住宅分布式供能系統(tǒng)模型與運(yùn)行策略研究

沈 軼 何 青

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

分布式供能技術(shù)通過(guò)能量的梯級(jí)利用，使能源利用變得更高效和節(jié)能，同時(shí)減少了能源利用對(duì)環(huán)境的污染[1]。

分布式供能系統(tǒng)又稱為分布式冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)小規(guī)模、模塊化和分散式安裝在用戶端，同時(shí)提供冷、熱、電多種形式的能源[2,3]。美國(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)家對(duì)分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和效率等方面進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用[4-6]。我國(guó)對(duì)分布式供能系統(tǒng)應(yīng)用的可行性、優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略等方面也已開(kāi)始研究和試點(diǎn)應(yīng)用[7-15]。如今的世界和社會(huì)發(fā)展迅速導(dǎo)致了人們對(duì)于生活環(huán)境和生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，各種以清潔能源為主的分布式供能系統(tǒng)正在向前發(fā)展[16]。但是，如何優(yōu)化選擇分布式供能系統(tǒng)的運(yùn)行策略顯得尤為重要。根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行策略的研究可知，大部分僅對(duì)商用建筑進(jìn)行了研究，對(duì)于住宅式建筑的研究卻很少。

本文針對(duì)住宅類建筑，模擬了全年的人員作息、空調(diào)作息、設(shè)備熱擾和燈光照明作息等條件并進(jìn)行建筑負(fù)荷和內(nèi)擾電耗的計(jì)算。以華南某高校宿舍為案例，對(duì)模擬所得到的兩種不同運(yùn)行策略的理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從經(jīng)濟(jì)的角度為住宅式分布式供能系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化提供切實(shí)可行的建議。

1 住宅分布式供能系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)組成

分布式供能系統(tǒng)即分布式冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)，包括制冷、制熱和發(fā)電3 個(gè)部分，可以為住宅建筑提供制冷負(fù)荷、熱水負(fù)荷和電負(fù)荷。圖1 系統(tǒng)由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、輔助燃?xì)忮仩t、太陽(yáng)能集熱器、蓄熱裝置以及溴化鋰吸收式制冷機(jī)組組成，可實(shí)現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供。制冷負(fù)荷與熱水負(fù)荷均來(lái)自燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組余熱以及燃?xì)忮仩t和太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱負(fù)荷。

圖1 住宅分布式供能系統(tǒng)圖

圖1中：

Ee—向電網(wǎng)購(gòu)買的電量，W；

Eg—燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的輸出電量，W；

Qg—燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的輸出余熱，W；

Qb—燃?xì)忮仩t的輸出熱量，W；

Qs—太陽(yáng)能集熱器的輸出熱量，W；

Qc0—溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的輸入熱量，W；

Qc—建筑所需的冷負(fù)荷，W；

Qh——建筑所需的熱負(fù)荷，W。

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能集熱器包括平板型集熱器和真空管集熱器。與真空管太陽(yáng)能集熱器相比，平板型太陽(yáng)能集熱器承壓性好，吸熱面大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，穩(wěn)定性好，安全性高。本研究采用平板型太陽(yáng)能集熱器。太陽(yáng)能集熱器的效率hs如式（1）[16]。

式中，

h0—效率截距；

Us—太陽(yáng)能集熱器熱損系數(shù)，W/(m2×K)；

Ts—太陽(yáng)能集熱器工作溫度，K；

T0—環(huán)境溫度，K；

I—太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2。

太陽(yáng)能集熱器所產(chǎn)生的熱量Qs如式（2）[16]。

式中，

S—太陽(yáng)能集熱器面積，m2。

1.2.2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組

本系統(tǒng)采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電量不能滿足整座建筑的日常用電需求時(shí)，系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)電。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組燃燒天然氣后產(chǎn)生的余熱進(jìn)入蓄熱裝置或直接用于熱水負(fù)荷。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電量Eg如式（3）。

