某醫(yī)院建筑燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)運(yùn)行能效分析與節(jié)能評(píng)估

呂海濤 張華玲

某醫(yī)院建筑燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)運(yùn)行能效分析與節(jié)能評(píng)估

呂海濤 張華玲

（重慶大學(xué) 重慶 400000）

通過(guò)監(jiān)測(cè)某醫(yī)院燃?xì)夥植际嚼錈犭娐?lián)供（CCHP）系統(tǒng)冬夏運(yùn)行工況，獲得冬夏季系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以運(yùn)行數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況，計(jì)算系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行效率及系統(tǒng)綜合能源利用效率，以國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)節(jié)能性。結(jié)果顯示：由于建筑實(shí)際負(fù)荷需求波動(dòng)較大，CCHP系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)全年折算滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)僅1508小時(shí)，未能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)年平均能源利用效率為84.5%，但節(jié)能率僅為-29.0%，CCHP系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)時(shí)段并不節(jié)能。

冷熱電三聯(lián)供；負(fù)荷需求；運(yùn)行數(shù)據(jù)；綜合能源利用效率

0 引言

我國(guó)建筑能耗持續(xù)上升，2017年我國(guó)建筑能耗達(dá)到9.47億噸標(biāo)煤，占全社會(huì)能耗量的21%，其中公共建筑能耗占38%。燃?xì)夥植际嚼錈犭娐?lián)供（CCHP）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源梯級(jí)利用，能源利用效率高、綠色環(huán)保、安全性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，一次能源利用效率可高達(dá)90%以上[1]，適用于有穩(wěn)定冷熱負(fù)荷需求的單體建筑或區(qū)域建筑，如酒店、醫(yī)院及其他綜合類(lèi)建筑群。我國(guó)《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出提高天然氣和非化石能源消費(fèi)比重[2]，借此契機(jī)，我國(guó)燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)在近年來(lái)得到了大力的發(fā)展，到2020年，我國(guó)分布式能源裝機(jī)容量將達(dá)到34.36GW[3]。CCHP系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備容量大小直接影響到系統(tǒng)節(jié)能效果，發(fā)電設(shè)備容量過(guò)大或者過(guò)小都無(wú)法使能源得到充分的梯級(jí)利用，部分CCHP系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果并不理想[4,5]。

本文以某醫(yī)院建筑冬夏季CCHP系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況，計(jì)算系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行效率、發(fā)電設(shè)備年折算滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)、年平均能源利用效率及節(jié)能率，并與國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。

1 項(xiàng)目概況及運(yùn)行數(shù)據(jù)

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目總建筑面積約17022m2，圖1為冬夏典型日設(shè)計(jì)冷熱電負(fù)荷，其中夏季最大冷負(fù)荷為2731.4kW，冬季最大熱負(fù)荷為1480.8kW，夏季最大小時(shí)電負(fù)荷為986.8kW，冬季最大小時(shí)電負(fù)荷為911.4kW。建筑供能系統(tǒng)為CCHP與螺桿機(jī)組，發(fā)電設(shè)備為內(nèi)燃機(jī)，發(fā)電量?jī)H能供建筑使用，不能上傳至電網(wǎng)。表1為該醫(yī)院建筑供能系統(tǒng)選用的主要設(shè)備性能參數(shù)，內(nèi)燃機(jī)日滿負(fù)荷發(fā)電量為9.6MWh。

表1 建筑供能系統(tǒng)主要設(shè)備性能參數(shù)

圖1 冬夏典型日冷熱電負(fù)荷

1.2 系統(tǒng)冬夏季產(chǎn)能情況

通過(guò)監(jiān)測(cè)該醫(yī)院建筑供能系統(tǒng)運(yùn)行狀況，得到內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量、內(nèi)燃機(jī)耗氣量、螺桿機(jī)耗電量、溴化鋰機(jī)組產(chǎn)熱/冷量和溴化鋰機(jī)組耗氣量等日運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖2為CCHP系統(tǒng)12月至次年2月的內(nèi)燃機(jī)日發(fā)電量及溴化鋰機(jī)組日產(chǎn)熱量情況，日最高產(chǎn)熱量約13MWh，接近典型日設(shè)計(jì)熱負(fù)荷需求總量15.5MWh。由圖2（a）可見(jiàn)，內(nèi)燃機(jī)日最高發(fā)電量約為2.92MWh，出現(xiàn)在1月，遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)滿載日發(fā)電量為9.6MWh，12月開(kāi)機(jī)時(shí)數(shù)低，冬季折算滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)僅440h。根據(jù)實(shí)地調(diào)研得知，醫(yī)院建筑冬季電負(fù)荷需求低，在電負(fù)荷需求較低的時(shí)段，內(nèi)燃機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)不能充分發(fā)揮天然氣資源梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)。

圖3為建筑供能系統(tǒng)2019年夏季7月至9月的系統(tǒng)日產(chǎn)能情況，由圖可知，7月下旬至9月上旬，CCHP系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀況較冬季有改善，日發(fā)電量均能穩(wěn)定在5MWh以上，其中日最高發(fā)電量約8MWh，出現(xiàn)在８月，夏季內(nèi)燃機(jī)折算滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)約1035h。內(nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)所生產(chǎn)的冷量不能滿足的建筑冷負(fù)荷需求，系統(tǒng)優(yōu)先通過(guò)吸收式制冷機(jī)直燃工況制冷，而非采用螺桿機(jī)制冷，僅8月冷負(fù)荷需求較大時(shí)才開(kāi)啟螺桿機(jī)輔助供冷。

