基于多能互補的公共機構建筑物冷熱聯供系統優化評估研究

李可偉　蔣潔　周瑞霞　鄭深　孟富春

摘要：分析了公共機構能耗特點及多能互補冷熱聯供系統的優勢，設計構建了公共機構建筑物冷熱聯供系統評估模型框架，考慮多種能源互補應用及單一能源應用對比的情形，在保證系統安全可靠的前提下，從經濟、節能、環境等方面提出了系統優化評估指標，可為公共機構建筑冷熱聯供系統優化集成與評估提供思路和參考。

關鍵詞：多能互補；冷熱聯供；優化；評估模型；公共機構

中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）06-0131-02

1 引言

公共機構是能源消費的重要領域。我國公共機構能源消耗指標高、總量大，節約潛力大，是節能工作的一個重要領域。同時，公共機構是社會行為和公共道德的示范和標桿，公共機構對自身節能的重視程度影響著社會公眾的能源消費觀念。因此，加強公共機構節能工作，不僅是構建和諧社會，緩解資源壓力，實現國民經濟可持續發展的必然選擇，也是落實科學發展觀，引導和推進全社會節約能源，建設節約型社會的有效途徑。

2 公共機構能耗特點

我國公共機構分布廣，氣候差異大，且公共機構建筑類型多樣化、能源種類各有不同。大型公共建筑的用能設備包括空調、供熱、照明、辦公設備、電梯等多個系統。其中，采暖、制冷、照明及生活熱水能耗占了很重要的一部分，在公共建筑的全年能耗中，大約50%～60%消耗于空調制冷與采暖系統，20%～30%用于照明。尤其是我國北方地區，采暖為主要能耗。除采暖外，所消耗的能源種類根據建筑物內用能系統的不同而有所差別，一般以電為主，輔以天然氣、煤、蒸汽等。

3 多能互補冷熱聯供系統應用分析

冷熱聯供系統（Combined Heating and Cooling Sys-tern）能根據用戶需求生產熱水（或低壓蒸汽）和冷水，并通過網管系統將它們分配到用戶端，實現供暖及制冷。多能互補冷熱聯供系統是按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源互相補充，同時提供冷源及熱源以合理保護自然資源，促進生態環境良性循環的系統。充分利用可再生能源、余熱能源，積極促進多能互補的冷熱聯供系統在公共機構的開發和利用，可以降低公共機構制冷和采暖系統的能源消耗，對于推動公共機構節能有重要意義。

多能源互補是當今世界分布式能源系統發展的趨勢，包括可再生能源間的集成互補（如太陽能與淺層地熱能，太陽能與風能等）、可再生能源與化石能源的互補（如太陽能與燃氣三聯供、生物質能與熱電聯產等）、化石能源之間的互補等。公共機構建筑多能源互補系統需要遵循能源綜合梯級利用、與環境能源互補，與用能負荷、資源、氣候等特點良好結合，系統全工況設計等集成原則。同時需要綜合考慮系統熱力學及綜合能效、經濟性指標、環保性能、可靠性等多種目標，此外也需要根據負荷需求，靈活組合發電、制冷、余熱利用以及蓄能等技術。

圍繞公共機構能源種類及用能特點，研究建立系統集成優化模型，將不同的能源利用情況、用能規律與設備特性相結合，形成最優化的能源供應系統。通過充分集成利用一切可以利用的資源，建立能源優化利用模型。根據公共機構所處地域、氣候、建筑結構、能源分布情況的不同，建立通用的和單獨適用的最優化模型，并通過中央能源供應系統的集成優化實現能源的梯級利用和綜合利用。

4 冷熱聯供系統優化模型構建

公共建筑所在地域不同的氣象條件、不同的資源，必然會決定某地區適合的可再生能源的條件及其相互配合。例如在華南地區，氣候炎熱，地源熱泵冬季運行時間短，夏季運行溫度高，必然帶來較低的系統效率和經濟價值。而在東北地區，地下溫度較低，從而冬季運行地源熱泵的效率較低，同時由于夏季冷負荷小，冬夏之間存在著較大的取熱排熱不平衡現象，從而加劇了冬季的運行困難，此時考慮太陽能與地源熱泵互補，夏季和過渡季向地下排熱就存在著必要性。同時，建筑物使用功能也對其能源供給形式存在著較大的影響，例如商場、醫院、學校等公共建筑，使用功能性質不同，冷熱負荷使用時段都不同，必然對系統的經濟性造成影響。