式中，Er—燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電量，W；fg——燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的負(fù)載率。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率hg如式（4）[17]。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量Qg如式（5）。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中所需的天然氣體積Vg如式（6）。

式中，qg——天然氣燃燒的低位發(fā)熱量，J/m3。

購(gòu)買天然氣所需費(fèi)用Cg如式（7）。

式中，cg——天然氣價(jià)格，元/m3。

1.2.3 燃?xì)忮仩t

如果燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的余熱和太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱量不能滿足日常所需熱水負(fù)荷時(shí)，需要輔助鍋爐進(jìn)行供熱。輔助鍋爐采用燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t的輸出熱量Qb如式（10）。

式中，fb—燃?xì)忮仩t負(fù)荷率；

由于鍋爐負(fù)荷率低于85% 或高于100% 時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響其運(yùn)行效率，多余熱量存儲(chǔ)在蓄能裝置中。燃?xì)忮仩t的運(yùn)行效率hb如式（11）[17]。

燃?xì)忮仩t所需的天然氣體積Vb如式（13）。

由此得到，燃?xì)忮仩t所需的天然氣費(fèi)用Cb如式（14）。

1.2.4 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組

冷負(fù)荷由溴化鋰吸收式制冷機(jī)組提供。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組通過(guò)吸收來(lái)自燃?xì)忮仩t、太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的熱量和余熱給整座建筑提供冷負(fù)荷。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的吸收熱量Qc0如式（15）。

式中，

Qc—溴化鋰吸收式制冷機(jī)組輸出的制冷量，J；

COP——溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的循環(huán)性能系數(shù)。

1.3 運(yùn)行策略

1.3.1 以電定熱

系統(tǒng)的電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組提供且優(yōu)先滿足電負(fù)荷，可能的情況如下：

(1) 若當(dāng)日所需電負(fù)荷需求小于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的最大功率時(shí)，此時(shí)不需要向電網(wǎng)買電。制冷熱負(fù)荷由太陽(yáng)能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組余熱提供，多余熱量進(jìn)入蓄熱裝置，不足的則由燃?xì)忮仩t提供。

(2) 若當(dāng)日所需電負(fù)荷需求大于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的最大功率時(shí)，此時(shí)需要向電網(wǎng)買電。冷熱負(fù)荷由太陽(yáng)能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組余熱提供，不足的則由燃?xì)忮仩t提供。

1.3.2 以熱定電

系統(tǒng)的制冷負(fù)荷和熱水負(fù)荷所需熱負(fù)荷先由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的余熱和太陽(yáng)能集熱器提供且優(yōu)先滿足熱負(fù)荷，可能的情況如下：

(1) 若當(dāng)日所需熱負(fù)荷小于太陽(yáng)能集熱器的熱量和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的最大功率所產(chǎn)生的余熱，則不需要打開(kāi)燃?xì)忮仩t。若當(dāng)日所需電負(fù)荷需求小于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量時(shí)，此時(shí)不需要向電網(wǎng)買電，多余電量上網(wǎng)。若當(dāng)日所需電負(fù)荷需求大于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量時(shí)，此時(shí)需要向電網(wǎng)買電。

(2) 若當(dāng)日所需熱負(fù)荷大于或等于太陽(yáng)能集熱器的熱量和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的最大功率所產(chǎn)生的余熱，則需要打開(kāi)燃?xì)忮仩t。若當(dāng)日所需電負(fù)荷需求小于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量時(shí)，此時(shí)不需要向電網(wǎng)買電，多余電量上網(wǎng)。若當(dāng)日所需電負(fù)荷需求大于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量時(shí)，此時(shí)需要向電網(wǎng)買電。

2 案例計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

本文以華南某學(xué)生宿舍為研究對(duì)象。建筑共3層。每層有40 個(gè)房間，規(guī)格為4×5 m2，每個(gè)房間住6 人。電負(fù)荷主要為照明用電和設(shè)備用電。計(jì)算得到了全年逐時(shí)熱負(fù)荷和電負(fù)荷。建筑平面圖如圖2所示。全年的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖3所示。設(shè)備參數(shù)和費(fèi)用參數(shù)如表1和表2所示。作息時(shí)間如表3所示。

