能源站的裝機配置主要分為發電機組、余熱利用機組、調峰設備及蓄能系統四部分。

2 樓宇型分布式能源站中蓄能系統選型

2.1 樓宇型分布式能源站中設置蓄能系統的意義

（1）優化系統配置

為了合理確定能源站配置選型，最大限度利用余熱，保證能源站的高效性和經濟性，首先應對能源站的冷、熱負荷作詳細的分析匯總，并繪制采暖期、制冷期和過渡期的典型日負荷圖，確定能源站的設計負荷、基礎負荷以及調峰負荷。能源站的基礎負荷主要由余熱利用設備承擔，調峰負荷則由調峰設備及蓄能系統承擔。合理選擇蓄能系統可以使冷熱源設備容量減少30%～50%，減少能源站的初投資，使各設備在高效率區段運行，避免“大馬拉小車”。

（2）提高發電機組運行小時數

與常規空調系統不同，分布式能源站系統中的蓄能系統不僅僅用于冷、熱負荷的調峰，同時可作為一個穩定的冷、熱用戶，有效平衡能源站服務區域冷、熱負荷的波動，以保證發電機組及余熱利用設備長期在高負荷時段運行，增大發電機組滿負荷運行小時數，提高能源站的經濟性。

（3）移峰填谷

蓄能系統在分布式能源站中起到平衡冷、熱、電負荷的作用，緩解用電高峰期電力供應短缺的局面，同時使分布式能源站真正做到“自發自用，余電上網”，最大程度的提高分布式能源站的經濟效益。

（4）多冷、熱源組合，運行靈活，在其他供能設備故障時仍可通過蓄能設備對外供冷、供熱，提高分布式能源站的可靠性。

2.2 樓宇型分布式能源站中設置蓄能系統的選型原則

（1）合理選擇蓄能系統的類型蓄能系統按照蓄能溫度的不同分為蓄冷、蓄熱兩種類型。樓宇型分布式能源站中蓄冷、蓄熱的選擇要根據能源站服務對象的冷、熱負荷需求確定。蓄熱系統的蓄熱溫度一般為85～90℃，放熱溫度50～55℃，蓄熱蓄能密度遠大于蓄冷，在同時有冷負荷和熱負荷需求的工程中，應優先選用蓄熱系統。

蓄冷系統又分為冰蓄冷系統和水蓄冷系統。分布式能源站中應用最多的余熱利用設備為溴化鋰吸收式制冷機組，由于溴化鋰機組的冷凍水供、回水溫度一般在5～14℃范圍內，因此在用戶端沒有低溫供冷要求的情況下，應優先選用水蓄冷系統，同時盡量采用蓄冷水池與消防水池合用的方案，以增大蓄冷能力。

（2）合理確定蓄能系統的容量

常規能源站中蓄能系統蓄冷、蓄熱容量的計算，在《實用供熱空調設計手冊》中有詳細的介紹，在此不作贅述。與常規能源站不同，樓宇型分布式能源站多受空間限制，不具備設置大規模的蓄冷水罐或大型蓄冰裝置的場地條件，因此在蓄能系統的選型計算中不能完全照搬《實用供熱空調設計手冊》中的計算公式，還需要綜合考慮冷熱負荷特性、場地條件、余熱設備的容量等因素。

（3）合理設置蓄能系統的運行策略

蓄能系統的運行策略是以設計周期內能源站服務對象的冷熱負荷特點為依據的，同時考慮輸入能源（如天然氣、蒸汽、電能等）的價格結構，合理安排蓄冷放冷、蓄熱放熱的運行時間，以達到投資和運行費用的最佳狀態。樓宇型分布式能源站中一般采用的是部分負荷蓄能，且為負荷均衡型蓄能。

3 武漢某分布式能源站蓄能系統分析

3.1 項目介紹及系統配置

武漢某樓宇型分布式能源站服務對象主要為辦公樓、商鋪、藝術家工作室、酒店等，利用hdy-smad空調負荷計算及分析軟件V4.0對園區建筑進行全年8760h負荷計算，分析得出能源站設計冷負荷29.4MW，熱負荷17.5MW，年負荷曲線如圖1、圖2所示。

圖1 年冷負荷曲線

圖2 年熱負荷曲線

根據負荷分析結果，確定能源站裝機方案：發電機組選用燃氣內燃機，余熱利用設備選用煙氣熱水型溴化鋰機組，煙氣熱水型溴化鋰機組與內燃機發電機組采用“一拖一”的配置方案，調峰設備選用高壓離心式冷水機組。詳見表2。