在多能源互補系統中，首先要分析每一種能源的特性，有針對性地選取與之匹配的能源及控制策略；其次應基于系統綜合能效較高、品位對口的原則；第三盡可能減小化石能源的消耗量，減少污染物的排放；第四要使系統簡化、投資降低，安全可靠。

系統優化模型的設計將考慮氣候特點、建筑特點、經濟性等基本影響因素，同時根據不同類型能源單獨應用及組合應用的情形，以系統優化運行為導向，兼顧安全可靠、經濟可行、節能效果、環境影響等方面，構建一個多目標、多參數的系統優化綜合模型。

模型旨在針對公共機構能耗占比較高的采暖、制冷以及生活熱水部分能耗，設計多能互補冷熱聯供系統，暫不考慮電的聯供問題。模型總體設計架構如圖1。

模型主體內容由一系列模塊組成，主要包括公共模塊和冷熱源系統計算模塊。

公共模塊包括輸入部分：基本氣象參數，建筑基本參數、基本經濟參數；輸出部分：項目技術經濟指標。

冷熱源系統計算模塊包括基準模塊、冷熱源系統模塊（多能互補類型模塊、單一能源類型模塊）、以及生活熱水的能源使用模塊。①基準模塊。考慮采用目前公共機構建筑比較常用的供能系統為基準模塊，作為對比其他各類能源系統優化集成效果的基準供能模式。其中，冷熱源系統可以“燃氣鍋爐+水冷冷水機組”為比較基準，生活熱水系統可以燃氣鍋爐作為比較基準。②多能互補類型模塊。可考慮以下組合形式：土壤源+太陽能、空氣源+太陽能、地表水+土壤源熱泵、污水源熱泵+燃氣鍋爐、太陽能直接供熱+燃氣鍋爐、太陽能季節蓄熱+燃氣鍋爐等。③單一能源類型模塊。可考慮以下單一能源：土壤源熱泵、空氣源熱泵、地表水源熱泵、污水源熱泵。④生活熱水模塊。可考慮以下形式：太陽能熱水系統（電加熱輔助）、空氣源熱泵、太陽能+空氣源熱泵等。

建筑多能源互補系統在集成過程中將多個能量利用過程整合在一起，既可提高系統的整體性，又能優化系統單獨構件的性能。在建筑領域，多能源互補系統將與資源綜合利用系統耦合，使得建筑能源系統融入建筑生態系統。從長遠的發展來看，降低可再生能源的開發成本，實現多種可再生能源的間的集成互補將越來越重要。

5 冷熱聯供系統優化評估指標選擇

在保證系統安全可靠、穩定運行的前提下，多能互補冷熱聯供系統優化效果評估指標應關注3個方面：經濟指標、節能指標和減排指標（圖2）。

5.1 經濟指標

經濟指標系列可包括總投資、單位平米投資、年采暖運行費、年制冷運行費、年總運行費、壽命期內總能源費現值、項目壽命期總現值、對基準項目的靜態投資回收期、對基準項目的動態投資回收期、對基準項目的凈現值（NPV）、對基準項目的內部收益率（IRR）等。其中，生活熱水系統的經濟指標可包括總投資、每噸熱水投資、每噸運行費用、年總運行費、壽命期內總能源費現值、項目壽命期總現值、對基準項目的靜態投資回收期、對基準項目的動態投資回收期、對基準項目的凈現值（NPV）、對基準項目的內部收益率（IRR）。以下給出幾個主要指標的計算方法。

（1）壽命期內總能源費現值：

CPV=PI×C+A。

式中，CPV為系統壽命期內總能源費現值；PI為折現系數；C為系統每年的總能源費用；A為系統初投資。

式中：

其中，d為市場折現率；e為年燃料價格上漲率；n為從系統開始運行算起，系統壽命或計算期。

（2）靜態投資回收期。靜態投資回收期不考慮折現率，能源上漲率，可快速了解系統增加投資的大概回收期。計算過程如下：

式中，y為多能互補系統對基準系統的靜態投資回收期；I為多能互補系統的初投資；L為基準系統的初投資；C_b為基準系統的能源運行費用；C為多能互補系統的能源運行費用。

