太陽能與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)耦合特性分析

楊鎮(zhèn)閣 楊天海 李琦芬 胡慧忠

1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司

太陽能與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)耦合特性分析

楊鎮(zhèn)閣1楊天海2李琦芬1胡慧忠1

1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司

以太陽能與冷熱電聯(lián)供集成系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了光伏組件、太陽能集熱器與冷熱電聯(lián)供集成的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，構(gòu)建了以光伏組件與太陽能集熱器的耦合率為特征參量的負(fù)荷分析模型，以傳統(tǒng)分供系統(tǒng)為參照對(duì)象，提出了節(jié)能減排率作為本系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過全年逐時(shí)供給模式下的“熱跟隨”和“電跟隨”兩種運(yùn)行策略的研究，結(jié)果表明：當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)按照 “以熱定電”選型運(yùn)行時(shí)，使用光伏組件是太陽能與聯(lián)供系統(tǒng)的最佳耦合方式；當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)按照“以電定熱”選型運(yùn)行時(shí)，存在最佳的耦合比例。

多能互補(bǔ)；三聯(lián)供；光伏組件；太陽能集熱器；節(jié)能減排率；耦合率

能源消費(fèi)緊張，節(jié)能形勢(shì)嚴(yán)峻，環(huán)境污染嚴(yán)重，減排壓力上行。近年來，國(guó)家大力發(fā)展清潔能源，以期解決上述問題，取得節(jié)能減排的效果。太陽能作為清潔能源的代表已經(jīng)得到了廣泛的使用，使用光伏組件和太陽能集熱器是最為普遍的用能方式，但太陽能能流密度低、不連續(xù)的特性也限制了其大規(guī)模發(fā)展；冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)以其節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)一直處于研究熱點(diǎn)；多能互補(bǔ)將清潔能源與冷熱電三聯(lián)供相結(jié)合，一方面將清潔能源就地取用，另一方面減小聯(lián)供機(jī)組容量，提高了機(jī)組的使用效率，是近年來國(guó)家大力推行的用能方式[1]。

目前，有關(guān)太陽能與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合的研究大多集中于運(yùn)行策略和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。文獻(xiàn)[2]以經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)不同運(yùn)行模式之間的調(diào)度策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]介紹了小型離網(wǎng)型太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[4]研究了太陽能以光伏形式對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]研究了太陽能以太陽能集熱器形式對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集成優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]以平板換熱器和光伏作為太陽能利用形式，對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)的配置進(jìn)行了優(yōu)化。可見，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)太陽能的利用與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的集成方面都做了大量的研究，但對(duì)二者相結(jié)合的普適性研究還略顯不足。

本文介紹和分析了太陽能與傳統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)的耦合問題，將光伏組件、太陽能集熱器結(jié)合到三聯(lián)供系統(tǒng)當(dāng)中，共同對(duì)需求側(cè)供應(yīng)冷、熱、電，對(duì)多種供能模式下的三聯(lián)供系統(tǒng)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，按照 “以熱定電”和“以電定熱”兩種選型運(yùn)行方式，一方面分析了機(jī)組容量的選取對(duì)節(jié)能減排率的影響，另一方面分析了光伏組件與太陽能集熱器不同耦合比例下對(duì)節(jié)能減排率的影響。最后結(jié)合上海某實(shí)例進(jìn)行分析，針對(duì)全年逐時(shí)負(fù)荷情況，分析了多種能源供給模式下的光伏組件與太陽能集熱器的耦合比例，優(yōu)化了太陽能聯(lián)供機(jī)組的容量，對(duì)多能互補(bǔ)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有益的參照和借鑒。

1 多能互補(bǔ)的太陽能三聯(lián)供系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)思

多能互補(bǔ)的太陽能三聯(lián)供系統(tǒng)主要由光伏組件、太陽能集熱器和傳統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)組成，系統(tǒng)流程圖如圖 1 所示。

圖1 太陽能與三聯(lián)供的耦合系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和光伏發(fā)電來供應(yīng)電力負(fù)荷，不足部分通過電網(wǎng)提供，同時(shí)充分回收發(fā)電余熱，通過換熱器來采暖和提供生活熱水，與光伏集熱器一起共同承擔(dān)負(fù)荷，不足熱負(fù)荷通過燃?xì)忮仩t提供，通過吸收式制冷機(jī)供應(yīng)冷負(fù)荷，輔以電制冷機(jī)增強(qiáng)供應(yīng)可靠性。為達(dá)到最大節(jié)能減排效果，將太陽能的發(fā)電，產(chǎn)熱作為第一優(yōu)先級(jí)使用。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略