圖2 學(xué)生宿舍平面圖

圖3 全年逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

表1 設(shè)備參數(shù)

表2 費(fèi)用參數(shù)

表3 作息時(shí)間

熱水負(fù)荷根據(jù)《GB50015-2010 建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合每人用水量及作息時(shí)間得到。供應(yīng)熱水時(shí)間為19:00-23:00。加熱熱水的熱量Qh如式（16）。

式中，

C=4.2×103J/(kg×K)，水的比熱容；

m—水的質(zhì)量，kg；

Δt—水的溫差，K。

在房間加入制冷空調(diào)后，空調(diào)開(kāi)啟溫度設(shè)定為tamax=30 ℃。在負(fù)荷模擬軟件中，冷負(fù)荷的計(jì)算公式如式（17）[18]。

式中，

qhvac—房間所需冷負(fù)荷，kJ；

ta—房間內(nèi)空氣溫度，℃；

tbz—當(dāng)前時(shí)刻房間不投入冷負(fù)荷時(shí)的溫度，℃。

其中：

式中，ψi,k，λi—表征房間熱特性系數(shù)。

當(dāng)前時(shí)刻房間不投入冷負(fù)荷時(shí)的溫度tbz如式（20）。

式中uk—作用在各溫度節(jié)點(diǎn)上的熱擾。當(dāng)tbz超過(guò)tamax時(shí)空調(diào)開(kāi)啟。

其中房間空氣溫度的分量tai如式（21）。

室內(nèi)房間溫度ta如式（22）。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的循環(huán)性能系數(shù)COP取1.1[16]，蓄熱裝置的輸入輸出效率取0.9[12]。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷小于50%時(shí)，機(jī)組熱效率顯著下降，所以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不低于0.5[9]。

2.2 計(jì)算結(jié)果

全年負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表4 所示。該學(xué)生宿舍全年最大制冷負(fù)荷為865.2 kW，最大熱水負(fù)荷為73.5 kW，最大電負(fù)荷為147.6 kW。全年累計(jì)制冷負(fù)荷182.7 MW，累計(jì)熱水負(fù)荷98.3 MW，累計(jì)電負(fù)荷298.0 MW。由于華南地區(qū)天氣原因，空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間較長(zhǎng)，從4 月中旬持續(xù)到9 月結(jié)束。圖4 和圖5 分別給出了春季、夏季、秋季和冬季4個(gè)典型日的負(fù)荷曲線和全年逐時(shí)制冷負(fù)荷、電負(fù)荷和熱水負(fù)荷。由于寒暑假原因，2 月、7 月和8月均無(wú)負(fù)荷。

表4 全年負(fù)荷

圖4 典型日冷熱電負(fù)荷

圖5 全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷

在圖5中，因?yàn)?月為寒假，7月和8月為暑假，所以功率為0。制冷主要集中在5 月、6 月和9 月，這三個(gè)月消耗的功率最多。整個(gè)圖形波動(dòng)較大。進(jìn)入5月日照充足，因此，5月、6月和9月相比其他月份照明用電明顯減少，電負(fù)荷也明顯減少。其他月份波動(dòng)不大。熱水由學(xué)校統(tǒng)一在固定時(shí)間段供給，幾乎沒(méi)有波動(dòng)。從整體看高校宿舍類建筑負(fù)荷較居民建筑負(fù)荷波動(dòng)小。

3 能源成本分析

3.1 典型日能源成本計(jì)算

典型日的能源成本C計(jì)算式如式（23）。

式中，Ce——購(gòu)電費(fèi)用，￥。

根據(jù)式(23)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的能源成本如表5所示。由表5 可以看出，春分、秋分和冬至3 個(gè)典型日的用能成本低于夏至的用能成本。采用以熱定電運(yùn)行策略時(shí)用能成本低于以電定熱的用能成本。

