容量配置對三聯供系統經濟性的影響研究

賀越 阮應君 張春雁 吳家正

1同濟大學機械與能源工程學院

2國網上海綜合能源服務公司

0 引言

在研究三聯供系統經濟性時，需要明確系統的運營模式。系統的運營一般可以分為兩種模式，一種以盈利為目的，另一種不以盈利為目的。本研究建立在以盈利為目的的模式上。以盈利為目的的運營模式，設備投資主體為能源服務公司，運行時消耗的能源費用由能源服務公司承擔，能源公司向建筑業主提供冷、熱、電力并收取相應的費用。

本研究以寧波地區的某辦公建筑作為冷熱電三聯供的對象，分析了在設計投資階段，內燃機容量和吸收式制冷機容量的組合對系統經濟性的影響，給出了容量配置范圍參考表，同時提出了適用于該地區辦公建筑的容量配置比。本研究可為寧波地區辦公建筑三聯供系統的設計投資預期提供參考。

1 系統模型

傳統供能系統中，建筑的冷、熱、電供應相對獨立。建筑的電力供應只是由集中電網提供。而建筑的冷負荷需求通常是由空調制冷系統滿足，一般情況下空調能耗僅由電力提供。

三聯供系統供能形式則不同于傳統供能形式，由于發電原動機和吸收式制冷機的加入，供能方式可變性增強[1-2]。原動機燃燒天然氣進行發電，同時回收余熱進行供熱，天然氣可實現熱負荷電負荷雙線供應。聯供系統綜合熱量由原動機和燃氣鍋爐同時提供。離心式電制冷機組和溴化鋰吸收式制冷機組混合制冷，冷負荷供應方式增加。兩種系統的供能結構對比如圖1所示。

圖1 系統供能結構對比

本研究建立了三聯供系統的系統模型，同時還建立了傳統系統的模型作為對比研究。

1.1 系統運行策略

本研究中三聯供系統采用“以熱定電”的運行模式[3-4]。該模式指三聯供系統優先滿足熱負荷需求的供應，在選定原動機發電容量后，根據原動機熱電比，原動機最大與余熱輸出能力隨之確定，這里的最大余熱輸出能力可作為原動機余熱容量。在熱負荷需求低于余熱容量的情況下，原動機調整余熱輸出以完全滿足熱負荷需求。此時原動機電量輸出隨余熱輸出變化，將該發電量與電負荷需求量進行匹配，當電量供給不足，從集中電網購電。在熱負荷需求高于余熱容量的情況下，原動機滿負荷運行，熱負荷不足的部分通過鍋爐補充。該運行模式的公式表達如下：

先對需求側冷、熱、電負荷進行轉換，將建筑冷負荷需求通過離心式、吸收式制冷組合系統轉化為電需求和熱需求，再分別加到建筑原來的電負荷、熱負荷需求中，形成總熱負荷需求量Htotal和總電負荷需求量Ptotal：

式中：LCooling，LHeating，Lpower分別表示建筑的冷、熱、電負荷需求，kWh；CCE-CH，CAB-CH分別表示離心式制冷機組制冷量和吸收式制冷機組制冷量，kWh；Htotal表示在冷負荷需求經過轉換后的熱需求總量，kWh；Ptotal表示在冷負荷需求經過轉換后的電力需求總量，kWh；表示吸收式制冷機組容量，RT。

式（1）表示制冷過程優先考慮吸收式制冷，這樣可以使得夏季的原動機余熱得以充分利用，保證“以熱定電”策略下原動機在夏季的運行時間。

然后對得到的總熱負荷需求量Htotal的總電負荷需求量Ptotal進行“以熱定電”配置：

式中：Hboiler表示鍋爐熱供應量，kWh；表示原動機余熱供應量，kWh；表示原動機發電量，kWh；Pgrid表示電網購電量，kWh；表示原動機發電容量，kW；ηGE，分別表示原動機發電效率和余熱利用效率。

以上各式中建筑負荷需求為逐時負荷需求。上述各式表示在“以熱定電”模式下，三聯供系統中逐時的能流關系。

1.2 系統評價指標

本文采用的評價方式是經濟性評價，指標有投資回收期、年運行收益、系統投資。進行評價時，以傳統系統作參考。

式中：RCCHP，Rcon分別表示三聯供系統和傳統系統的年運行收益，元；SCCHP，Scon分別表示三聯供系統和傳統系統的設備投資，元；u表示電網購電價格，元/kWh；v表示天然價格，元/kWh；表示三聯供系統原動機容量，kW；分別表示三聯供系統離心式機組容量和吸收式機組容量，RT；分別表示三聯供系統和傳統系統鍋爐容量t/h；表示傳統系統離心式機組容量，RT；CGE表示原動機單位容量設備費用，元/kW；Cboiler表示鍋爐單位容量設備費用，元/t·h-1；CCE-CH，CCAB-CH分別表示離心式機組和吸收式機組單位容量設備費用，元/RT；m表示維護費用系數，取0.05。