表2 分布式能源站裝機方案

3.2 蓄能系統選型

該工程無同時供冷和供熱的需求，且供冷期大于供熱期，蓄能系統的選型按蓄冷負荷計算。

式中Qst—蓄冷量，kW·h；

Δt—釋能回水溫度與蓄能進水溫度間的溫差，℃；

ρ—水的密度，取1000kg/m3；

cp—水的比熱容，取4.187kJ/（kg·℃）；

FOM—蓄能水箱的完善度，考慮混合和斜溫層等因素的影響，一般取85%～90%；

?v—蓄能水箱的體積利用率，考慮布水器的布置和蓄能水箱內其他不可用空間等的影響，一般取95%。

該蓄能系統中Qst取夜間冷負荷低負荷時段，單臺溴機滿負荷運行8h制冷量28800kW·h；Δt取8℃，按照釋冷溫度12℃，蓄冷溫度4℃。計算得所需蓄冷水箱容積3620m3.

然而該分布式能源站站址位于園區地下室，受場地面積、層高等限制，僅可設置一臺500m3水箱，即該水箱蓄冷量約為4400kW·h。為滿足深度蓄冷要求，配置1臺額定制冷量500kW螺桿式冷水機組。考慮到能源站服務園區的供熱期熱負荷需求，該水箱在供熱期用作蓄熱水，蓄熱水溫度90/55℃，蓄熱量約為200000kW·h。

該項目中蓄能系統為小成套設備，設計獨立的控制系統，與能源站整體控制系統之間以通訊方式對接。

經計算，該分布式能源站引入蓄能系統后，冷、熱源設備裝機容量減少10%～20%。蓄能系統的主要設備選型詳見表3。

3.3 蓄能系統運行策略

該能源站服務園區夏季典型日冷負荷、冬季典型日熱負荷計算如圖3、圖4所示。

依據該園區夏季典型日、冬季典型日冷熱負荷曲線，初步確定能源站蓄能系統在100%負荷時運行模式，如圖5、圖6所示。

上圖中運行模式為典型日100%負荷時能源站運行模式，而能源站投運初期冷熱負荷較小，蓄能裝置控制系統需要依據負荷預測結果，調整優化能源站運行模式。

表3 蓄能系統設備規格

4 結語

圖3 夏季典型日負荷曲線

圖4 冬季典型日負荷曲線

本文通過對某樓宇型分布式能源站系統配置的分析研究，將蓄能系統與分布式能源站裝機配置結合起來。針對分布式能源站工程的不同負荷需求，調整蓄能系統的蓄能類型及蓄能比例，以達到能源站整體運行模式最優，使分布式能源站取的較好經濟效益。在接下來的工作中筆者將在以下兩個方面對分布式能源站項目中蓄能系統的應用進行進一步的研究。

（1）將溴化鋰機組的運行融入冰蓄冷系統

分布式能源站項目中應用最為普遍的余熱利用設備—溴化鋰吸收式冷熱水機組，可對外提供的冷凍水供回水溫度為5～14℃，而冰蓄冷系統運行溫度一般為-2～-5.6℃。溴化鋰機組冷凍水系統的運行溫度始終高于冰蓄冷系統的運行溫度，在蓄冰系統運行時溴化鋰機組產生的低溫冷凍水無法參與能源站制冷循環。對于有低溫供冷需求的工程，如何將溴化鋰機組與冰蓄冷系統結合起來，是下一步的研究方向。

（2）純蓄熱系統與蓄冷蓄熱系統的經濟性比較。

為提高蓄能品質，蓄冷系統多采用深度蓄冷，而深度蓄冷需要增加電制冷機、板式換熱器、循環水泵

圖5 蓄能系統夏季典型日運行模式

圖6 蓄能系統夏季典型日運行模式

等配套設備，致使能源站初投資增加，同時電制冷機組在低溫工況運行時COP降低，蓄冷放冷板換的換熱也會帶來冷量損失。而純蓄熱系統即蓄90～95℃低溫熱水，用作提供生活熱水和空調熱水，有冷負荷需求時可通過熱水型溴化鋰機組對外提供冷凍水。究竟采用何種蓄能形式經濟性更好，仍需要根據不同項目的負荷情況及溴化鋰機組的技術水平及投資做進一步的分析和研究。

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Discussion of Energy Storage in Distributed Energy Station for Building Sector

CHANG Li，QIN Yuan，LI Chen
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

This paper introduces the characteristic and equipment configuration of distributed energy station for building sector，then，taking a distributed energy station project in Wuhan for example，analyze the purpose of energy storage in distributed energy station for building sector，put forward the proposal for equipment configuration and operation strategy of energy storage.

Distributed Energy Station For Building sector；Energy Storage；System Configuration；Operation Strategy

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.002

TU831

B

2095-3429（2015）01-0006-04

2015-02-10

修回日期：2015-03-19

常麗（1982-），女，湖北武漢人，學士，工程師，從事暖通及天然氣分布式能源站設計工作。