表5 兩種運(yùn)行策略下的典型日能源成本

2種運(yùn)行策略下4個(gè)典型日的能源成本比較如圖6所示。

圖6 典型日的能源成本

3.2 典型日能源成本分析

3.2.1 春分

受燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的額定功率限制，19:00-23:00在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行下還需向電網(wǎng)額外購(gòu)電，故在以電定熱運(yùn)行策略下天然氣成本和購(gòu)電成本都比較高，天然氣成本為435元，購(gòu)電費(fèi)用為365 元。與以電定熱運(yùn)行策略相比，在以熱定電運(yùn)行策略下因熱水負(fù)荷較少故天然氣費(fèi)用大幅降低，電量主要從電網(wǎng)購(gòu)買，天然氣成本為118元，購(gòu)電費(fèi)用為540元。雖然購(gòu)電費(fèi)用增加但天然氣費(fèi)用卻下降顯著，總成本與以電定熱相比更低。在電負(fù)荷遠(yuǎn)多于所需熱水負(fù)荷的情況下，在以熱定電運(yùn)行策略下運(yùn)行花費(fèi)成本更低，主要是滿足電負(fù)荷的花費(fèi)較多，天然氣費(fèi)用少。雖然熱水負(fù)荷需求少但燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況需在50%以上，導(dǎo)致產(chǎn)熱過(guò)剩。在春季無(wú)制冷負(fù)荷需求，電負(fù)荷需求較大，熱水負(fù)荷需求少，采用以熱定電運(yùn)行策略可減少天然氣費(fèi)用，主要成本在于購(gòu)電費(fèi)用，但總成本仍小于在以電定熱運(yùn)行策略下的總成本。

3.2.2 夏至

當(dāng)天的電耗主要集中在18:00-23:00期間，峰值為143 kW，其余時(shí)刻的電耗很少，最高為24 kW。以電定熱情況下，在18:00 之前的熱負(fù)荷主要由燃?xì)廨o助鍋爐提供。因所需熱負(fù)荷多，相比以熱定電，在以電定熱下燃?xì)廨o助鍋爐消耗的天然氣更多。在以電定熱下燃?xì)廨o助鍋爐的天然氣費(fèi)用為424元，在以熱定電下燃?xì)廨o助鍋爐的天然氣費(fèi)用為371元。在以熱定電運(yùn)行策略下，因熱負(fù)荷需求大，在18:00 以前燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組也處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)電過(guò)剩，從而造成浪費(fèi)。同時(shí)天然氣消耗相比以電定熱下也會(huì)更多。在以電定熱下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的天然氣費(fèi)用為350 元，在以熱定電下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的天然氣費(fèi)用為436元。在以電定熱下電量主要由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組提供，故購(gòu)電費(fèi)用小于以熱定電。在以電定熱下的購(gòu)電費(fèi)用為230 元，在以熱定電下的購(gòu)電費(fèi)用為287 元。因此，在夏至這天制冷負(fù)荷很高，若采用以熱定電，在用電低峰運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)電過(guò)剩，造成浪費(fèi)，同時(shí)購(gòu)電費(fèi)用也會(huì)更高。采用以電定熱運(yùn)行策略可以節(jié)約電量，降低購(gòu)電成本。

