帶蓄能裝置冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的多目標(biāo)評價研究

馬愛純 孫瑋 李力 胡日骍

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

冷熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用原理基礎(chǔ)上，將供冷、供熱及供電過程一體化的多聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)。將冷熱電聯(lián)供技術(shù)應(yīng)用于大型辦公建筑，對降低建筑能耗及減少二氧化碳排放具有重要意義。CCHP系統(tǒng)一般按照以熱定電或以電定熱的模式來設(shè)計系統(tǒng)容量，這兩種方式都可能導(dǎo)致系統(tǒng)能源供需不匹配，使原動機經(jīng)常變工況運行，余熱利用率低。引入蓄能裝置可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱電比，優(yōu)化機組運行工況，解決聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷缺口問題。目前關(guān)于無蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的配置及運行策略研究較多，且越來越多的研究者們從多目標(biāo)角度來評價系統(tǒng)[1-4]。在帶蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究方面，大多研究者們都從系統(tǒng)經(jīng)濟性或一次能源節(jié)約率等單方面因素來評價分析系統(tǒng)優(yōu)劣[5-9]，關(guān)于多目標(biāo)綜合評價系統(tǒng)的研究較少，且主要集中在系統(tǒng)運行策略的方面，文獻(xiàn)[10-11]考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟三個方面對帶蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行策略進(jìn)行了研究。由于建筑物類型不同，若僅考慮單一的評價指標(biāo)，則不能全面地評價蓄能型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，得到該建筑物最佳的配置方案。本研究以長沙地區(qū)某50000m2辦公樓為對象，設(shè)計不同的CCHP方案，運用層次分析法對帶蓄能裝置的方案的經(jīng)濟性、環(huán)境性、節(jié)能性進(jìn)行綜合評價，并與無蓄能裝置的方案比較，最終得到該辦公樓最佳的配置方案。

1 CCHP系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)配置型式

辦公建筑具有負(fù)荷間歇性變化大的特點，適合蓄能裝置發(fā)揮削峰填谷的作用。對于帶蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)制冷（熱）負(fù)荷高于用戶需求時，將多余的冷（熱）負(fù)荷儲存在蓄能裝置中。當(dāng)制冷（熱）負(fù)荷不能滿足用戶冷(熱)負(fù)荷需求時，再由蓄能裝置補充供應(yīng)，調(diào)節(jié)了系統(tǒng)熱電比，解決了無蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源供需不匹配、余熱利用效率低的問題。辦公建筑采用的帶蓄能裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)配置型式如圖1所示。其中原動機為燃?xì)廨啓C，余熱回收裝置為煙氣型吸收式制冷機，調(diào)峰設(shè)備包括電動壓縮機和蓄能裝置。

圖1 帶蓄能裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

以長沙地區(qū)某50000m2辦公樓為研究對象，通過DeST軟件模擬出其全年逐時冷熱電負(fù)荷情況。該辦公樓工作時段電負(fù)荷穩(wěn)定在1250kW左右，夏季典型日峰值冷負(fù)荷約為4300kW，冬季典型日峰值熱負(fù)荷約為2800kW。該辦公樓的冷熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于電負(fù)荷，若采用以冷熱負(fù)荷確定機組配置的方法，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可滿足辦公樓冷熱負(fù)荷，無需配置蓄能裝置，且原動機容量過大，在并網(wǎng)不上網(wǎng)的政策下，造成電能的浪費，所以應(yīng)以電負(fù)荷為基準(zhǔn)進(jìn)行配置選型，原動機可長時間處于額定工況下運行，并配合蓄能裝置，充分利用系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱，實現(xiàn)冷（熱）的轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱電比。具體配置方案如表1所示，其中方案七為分供方案。

表1 辦公樓CCHP配置方案

辦公樓工作日工作時間為8:00-19:00，周末不工作，且過渡季無需供冷、供熱，所以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)只在冬季和夏季運行，過渡季不運行，年運行時間如表2所示。

表2 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年運行時間

2 CCHP系統(tǒng)多目標(biāo)評價

為了全方面地評價系統(tǒng)的優(yōu)劣，綜合考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟三個方面的影響因素，將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分供方案比較，以一次能源節(jié)約率（PESR），二氧化碳減排率（ESR），年費用節(jié)約率（CSR）[12]分別作為能源目標(biāo)，環(huán)境目標(biāo)和經(jīng)濟目標(biāo)對CCHP系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價分析。

2.1 多目標(biāo)評價模型建立

采用層次分析法[13]對不同CCHP系統(tǒng)配置方案進(jìn)行綜合評價。CCHP系統(tǒng)評價框架由三層評價體系構(gòu)成，第一層為方案層，第二層為準(zhǔn)則層，第三層為目標(biāo)層。本研究中的評價流程圖如圖2所示。

