基于用戶需求不確定性的冷熱電三聯供系統運行經濟性及靈敏度分析

李 偉，章維維，楊薏霏

（1.東北電力大學 經濟管理學院，吉林 吉林 132012；2.國網長春供電公司，長春 130000）

1 冷熱電三聯供系統發展情況

冷熱電三聯供系統是一種建立在用戶側的分布式小型能源梯級利用系統。目前我國許多大型建筑設施內部，已經普遍安裝冷熱電三聯供系統進行能源的供給，主要應用于醫院，商場，辦公樓，學校，住宅小區，公共場所設施等。

國內對于冷熱電三聯供系統的研究已經相當成熟，主要涉及分布式能源系統各環節所用的技術及實現方法，以及研究發電的方式、儲能技術、能源利用、能量轉換、并網技術等具體技術能否實現及如何實現的問題［1—4］。以上這些研究均證明冷熱電聯供系統具有很好的節能性和環保性，同時在一定的運行條件下具有經濟性。也有學者對于冷熱電三聯供系統的研究主要集中于研究系統本身的節能性［5—7］，說明系統與傳統的能源供給方式相比，具有一定的經濟性。但是到目前為止，并沒有文獻考慮到峰谷負荷對系統運行模式的影響。在實際情況中，由于存在電能需求的高峰和低谷，系統并非全天按照額定功率運行，如此可能會導致系統在低谷時運行效率較低而高峰時系統超負荷工作。這樣會降低系統的經濟性，縮短系統的使用壽命。

為了更好地發揮系統的經濟性，需要考慮系統設備的容量和配置方案，遵循容量原則，優化冷熱電聯供系統的配置模型。本文從系統運行方案和優化配置角度，通過結合實際案例比較不同的系統方案的經濟性，制定更加經濟的冷熱電三聯供系統的運行方案。利用系統的技術參數，結合峰谷電價，計算系統運行的成本費用情況。最終將方案進行對比，得到最優的系統運行方案。同時，本研究在此基礎上，對系統運行過程中的電價及運行小時數等參數進行靈敏度分析，得到系統的最佳經濟運行區間。優化的冷熱電三聯供系統，考慮了用戶需求的變化以及峰谷電價情況，具有一定的節能經濟性，為實際生活中配置節能系統提供參考。

2 系統運行方案

傳統的冷熱電聯供系統的3種主要設備有原動機，制冷機，熱交換設備，最基本的冷熱電三聯供系統包括燃氣輪機、壓縮式制冷機或吸收式制冷機以及發動機。為了保證用戶用電需求，冷熱電系統也可以與電網相連［8］。為了增加系統的經濟性，起到電力及能源的削峰填谷作用，系統配置方案中還會另外安裝蓄能裝置，以保證系統的靈活運行和能源需求及供給的轉移。本文設置了2種系統配置方案：一種是把冷熱電三聯供系統與電網相連，系統不配置蓄能裝置，無蓄能裝置的冷熱電三聯供系統如圖1所示；另一種是帶蓄能裝置的冷熱電聯供系統，并且該系統與電網相連，并網不上網（圖2所示）。

圖1 無蓄能裝置的冷熱電三聯供系統

3 系統運行費用分析

本研究以吉林省白城市某小區冷熱電三聯供項目改造工程為背景，對該市采用冷熱電三聯供系統的某小區用戶進行分析，對配置蓄能裝置的冷熱電三聯供系統的經濟性以及靈敏度進行分析，并且考慮了實際運行過程中，用戶用電安全等問題。吉林省白城市具有豐富的風電資源，政府為了鼓勵風電消納，率先實施了居民用戶冷熱電三聯供示范試點工程。日前，國家能源局將白城市列為全國唯一的風電本地消納綜合示范區，本文以白城市的某居民小區為例，假設冷熱電三聯供系統安裝在總面積為10萬m2的住宅小區內，該建筑物夏季制冷期為5月15日—10月15日，共153天；冬季采暖期為11月5日—次年4月5日，共151天；余下時間為過渡期。參考相關文獻，根據小區的能源需求情況，估計三聯供系統設備的裝機容量及規格如下：