3.2.3 秋分

在9:00-23:00 都有電負(fù)荷需求。但電負(fù)荷需求依舊少于熱負(fù)荷需求，故燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組消耗的天然氣小于以熱定電下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組消耗的天然氣。在以電定熱下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的天然氣費(fèi)用為396 元，以熱定電下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的天然氣費(fèi)用為493 元。9:00-23:00 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組都在運(yùn)行，所產(chǎn)生的余熱會(huì)比較多，燃?xì)廨o助鍋爐的運(yùn)行時(shí)間明顯縮短，所消耗的天然氣變少。在以熱定電下燃?xì)廨o助鍋爐僅在20:00 和22:00 需要啟動(dòng)。以電定熱下燃?xì)廨o助鍋爐在0:00、2:00、5:00 和22:00 啟動(dòng)，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)多于以熱定電，天然氣消耗量會(huì)更多。在以電定熱下燃?xì)廨o助鍋爐消耗的天然氣費(fèi)用為212元，以熱定電下燃?xì)廨o助鍋爐消耗的天然氣費(fèi)用為106元。以電定熱下的購(gòu)電費(fèi)用依舊少于以熱定電下的購(gòu)電費(fèi)用。以電定熱下購(gòu)電費(fèi)用為238 元，以熱定電下的購(gòu)電費(fèi)用為293元。在秋分這天與夏至相似，若采用以熱定電，在用電低峰運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)電過(guò)剩，造成浪費(fèi)，同時(shí)購(gòu)電費(fèi)用也會(huì)更高。采用以電定熱運(yùn)行策略可以節(jié)約電量，降低購(gòu)電成本。

3.2.4 冬至

冬至的情況與春分類似，但冬至這天的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較春分更高，太陽(yáng)能集熱器可生成熱量266 kW。在以電定熱運(yùn)行策略下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組所消耗的天然氣量會(huì)較多，同時(shí)造成生成的余熱過(guò)剩，過(guò)剩的余熱存儲(chǔ)在蓄熱裝置中，此時(shí)無(wú)需打開(kāi)燃?xì)忮仩t。在以熱定電下，因?yàn)楫?dāng)天熱負(fù)荷需求少，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組消耗的天然氣少，但同時(shí)發(fā)電量不能滿足電負(fù)荷需求，購(gòu)買電量的費(fèi)用會(huì)更多。以電定熱下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的天然氣費(fèi)用為548 元，以熱定電下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的天然氣費(fèi)用為68 元。以電定熱下的購(gòu)電費(fèi)用為320 元，以熱定電下的購(gòu)電費(fèi)用為578 元。在冬至這天無(wú)制冷負(fù)荷需求，電負(fù)荷需求較大，熱水負(fù)荷需求少，采用以熱定電運(yùn)行策略可減少天然氣花費(fèi)，主要成本在于購(gòu)電費(fèi)用，但總成本仍小于在以電定熱運(yùn)行策略下的總成本。

4 結(jié)論

1)建立了以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能集熱器、燃?xì)廨o助鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機(jī)等為主要設(shè)備的分布式供能系統(tǒng)。模擬并計(jì)算出了目標(biāo)建筑所需的制冷、熱水、電負(fù)荷，分別運(yùn)用了以電定熱與以熱定電的運(yùn)行策略對(duì)全年的4個(gè)典型日的購(gòu)電和燃料成本進(jìn)行了計(jì)算和分析。

2)通過(guò)模擬和計(jì)算，得到全年累計(jì)制冷負(fù)荷182.7 MW，全年累計(jì)熱水負(fù)荷98.3 MW，全年累計(jì)電負(fù)荷298.0 MW。以熱定電下春分和冬至的總成本為1 316 元，以電定熱下為1 669 元。以熱定電下夏至和秋分的總成本為1 988 元，以電定熱下為1 851元。對(duì)于類似于春分和冬至以電負(fù)荷為最大需求的節(jié)氣而言，采用以熱定電的購(gòu)電和燃料費(fèi)用更低；對(duì)于類似于夏至和秋分以制冷負(fù)荷為最大需求的節(jié)氣而言，采用以電定熱的購(gòu)電和燃料費(fèi)用更低。

3) 在以電定熱下典型日總成本為3 520 元，以熱定電下為3 305元。在相同總負(fù)荷的前提下，4個(gè)典型日采用以熱定電運(yùn)行策略的購(gòu)電和燃料成本少于以電定熱運(yùn)行策略。因此，應(yīng)用本文建立的住宅分布式供能系統(tǒng)模型，對(duì)不同運(yùn)行策略下的供能成本進(jìn)行計(jì)算分析，可以得到優(yōu)化的住宅分布式供能系統(tǒng)方案及其運(yùn)行策略。