圖2 CCHP系統(tǒng)評價流程圖

2.1.1 準(zhǔn)則層

采用Santy的1～9標(biāo)度方法，對辦公樓構(gòu)建關(guān)于能源、環(huán)境、經(jīng)濟的成對比較陣，滿足一致性檢驗校核后，得到相應(yīng)的權(quán)向量。辦公建筑應(yīng)著重考慮節(jié)能因素[14]，則辦公建筑關(guān)于能源、環(huán)境、經(jīng)濟評價指標(biāo)的權(quán)重向量ω=[0.55；0.24；0.21]。

2.1.2 方案層

根據(jù)各方案的能源、環(huán)境、經(jīng)濟目標(biāo)值，結(jié)合式（1），計算出基于三個標(biāo)準(zhǔn)的備選方案的成對比較陣，滿足一致性檢驗校核后，從而求得各方案關(guān)于每個標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重向量。

式中：Pi,j為成對比較陣的元素；Roundup為向負(fù)方向取整的函數(shù)；Ci、Cj為同一準(zhǔn)則下任意兩個方案i和j的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；Cmax為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值中的最大值；Cmin為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值中的最小值；N為最大標(biāo)度值，根據(jù)Santy的層次分析法理論，N=9。

2.1.3 目標(biāo)層

將準(zhǔn)則層的權(quán)重與方案層的權(quán)重進(jìn)行矩陣計算，得到系統(tǒng)的最終權(quán)重，從而選出最佳方案。

2.2 多目標(biāo)評價計算

長沙地區(qū)售電單價采取分時電價政策，天然氣價格采取季節(jié)性差價政策，電、天然氣價格參數(shù)如表4、表5所示。

表4 電的價格參數(shù)

表5 天然氣的價格參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)配置方案，計算各方案初始指標(biāo)值如表6所示。根據(jù)表6中的六個方案的能源（PESR）、環(huán)境（ESR）、經(jīng)濟（CSR）的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，計算出六個方案關(guān)于每個評價標(biāo)準(zhǔn)的成對比較陣及相應(yīng)的權(quán)重，并結(jié)合準(zhǔn)則層中評價標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重，求出各方案的最終權(quán)重如表7所示。

表6 各方案初始指標(biāo)值

表7 各方案關(guān)于評價指標(biāo)的權(quán)重因子及最終權(quán)重

2.3 系統(tǒng)評價結(jié)果分析

從表7中可見，同燃?xì)廨啓C容量下，方案四與方案一，方案五與方案二，方案六與方案三相比，通過引入蓄能裝置，其節(jié)能性、環(huán)境性、經(jīng)濟性均有提高。在帶蓄能裝置的方案中，方案五的節(jié)能性最好。方案四的環(huán)境性最優(yōu)，方案五低于方案四，但方案四的經(jīng)濟性較差，主要原因是其設(shè)備初投資成本很高，折算的年總費用相對較高，降低了其經(jīng)濟性。方案六的經(jīng)濟性最佳，但其環(huán)境性卻很差，主要原因是方案六的設(shè)備容量較小，系統(tǒng)發(fā)電量和可利用的余熱較小，需從電網(wǎng)補足電量缺額很大，而電廠單位發(fā)電量排放的CO2較大，綜合考慮三個方面，方案五最佳。由表6計算可得，方案五與分供方案相比，其年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費用分別減少11.0%，30.9%，11.0%。與方案二相比，同燃?xì)廨啓C容量下，系統(tǒng)的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費用分別減少了0.9%、1.8%、1.6%。由于該辦公樓夏季冷負(fù)荷需求較大，蓄能裝置主要利用夜間低價電制冷蓄冷，白天放冷調(diào)峰來降低系統(tǒng)運行成本，但總節(jié)能量較小。冬季熱負(fù)荷波動較大，蓄能裝置主要通過回收系統(tǒng)余熱來減少能源消耗量，但冬季系統(tǒng)運行時間較短。所以對辦公樓，蓄能裝置的引入節(jié)能效果仍不明顯。對于醫(yī)院、火車站等全天均需冷（熱）負(fù)荷且晝夜負(fù)荷變化較大的建筑，引入蓄能裝置將有更好的前景。

3 結(jié)論

為長沙地區(qū)某50000m2辦公樓設(shè)計了六種CCHP系統(tǒng)方案，基于能源、環(huán)境、經(jīng)濟評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合層次分析法進(jìn)行了綜合評價。六種方案中，MakilaTI型燃?xì)廨啓C配合蓄能裝置的方案五最佳，與分供方案相比，其節(jié)能性、環(huán)境性、經(jīng)濟性分別提高了11.0%，30.9%，11.0%。與方案二相比，同燃?xì)廨啓C容量下，蓄能裝置的引入使得系統(tǒng)的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費用分別減少了0.9%、1.8%、1.6%。