圖2 帶蓄能裝置的冷熱電三聯供系統

燃氣輪機以Solar公司的技術參數為參考，選用1臺Solar Saturn20燃氣輪機，一臺型號為BS600的雙效蒸汽式溴化鋰吸收式制冷機組，用電空調設備代替電動壓縮機。蓄能裝置容量為1 406 m3。冷熱供應滿足需求。該設備可以滿足建筑物全年的冷熱電負荷需求［9—12］，系統的具體參數如表1。

表1 燃氣輪機的技術指標

制冷機組的技術參數（項目中，機組采用《遠大空調說明書》中推薦的組合，即冷水7℃/12℃高流量型和冷卻水37℃/30℃低流量型組合），具體參數見表2。

假定在一個10萬m2的住宅區共有1 000戶用戶，每戶平均面積為100 m2。平均每家用戶都安裝1臺規格為4 648 W（2匹）的空調，根據空調的技術參數可以大致計算出單臺空調的耗電量為2 kWh/h。除此之外，每家用戶的月耗電量大約為200 kWh。表3是該地區峰谷時刻電價情況，根據該電價情況，可以計算出各種方案的消費情況。

表2 制冷機組技術參數

表3 該地區的峰谷電價收費標準

圖3為某居民家中全天候冷熱需求情況。從圖3可看出，居民夏季的熱負荷需求很少，而冷負荷需求存在明顯的峰谷現象，白天冷負荷需求很少，傍晚到夜間的需求量很大，其原因就是白天人們大多數都在上班，很少有人留在家中，冷負荷需求很少。因此夏季用戶在12:00～16:00及18:00～23：00存在高峰負荷；冬季熱負荷在全天的需求較為平穩，幾乎無冷負荷需求；過渡季在時段16:00～23:00有少量的熱負荷需求，其他時段的冷熱需求均很少。

圖3 居民家中24 h冷熱需求情況

3.1 無蓄能裝置的成本費用

用戶安裝冷熱電三聯供系統，系統為用戶提供電及冷熱能源，同時用戶還與電網相連，保證用戶能源供應充足。當系統發電不足時，可以從電網購買；系統制冷或供熱不足時，通過電動壓縮機，即空調供應冷熱源。計算無蓄能裝置的年成本費用如下。

（1）夏季制冷費的計算。居民夏季通過聯供系統制取冷源，基本可以滿足低谷時期用戶的冷需求；在需求高峰時段，系統釋放的冷能并不能完全滿足用戶的用能需求，所以需要啟動空調設備，假設每天需要在12:00～16:00及18:00～23：00額外從電網購電啟動空調系統制冷，共9 h。根據空調的技術參數可以計算出單臺空調的耗電量為2 kWh/h，平均電價為0.455元/kWh。根據以上信息可以計算出該建筑的空調制冷成本為 2 kWh/h×9 h×153×1 000×0.455元/kWh=1 253 070元。

（2）系統運行年成本。系統采用Saturn20機組和BS600機組。根據相關參數，可計算出初始設備建設投資，具體參數如表4。

表4 設備初始投資

該系統預計使用壽命為15年，無蓄能裝置初始總投資11 720 000元，銀行貸款利率計為6%，折合為年成本1 206 754元。

如果系統全年無休并且以額定功率運行，有關運行費用的計算以國際上的統計數據作為參考，按系統發電量計算。運行費用標準選為0.08元/kWh，該系統每年可滿足用戶的用電需求，則運行費用約為200 kWh×12×1 000×0.08元/kWh=192 000 元。

系統以天然氣為主要燃料，每年燃氣輪機消耗天然氣為2 616 828 m3，余熱補燃鍋爐消耗天然氣2 004 502 m3，系統共消耗天然氣量為4 621 330 m3，以天然氣價為1.1元/m3計算，系統消耗的天然氣費用為4 621 330 m3×1.1元/m3=5 083 463 元。

由于系統無蓄能裝置，因此在用能高峰期要從電網額外購電，在用能低谷期要關閉設備或者以較低功率運行。根據用戶全年的用能情況可知，需要關閉系統的時間段為過渡期的0:00～5:00，以及夏季的0:00～6:00。