（3）動態投資回收期。動態投資回收期是當多能互補系統運行N年后，其節省的運行費用剛好能夠抵消增加的初投資。計算過程如下：

式中，N為多能互補系統對基準系統的動態投資回收期；y為多能互補系統對基準系統的靜態投資回收期

（4）對基準項目的凈現值NPV。壽命期內基準系統的總能源費現值與多能互補系統的總能源費現值之差理解為凈現值NPV。計算過程為：

NPV=CPV_b-CPV

式中，CPV_b為基準項目的總能源費現值，此外，內部收益率定義為15年內當折現率上升到IRR時，對基準項目的凈現值為零。

5.2 節能指標

節能指標系列可包括供暖系統總能耗、每平米能耗、制冷系統總能耗，每平米能耗、年建筑物冷熱源系統總能耗、年每平米能耗、對基準項目的年節能量。上述指標計算中，電的折標系數都采用近年來全國電網平均供電煤耗（即電當量折標系數，而非等價折標系數）；生活熱水系統主要考察每噸熱水能耗、項目對基準項目的年節能量。

對基準項目的年總節能量，以下給出一個基本算法：每年內基準項目的總能耗與多能互補系統總能耗之差，即：

△E=∑eb_i×p_i-∑e_i×p_i

式中，△E為年總節能量；eb_i為基準系統消耗的第i種能源的實物消耗量；p_i為基準系統消耗的第i種能源的折標系數；e_i為多能互補系統消耗的第i種能源的實物消耗量。

5.3 環境指標

環境指標系列包括供暖系統總排放、每平米排放、制冷系統總排放、每平米排放、年建筑物冷熱源系統總排放、每平米排放、對基準項目的年減排量。上述指標計算中電的排放因子采用本地區電網公布的近年排放因子，其它能源如燃氣的排放因此參考燃料供應公司發布的數據（或采用國家標準）；熱水項目主要考察每噸熱水碳排放、項目對基準項目的年減排量。

對基準項目的年總減排量，以下給出一個基本算法：

每年內基準項目的總排放量與多能互補系統總排放量之差，即：

△T=∑eb_i×EF_i-∑e_i×EF_i

式中，△T為年總減排量；eb_i為基準系統消耗的第i種能源的實物消耗量；EF_i為基準系統消耗的第i種能源的碳排放因子；e_i為多能互補系統消耗的第i種能源的實物消耗量。

年減排量只考慮因使用能源導致的碳排放，未考慮物質消耗碳排放和建設材料生產過程的碳排放。

針對上述3個系列的指標的選擇偏好，不同項目會有所取舍，例如公共建筑項目可能更關注節能和減排量、同時也關注項目建成后的年運行費用，而對初投資可以適當增加，需要針對用戶的偏好進行不同的指標組合，來評價一個項目的不同方面，引導用戶作出恰當的選擇。

根據目前中國國內的發展現狀，冷熱源系統通常可選擇燃氣鍋爐+冷水機組作為基準線，待評估項目通過與基準項目的比較得出是否能夠接受該項目的結論，如果認為本地區有其它基準線，例如燃煤鍋爐+空氣源冷水機組，也可以自行設計基準線及其主要指標數據，然后得到比較結果。

6 結語

本文圍繞公共機構能耗特點，分析了公共機構節能潛力，設計構建了基于多能互補的冷熱聯供系統集成優化模型框架，將不同能源組合用于冷熱源供應系統，并考慮氣候特點、建筑特點、經濟性等基本影響因素，以系統優化運行為導向，兼顧安全可靠、經濟可行、節能效果、環境影響等方面，構建了一個多目標、多參數的系統優化綜合模型，并提出了系統優化評估指標。用于不同能源單獨及組合用于冷熱聯供系統時，集成優化效果的評估，用戶可以根據評估結果及自身需求，選擇應用相應的系統形式。研究結果能夠為公共機構建筑冷熱聯供系統優化集成與評估提供思路和參考。