系統(tǒng)選型、運(yùn)行策略的選擇很大程度上決定了系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)劣。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是“以電定熱”和“以熱定電”這兩種策略。“以電定熱”顧名思義，就是根據(jù)電負(fù)荷的變化來確定機(jī)組的選取容量，然后機(jī)組以優(yōu)先滿足電負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，產(chǎn)生的余熱制冷或供應(yīng)熱負(fù)荷，不足部分由燃?xì)忮仩t提供。“以熱定電”就是將熱負(fù)荷作為選型、運(yùn)行依據(jù)，將熱負(fù)荷的供應(yīng)作為優(yōu)先考慮，產(chǎn)生的電力供應(yīng)電負(fù)荷，不足部分由電網(wǎng)供應(yīng)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 太陽能系統(tǒng)

光伏組件的發(fā)電量和太陽能集熱器的發(fā)熱量主要取決于采光面積和當(dāng)?shù)氐妮椪樟俊Ｒ坏┦褂妹娣e確定，其各自的容量也就確定下來，由于實(shí)際工程中，可用使用面積是一定的，故二者之間使用存在制約關(guān)系。光伏組件，太陽能集熱器的工作功率如式（1）（2）所示：

式中，EPV為光伏組件發(fā)電效率，ESC為光熱轉(zhuǎn)換效率，HA為傾斜面逐時(shí)太陽能輻射量，K1光伏組件的綜合效率系數(shù)，K2為光伏組件耦合率，S為屋頂面積（可用使用面積），T1為光電轉(zhuǎn)化效率 ，T2為光熱轉(zhuǎn)換效率。為了便于貼近工程實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]GB50797，光伏組件的綜合效率系數(shù)如表1所示。

表1 光伏組件綜合效率系數(shù)表

2.2 三聯(lián)供系統(tǒng)

（1）傳統(tǒng)能源系統(tǒng)

以傳統(tǒng)熱電分供系統(tǒng)作為參照系統(tǒng)，由此，對(duì)于給定建筑，其年一次能源消費(fèi)量如式（3）所示：

式中，F(xiàn)t為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)年一次能源消耗總量，ηgrid為電網(wǎng)供電效率,COPec為電制冷效率，ηb為鍋爐熱轉(zhuǎn)換效率，EE為電負(fù)荷，EC為冷負(fù)荷，EH為熱負(fù)荷，i為第i小時(shí)。

根據(jù)上述計(jì)算得到了一次能源消費(fèi)量，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的年CO2排放量可由式（4）計(jì)算。

式中，Ct為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)年CO2排放量，Tgrid為電廠碳排放系數(shù)，F(xiàn)b為燃?xì)忮仩t耗能量，Tgas為天然氣碳排放系數(shù)。

（2）太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

在太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，將給定建筑群作為一個(gè)整體考慮，根據(jù)前述整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行策略，計(jì)算其年一次能源消費(fèi)量，主要包括電網(wǎng)購(gòu)電所折算一次能源消費(fèi)量，以及原動(dòng)機(jī)和燃?xì)忮仩t所消耗燃?xì)饬浚缡剑?）所示：

表2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)設(shè)定

式中，F(xiàn)SC為系統(tǒng)年一次能源消費(fèi)總量，為 時(shí)刻電網(wǎng)購(gòu)電量，光伏i時(shí)刻發(fā)電量，為原動(dòng)機(jī)發(fā)電量，為原動(dòng)機(jī)逐時(shí)發(fā)電效率，為天然氣鍋爐逐時(shí)供熱量，i 為太陽能集熱器i時(shí)刻集熱量。

對(duì)于太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其年CO2排放量可由式（6）求得。

式中，CSC太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)溫室氣體排放量。

表2為本文分析所涉及的相關(guān)設(shè)備技術(shù)參數(shù)。

需要指出的是，本文考慮了原動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷變工況運(yùn)行時(shí)，發(fā)電效率和余熱回收效率會(huì)發(fā)生變化，在容量相近的機(jī)組之間存在相近的特性。根據(jù)文獻(xiàn)[8]查得不同負(fù)載率下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和熱回收效率可計(jì)算如下：