式中：i表示折現率，這里取貸款基準利率；t表示時間，年；R可由RCCHP和Rcon分別替代，S可由SCCHP和Scon分別替代，再通過式（14）可分別計算得出PBPCCHP和PBPcon。

這里PBP表示投資回收期，PBPCCHP和PBPcon分別表示三聯供系統和傳統系統的投資回收期，其含義為自系統建成開始運行后，當運行總時間大于該回收期后，系統開始盈利，且每年盈利收入等于每年運行收益R。

2 計算條件

本研究供能對象為寧波市某典型辦公建筑，通過軟件模擬，預測該建筑全年能耗，作為建筑側負荷需求來源。將建筑能耗數據與當地能源價格數據導入已建立的系統模型，將機組容量的組合作為變量進行調整。由于，目前國內第三方能源服務的并網政策機制尚不完善，本研究中三聯供并網模式為“并網不上網”。

2.1 建筑負荷預測

運用模擬計算軟件能快速方便地計算出逐時動態負荷[5-6]。本文所使用的模擬軟件為DesignBuilder，通過導入典型建筑信息參數及寧波市氣象參數，得到辦公建筑的全年逐時能耗數據如圖2。該辦公建筑的建筑面積為50120 m2。該辦公建筑冷、熱、電全年能耗指標統計如表1所示。

圖2 建筑全年逐時能耗

表1 建筑全年能耗統計

2.2 能源價格參數及系統參數

本研究中電網電價參數采用分時電價，當地電價數據如表2 所示（2017-7-1發布）。由于寧波地區尚無冷熱定價政策，本研究中冷熱價數據參考上海世博B片區能源中心冷熱價格數據，按冷熱同價，均為0.5 元/kWh。本研究中選擇內燃機作為發電原動機，價格參數及系統參數如表3所示。

表2 電網電力價格參數

表3 系統價格及效率參數

3 結果與分析

3.1 容量配置對經濟性的影響

在系統的設計投資階段，價格參數為已知參數，機組容量是變量參數。因此，容量組合的變量參數有兩個，一個是內燃機容量，另一個是吸收式制冷機容量。

容量的變化范圍區間依據的是圖2的逐時能耗曲線。本研究中設定的并網條件為“并網不上網”，而能耗曲線建筑電負荷峰值為1000kW，所以內燃機容量范圍上限取1000kW，避免容量選取過大。內燃機容量范圍下限取100kW。根據式（1），冷負荷優先由吸收式制冷提供，而根據表3系統參數內燃機發電效率與余熱利用效率相當，吸收式制冷機容量范圍上限取350RT，即1231kW，與1000kW的內燃機余熱出力相接近，以保證夏季利用內燃機余熱進行吸收式制冷，從而保證內燃機全年的利用小時數。吸收式制冷機容量范圍下限取50RT。

對于CCHP系統，容量組合對投資回收期的影響如圖3所示。當容量配置為1000kW/50RT（前者表示內燃機容量后者表示吸收式制冷機容量，下文同）時，投資回收期最長，為9.30年。當容量配置為100kW/50RT時，投資回收期最短，為5.55年。回收期最長與最短相差3.75年。

圖3 投資回收期隨容量組合的變化曲面

在內燃機容量保持1000kW不變時，隨著吸收式制冷機容量配置的上升，回收期下降明顯，容量配置為1000kW/350RT時，回收期降至6.45年，比最大回收期下降30.6%。不過這一規律隨著內容燃機容量的降低而改變。當內燃機容量為100kW時，回收期會隨著吸收式制冷機容量的上升而上升，不過變化幅度不大，當容量配置為100kW/350RT時，回收期為6.08年。當吸收式制冷機容量保持50RT不變，內燃機容量下降時，回收期同樣有明顯下降。1000kW/350RT的配置與100kW/50RT的配置相比，回收期僅升高0.90年。

圖4為圖3中數據點的二維表示，選取了中4組吸收式制冷機容量不變的情況下，投資回收期隨內燃機容量變化的數據。從變化曲線可以更直觀的看出，在容量組合過程中，隨著吸收式制冷機容量的增大，在調配內燃機的容量過程中，投資回收期的變化幅度在減小。因此，在設計階段在機組選型時，配置大容量級別的吸收式制冷機更有利于減弱內燃機選型對回收期帶來的影響。

圖4 投資回收期隨容量組合的變化曲線

圖5 投資隨容量組合的變化曲面

對回收期隨容量組合的變化規律進行分析：影響投資回收期的因素有系統投資和年運行收益。投資隨容量配置的變化如圖5所示，容量配置為100kW/50RT時投資最小757萬元，容量配置為1000kW/350R曲線T時投資最大1231萬元，在三維坐標中近似為一個平面。而年運行收益隨設備容量組合的變化如圖6所示，當容量配置為1000kW/350RT時年運行收益最大228.14萬元。當容量配置為100kW/350RT時年運行收益最小154.48萬元。