考慮到系統關閉時間段節省的運行費用，無蓄能裝置的運行費用為4 589 653元。所以，系統的年成本為1 206 754元+4 589 653元=5 796 407元。

（3）冬季取暖費的計算。從圖3的冷熱需求可以得到冬季用戶在17:00～24:00以及7:00左右小幅度增加。在啟動無蓄能裝置系統時，熱能需求高峰時段開啟空調系統，同時需要上網購電。因此系統需從電網購電的時段為17:00～21:00，電價為0.562元/kWh，21:00～24:00以及6:00～7:00電價為0.329元/kWh。每戶每天需額外繳納電費2kWh/h×4h×0.562元/kWh+2kWh/h×4h×0.329元/kWh=7.128元。整個取暖季需額外繳納電費為7.128元×151×1 000=538 164元。

綜上，計算出系統的年總運行成本費用為電網購電費+系統運行成本，即1 253 070元+5 796 407元+1 076 328元=8 125 805元。

3.2 帶蓄能裝置的成本費用

帶蓄能裝置的聯供系統的用戶電力由燃氣輪機發電和電網購電組成，燃氣輪機燃燒后的高溫排煙通過吸收式機組供冷和供熱，不足的冷熱能由燃氣鍋爐和電壓縮制冷機補充。動力系統多余的冷熱能源可以儲存在蓄能裝置中，在用能高峰時釋放。其中，為了節省初始投資，蓄能裝置同時滿足蓄冷和蓄熱的要求。所以選擇自然分層水蓄能裝置。

夏季制冷需求：帶蓄能裝置的運行方案為用戶夏季供冷，系統全天處于運行狀態且在需求低谷期蓄冷，需求高峰時段放冷。根據DEST建筑軟件分析建筑物的用能情況，可以模擬出小區白天尖峰時刻冷量為12 225 kWh。選用的分層水蓄能裝置，配置規格為1 406 m3的蓄能裝置，最大蓄能容量為3 211 kWh，可以滿足尖峰時刻的用能需求。因此系統在夜間的蓄冷量能夠滿足白天的需求量，無需電制冷。

通過冬季供暖數據，可以大致估計本小區的供暖需求，凌晨0:00～6:00以及7:00～17:00是熱負荷需求的低谷期，系統可以在這一段時期蓄能，在17:00～24:00以及6:00～7:00這段時間，是需求高峰期。整個系統由于添加了蓄能裝置，動力系統可以全天滿負荷工作，需求高峰期不必超負荷運轉，可以保持額定狀態，不足由蓄能裝置補充，無需從電網購電。而在過渡季節，用戶的冷熱需求均要求不高，完全可以由聯供系統來滿足。因此冬季和過渡季節無需額外的電網購電費用。

所以帶蓄能裝置的初始投資為16 720 000元，折合成年金為1 721 582元。則帶蓄能裝置的年總成本為：1 721 582元+192 000元+5 083 463元=6 997 045元。

通過以上分析，計算出帶蓄能裝置比不帶蓄能裝置每年節省成本1 128 760元。可以得出：帶蓄能裝置比不帶蓄能裝置的系統更加經濟。

通過計算有蓄能裝置和無蓄能裝置的年成本費用，得出了冷熱電三聯供系統較為經濟的運行方案：在10萬m2的小區內，系統安裝蓄能裝置及電壓縮機裝置，全年滿負荷運作。夏季，系統在12:00～16:00及18:00～23：00存在高峰負荷，此時段系統滿負荷制冷而且蓄能器放冷，在其他時段，冷負荷較低，蓄冷器蓄冷。冬季在供暖低谷時期蓄熱，在供暖高峰時放熱。過渡期冷熱負荷較小，無需開啟蓄冷裝置。這樣可以比無蓄熱裝置的聯供系統節省1 276 388元，高效利用系統排出的余熱，使系統利用率更高。同時，帶蓄能裝置的系統，動力裝置可以實現全天處于額定功率工作，即在沒有蓄能裝置的情況下，系統的動力裝置在高峰期將會處于高效率狀態下工作，而在用電低谷期，系統動力裝置將會在較低效率下工作，這種情況不能充分利用動力裝置，也會縮短動力裝置的使用壽命；若裝有蓄能裝置，可以使動力設備總是處于擬標準工況下運行，達到效率、環保性和經濟性最佳。