2.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于太陽能的不連續(xù)性，為了更好地揭示節(jié)能效果，直觀地表現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文使用全年相對(duì)節(jié)能率ESR（Energy saving ratio）和全年相對(duì)減排率COR（emission reduction ratio）作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并以此為基礎(chǔ)，提出節(jié)能減排率EC（Energy conservation and emission reduction ratio）：

圖2 原動(dòng)機(jī)發(fā)電、熱回收效率隨機(jī)組負(fù)載率的變化曲線

式中，EC值越小，說明太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的整體效益越好。本文選取原動(dòng)機(jī)額定功率和光伏組件耦合面積為優(yōu)化變量。

3 實(shí)例分析

本項(xiàng)目的全年負(fù)荷預(yù)測(cè)采用由清華大學(xué)開發(fā)的DeST軟件進(jìn)行，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)日負(fù)荷采用華電源HDY-SMAD空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。其中住宅建筑設(shè)為13層，建筑面積2 334m2；辦公建筑亦為13層，建筑面積7156 m2。建筑的外墻、樓板和屋面均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻為普通磚，外窗均為鍍low-e膜中空玻璃。所有功能房間夏季室內(nèi)溫度設(shè)定為26℃,冬季室內(nèi)溫度設(shè)定為20℃。通過確定室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)、室內(nèi)熱擾參數(shù)、維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬得到建筑的全年逐時(shí)負(fù)荷，

其年負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 全年負(fù)荷概況

圖3 全年逐時(shí)熱負(fù)荷圖

圖4 全年逐時(shí)電負(fù)荷

圖5 “以熱定電”模式下太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化曲線

圖6 “以電定熱”模式下太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化曲線

本項(xiàng)目進(jìn)行了全年8 760 h的逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷、空調(diào)熱負(fù)荷及電負(fù)荷計(jì)算。供冷時(shí)取同時(shí)使用系數(shù)為0.7，供熱時(shí)取同時(shí)使用系數(shù)為0.65。全年空調(diào)逐時(shí)熱負(fù)荷如圖3所示，全年逐時(shí)電負(fù)荷如圖4所示。

將分供系統(tǒng)和太陽能聯(lián)供系統(tǒng)分別用于該建筑，由上述數(shù)據(jù)和公式得到優(yōu)化結(jié)果。兩種運(yùn)行策略下太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的綜合性能優(yōu)化過程曲線如圖 5、6所示。從圖中可知，圖中目標(biāo)函數(shù)多數(shù)為正值，這說明無論采用哪種運(yùn)行模式，太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的性能都要優(yōu)于分供系統(tǒng)。對(duì)于“以熱定電”策略來說，最優(yōu)光伏耦合比例為100%， 這表明此時(shí)全部太陽能都用于發(fā)電，節(jié)能效果最好，原動(dòng)機(jī)的最佳容量是350 kW。在“以電定熱”模式中，太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能減排特性隨著光伏耦合比例的增加逐漸達(dá)到峰值，之后開始回落，最優(yōu)光伏耦合比例為84%，大部分太陽能用于發(fā)電，少部分用于制熱。當(dāng)隨著機(jī)組容量的增大，節(jié)能減排率表現(xiàn)出較強(qiáng)的波動(dòng)性，機(jī)組容量達(dá)到161 kW之后，節(jié)能減排率開始整體性下降。

兩種模式下效果迥異的原因是負(fù)荷特征所導(dǎo)致的。分析圖3，圖4可知，全年熱負(fù)荷均值要高于電負(fù)荷，并表現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)性，而電負(fù)荷則相對(duì)平穩(wěn)。在“以熱定電”模式下，優(yōu)先考慮熱負(fù)荷的供應(yīng)，導(dǎo)致電出力不足，故需要光伏發(fā)電作為補(bǔ)充；在“以電定熱”模式下，需要以電負(fù)荷作為出力指標(biāo)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)組容量小于電負(fù)荷峰值時(shí)，需要電網(wǎng)輸電補(bǔ)充，故提高光伏耦合比例會(huì)快速提高節(jié)能減排效果，節(jié)能減排曲線出現(xiàn)較強(qiáng)變化，先急劇上升，當(dāng)接近峰值后趨于平穩(wěn)，此時(shí)電負(fù)荷基本滿足，加裝太陽能集熱器補(bǔ)充熱負(fù)荷才是最佳的選擇。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了集成太陽能利用的三聯(lián)供系統(tǒng)，對(duì)需求側(cè)供應(yīng)冷、熱、電三種產(chǎn)品。以上海某實(shí)例分析，按8 760 h/a為分析周期，與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)作比較，同時(shí)進(jìn)一步比較采用不同法方法下了機(jī)組的容量選擇，得出以下結(jié)論：