圖6 年運行收益隨容量組合的變化曲面

由圖4聯系圖5：當配置為1000kW50RT時，投資水平較高，而收益水平較低，回收期最長。當配置為1000kW350RT時，雖然投資最大，但收益也最大，而經過計算得回收期較短。當配置為100kW350RT時，雖然收益最低，但是投資小，計算結果為回收期較短。當配置為100kW50RT時，雖然收益較低，但投資最小，計算結果為回收期最短。回收期是投資和收益綜合影響的結果。

對于三聯供系統，寧波地區的天然氣價格較低，有利于天然氣發電[7-8]，使天然氣發電有正運行收入。在以熱定電運行模式下，選擇更大容量的內燃機意味著系統在冬季能通過發電滿足更高的峰值電力負荷需求，從而提高發電量，提高運行收入。如果吸收式制冷機容量不隨之提高，內燃機在夏季的利用小時數就難以保證，內燃機在夏季的“冗余容量”就會增多，“冗余容量”只會增大投資而不會提高運行收入。因此，在系統選型時容量的組合應該在合適的范圍內，容量的配置需按照配比進行。

需要指出的是，本研究中的系統是以盈利為目的建立的系統。實際上，研究中投資回收期的含義為：自系統建成開始運行后，當運行總時間大于該回收期后，系統開始盈利，且每年盈利收入等于每年運行收益。經濟性評價不能只依據回收期，還需要投資者考慮自己的實際需求或目標，以及投資貸款的限額。比如，根據本研究中回收期的計算結果，如果投資者擔心遠期市場風險希望盡快回收而且看輕回收后的收益，在設計階段可以選擇100kW/50RT的配置，此時投資回收期為5.55年，年運行收益為159.50萬元。如果投資者看重回收后的收益，對回收期要求不高，在設計階段可以選擇1000kW/350RT的配置，此時投資回收期為6.45年，年運行收益為228.14萬元。因此，本研究給出的容量配置范圍參考表，如表4。

表4 辦公三聯供系統容量配置范圍參考表

表4根據模型的計算數據，給出了投資回收期小于7年時，容量配置的參考范圍及相應的回收期、收益、投資參考范圍。在確定內燃機容量規模后，可通過該表查出吸收式制冷機容量規模的建議配置范圍，以及相應的回收期、運行收益、系統投資預期范圍。投資方可據此制定滿足自己投資預期的容量組合方案。

研究中作為參考的傳統系統，其回收期為5.44年，運行收益為149.20萬元，投資為696萬元。

3.2 容量配置比

根據容量組合對回收期的計算結果，得到如圖7所示的容量配置比擬合曲線，其中：在內燃機容量（單位為kW）一定的情況下，取使得回收期最短的吸收式制冷機容量（單位換算為kW）為縱坐標Y的值，以該內燃機容量作為橫坐標X的值，構成表示容量組合的數據點。再改變內燃機容量，找到各內燃機容量值下，回收期最短的數據點。對這些點進行線性擬合得到圖7中的擬合曲線。由擬合曲線可以的到式（15）。

圖7 容量配置比擬合曲線

式中：θ為本研究提出的容量配置比，建議寧波地區的辦公建筑按1.32:1的比例配置系統吸收式制冷機與內燃機的容量時；Y和X分別表示需要配置的吸收式制冷機容量大小和內燃機容量大小，kW。以此比例配置吸收式容量的方案，可以保證比同等內燃機容量下的其他方案更快的回收投資。

圖8為各經濟參數隨設備容量的變化，其中吸收式制冷機與內燃機容量按比例θ=1.32配置。

圖8 經濟參數隨配置容量的變化率

采用三聯供系統后，相比傳統系統，年運行收益提高了，但由于設備方面的投資，回收期也增大了。圖8中縱坐標表示以傳統系統作為參考，三聯供系統各經濟指標變化率。當三聯供系統按容量配置比θ=1.32同時增大內燃機容量和吸收式制冷容量時，回收期的變化率由2.0%提高到18.5%，變化幅度不大，這意味著按照配置配置容量時，系統投資都易于回收。而運行收益由6.9%提高到52.9%，變化幅度大，這意味著在滿回收期后，系統每年可以為投資者帶來可觀的收益。當然投資幅度也隨著容量的增大而顯著提升，因此投資者還需根據自己投資能力和收益需求確定容量規模。

4 結論

本研究針對寧波地區辦公建筑，采用“以熱定電”的運行模式，建立了以盈利為目的的三聯供系統模型，分析了內燃機與吸收式制冷機容量組合對系統投資、運行收益及投資回收期的影響，得到以下結論：

1）在寧波地區，辦公建筑的三聯供系統回收期在5.55～9.30年之間，內燃機大容量和吸收式制冷小容量的配置經濟性最差。

2）在系統選型時內燃機容量和吸收式制冷容量的組合應該在合適的范圍內。當所配置的內燃機容量增大時，吸收式制冷容量也應適度增大。

3）配置容量時建議按容量配置比進行。寧波地區辦公建筑的容量配置比建議值為1.32。按配置比同時增大內燃機容量和吸收式制冷容量時，回收期增長幅度不大，投資始終易于回收，年收益和系統初始投資都有較大幅度增長，投資者還需根據自己投資能力和收益需求確定容量規模。