基于以上計算可知帶蓄能裝置的三聯供系統具有更好的節能經濟性，能夠使動力機組在額定功率下運行，不必反復開啟和關閉機組，同時能夠降低機組的裝機容量，在大型建筑物或能源需求量大的區域較為適用。

4 帶蓄能裝置系統的靈敏度分析

通過以上對于帶蓄能裝置與未配置蓄能裝置的系統進行經濟性比較，可以得到帶蓄能裝置具有最佳的經濟性，能夠減少機組的關停次數，使機組全年保持額定功率運行。表5列示了帶蓄能裝置與未配置蓄能裝置的系統各項運行成本的費用數據，依次對系統運行過程中電價及系統運行小時數的變動對系統經濟性的影響，進行電價及運行小時數的靈敏度分析［17］。

表5 設備年運行成本 元

4.1 電價靈敏度分析

對于系統電價的靈敏度分析，本研究是在假設其他因素不變的情況下，測定電價的變動對于有無蓄能裝置的系統經濟性的影響，從而說明電價在一定區間變化時，選用何種系統最為經濟。

假設白城市一天內的平均電價為P平，則無蓄能裝置的運行費用與帶蓄能裝置的運行費用比較關系見表6。

由表6可以得到：當P平＜0.232元/kWh時，使用無蓄能裝置是經濟的；當P平≥0.232元/kWh時，使用帶蓄能裝置的冷熱電三聯供系統是經濟合理的。

表6 電價靈敏度分析元

4.2 運行小時數靈敏度分析

如果該小區用戶的實際用能需求量比預測量小，實際上不能達到上文提到的預計冷熱電需求數量，用戶就會在用能較少的情況下選擇關閉冷熱電機組，從而系統運行小時數減少，運行費用也相應減少。假設無蓄能裝置全天并不能滿負荷工作，其在用戶需求低谷期需要關停系統，而在能源需求高峰期不能滿足用戶能源需求時需要開啟空調設備制冷或供熱。相比之下，配置蓄能裝置的冷熱電三聯供系統可以全天以額定功率運行，用能低谷期蓄能，用能高峰期也不必借助空調供暖或制冷。但是當用能低谷期達到一定范圍后，無蓄能裝置的經濟性將高于帶蓄能裝置的系統，假定其他因素不變，研究系統運行小時數的變動對于有無蓄能裝置的系統經濟性的影響，從而說明系統運行的一定區間內，選用何種系統最為經濟。

根據圖3可知，用戶在用能低谷期會選擇關閉無蓄能裝置的系統，假設用戶實際的用能低谷期比預計多，則系統實際關停xh，據此可以分析系統的經濟性。

得到 x＞2 102 h。

通過計算可以得知，如果居民用戶全年的用能低谷時段多于2 102 h，可以使用無蓄能裝置的冷熱電三聯供設備，但是如果用戶全年的用能低谷時段少于2 102 h，系統關閉的時間將低于2 102 h，無蓄能裝置的年運行成本將會高于配置蓄能裝置的系統。也就是說，每天用戶的用能高峰期占到全天的24%就需要使用配置蓄能裝置的設備，其經濟性最佳。

5 結束語

通過以上計算和分析，本研究從年運行成本方面比較了蓄能裝置與不帶蓄能裝置的冷熱電三聯供系統的經濟性，得到在白城市目前的用戶用能需求情況下，使用蓄能裝置的冷熱電三聯供系統經濟性最佳。同時，對電價及系統運行小時數進行靈敏度分析。通過計算電價變動的臨界值，可以根據電價從以上2種方案中選擇最為經濟的方案；此外，通過計算無蓄能裝置設備關停時間的臨界值，可以根據用戶高峰時段或低谷時段的比例情況選擇合適的方案。本研究通過定量化的計算，對冷熱電三聯供系統的經濟性進行評價，并且結合實際情況，考慮了電價的波動和用戶用能的不確定性，計算比較得到最經濟的運行方案，在實際應用中數據易得，運算簡便，具有一定的實踐意義。D

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