（1）太陽能聯(lián)供系統(tǒng)無論采用哪種運(yùn)行模式，其能源和環(huán)境效益都要優(yōu)于分供系統(tǒng)；

（2）太陽能與聯(lián)供系統(tǒng)的集成存在最佳的組合方式；在“以熱定電”模式下，適合全部以光伏形式進(jìn)行集成，聯(lián)供機(jī)組的最佳容量為350 kW；在“以電定熱”模式下，光伏的最佳耦合比例為84%，對(duì)應(yīng)聯(lián)供機(jī)組的最佳裝機(jī)容量為161kW。

太陽能與聯(lián)供系統(tǒng)相結(jié)合，為解決當(dāng)前聯(lián)供系統(tǒng)效率不高的問題給出了新的思路，光伏與太陽能集熱器合適的耦合比例會(huì)產(chǎn)生更好的節(jié)能減排效果，同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)組選型方法和運(yùn)行策略都要針對(duì)需求側(cè)的負(fù)荷特征重做考慮，以提高整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能性。

1國(guó)家發(fā)展改革委. 《國(guó)家能源局關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》. 發(fā)改能源[2016]1430號(hào).2016.7.4

China national development and reform commission, the implementation of the national energy administration's implementation of the implementation of the multi-energy complementary integration optimization demonstration project, and the implementation of the energy reform (2016) 1430

2荊有印,白 鶴,等. 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,(20):82-87+143.

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黃浦區(qū)節(jié)能降碳工作獲市節(jié)能降碳考核組好評(píng)

近日，上海市節(jié)能降碳目標(biāo)責(zé)任評(píng)價(jià)考核組到黃浦區(qū)開展年度節(jié)能降碳工作考核。

市考核組通過走訪、查閱了12大類、100余份節(jié)能工作材料，充分肯定了黃浦區(qū)的節(jié)能工作，認(rèn)為黃浦區(qū)節(jié)能工作有4大亮點(diǎn)：（1）節(jié)能降碳評(píng)價(jià)考核機(jī)制健全、落實(shí)到位。（2）試點(diǎn)示范全面推進(jìn)。（3）增加資金投入，強(qiáng)化能力建設(shè)。（4）開展節(jié)能低碳項(xiàng)目國(guó)際合作。

黃浦區(qū)需求側(cè)管理示范項(xiàng)目被國(guó)家發(fā)改委列為中美合作項(xiàng)目。開展北京東路地區(qū)、臺(tái)灣路等慢行交通國(guó)際合作研究。

Characteristics Analysis of Solar Power and CCHP Coupling System

Yang Zhenge1, Yang Tianhai2, Li Qifeng1, Hu Huizhong1
1.Shanghai Electrical Power University Energy and Mechanical Engineering College 2.Shanghai Minghua Electrical Power Technology Engineering Co.，Ltd

The author chooses solar power and CCHP integration system as research object and designs photovoltaic module and solar collector with CCHP integrated multi-energy complementary system and constructs load analysis model with photovoltaic module and solar collector coupling rate as characteristics parameter. The article selects traditional CCHP as reference object and puts forward energy saving and emission reducing rate as system evaluation index. Through ‘thermal following’ and ‘electric following’ operation strategy research under the condition of annual hourly supply model, the results show that using photovoltaic module is the best coupling method for solar power with CCHP system when system chooses ‘electric counts on thermal’ operation. There is the best coupling proportion when CCHP chooses ‘thermal counts on electric’ operation.

Multi-Energy Complementary, CCHP, Photovoltaic Module, Solar Collector, Energy Saving and Emission Reducing Rate, Coupling Rate

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.005

楊鎮(zhèn)閣：（1992-），男，碩士研究生，研究方向：分布式能源及多能互補(bǔ)技術(shù)。

楊天海（1969-），男，高級(jí)工程師。

（區(qū)發(fā)改委）