圖3 系統(tǒng)7-9月產(chǎn)能情況

1.3 系統(tǒng)冬夏季能耗情況

圖4為12-2月每日的能耗數(shù)據(jù)，可見(jiàn)，由于內(nèi)燃機(jī)多數(shù)時(shí)間僅低負(fù)載運(yùn)行，甚至未能達(dá)到開(kāi)機(jī)條件，發(fā)電余熱不足以滿足建筑熱負(fù)荷需求，還需通過(guò)直接燃燒天然氣補(bǔ)充，系統(tǒng)未能充分發(fā)揮天然氣資源梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)。

圖4 系統(tǒng)12-2月能耗情況

圖5為7-9月每日耗氣量數(shù)據(jù)，可見(jiàn)，夏季系統(tǒng)運(yùn)行狀況較冬季有改善，除7月上旬內(nèi)燃機(jī)有停機(jī)時(shí)段，CCHP系統(tǒng)其余時(shí)段均能發(fā)揮天然氣能源梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)生產(chǎn)的冷量中，僅有少量由溴化鋰機(jī)組直燃工況運(yùn)行提供。

圖5 系統(tǒng)7-9月耗氣情況

2 系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行效率分析

本文選取冬夏季負(fù)荷需求比較穩(wěn)定的月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析內(nèi)燃機(jī)日平均運(yùn)行效率及CCHP系統(tǒng)日平均綜合能源利用效率；選擇內(nèi)燃機(jī)停機(jī)較多月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析溴化鋰機(jī)組直燃工況的日平均效率。

2.1 系統(tǒng)冬季運(yùn)行效率分析

圖6 溴化鋰機(jī)組直燃工況的日平均制熱效率

內(nèi)燃機(jī)12月上旬多數(shù)時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)，由溴化鋰機(jī)組直接燃燒天然氣供熱，以這部分運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算溴化鋰機(jī)組日均實(shí)際運(yùn)行效率，其實(shí)際運(yùn)行效率為0.8~0.9，如圖6所示，略低于GB 50189-2015能效限值[6]。

選取負(fù)荷需求比較穩(wěn)定的1月份運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算內(nèi)燃機(jī)日均發(fā)電效率，其實(shí)際運(yùn)行效率在0.33~0.37范圍，如圖7所示，未能達(dá)到內(nèi)燃機(jī)額定發(fā)電效率。

圖7 內(nèi)燃機(jī)日平均發(fā)電效率

依據(jù)圖6與圖7給出的實(shí)際運(yùn)行效率，取溴化鋰機(jī)組熱效率0.85，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率0.35，計(jì)算得內(nèi)燃機(jī)日平均熱效率為0.35~0.55范圍以及系統(tǒng)日平均綜合能源利用效率為0.8~0.9，圖8（a）與圖8（b）所示，可見(jiàn)冬季實(shí)際運(yùn)行效率高于DL/T 5508-2015[7]中規(guī)定的系統(tǒng)年綜合能源利用效率不應(yīng)小于70％的限值。

圖8 內(nèi)燃機(jī)熱效率及系統(tǒng)日平均綜合能源利用率

2.2 系統(tǒng)夏季運(yùn)行效率分析

圖9 溴化鋰機(jī)組直燃工況時(shí)的日平均制冷效率

內(nèi)燃機(jī)7月上旬基本處于停運(yùn)狀態(tài)，選取7月上半月內(nèi)燃機(jī)停運(yùn)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算溴化鋰機(jī)組實(shí)際日均制冷效率在0.8~1.05范圍，如圖9所示，略低于GB 50189-2015[6]中規(guī)定的能效限值。

夏季選擇負(fù)荷需求比較穩(wěn)定的8月運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算螺桿機(jī)組日平均制冷效率為3.5~4.5，CCHP系統(tǒng)綜合能源利用效率為0.7~1.1，如圖10（a）與圖10（b）所示，螺桿機(jī)組效率低于GB 50189-2015[6]規(guī)定的能效限值；其中，８月15日至27日系統(tǒng)日平均綜合能源利用率較高，分析運(yùn)行策略發(fā)現(xiàn)，這一階段建筑冷負(fù)荷主要由余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)組供給，冷量不足部分由螺桿機(jī)輔助產(chǎn)冷，而非溴化鋰機(jī)組直燃供冷，天然氣資源有較好的梯級(jí)利用。

圖10 螺桿機(jī)運(yùn)行效率及CCHP系統(tǒng)日平均綜合能源利用率

綜上所述，該醫(yī)院建筑CCHP系統(tǒng)在檢測(cè)時(shí)段冬夏季實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷需求波動(dòng)大，溴化鋰機(jī)組直燃工況及螺桿機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率均未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定得能效限值，系統(tǒng)日平均綜合能源利用效率能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)節(jié)能性評(píng)估

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)CCHP系統(tǒng)運(yùn)行情況，本文以系統(tǒng)年平均能源綜合利用率、系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)最大利用小時(shí)數(shù)以及系統(tǒng)節(jié)能率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析對(duì)比系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

3.1 系統(tǒng)年平均能源利用效率

分布式冷熱電能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率可由下式計(jì)算[8]：

式中：為年平均余熱利用率，%；為年凈輸出電量，kWh；1為年余熱供熱總量，MJ；2為年余熱供冷總量，MJ；為年天然氣總耗量，m3；Q為燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，取38.931MJ/m3。

計(jì)算得到冬夏季CCHP系統(tǒng)平均能源利用效率分別為86.7%和84.5%，年平均能源效率為85.4%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中不小于70%的要求。

3.2 發(fā)電設(shè)備折合滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)

分布式冷熱電能源系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備折合滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)可按下式計(jì)算[8]：

式中：為發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)最大利用小時(shí)數(shù)，h；W為發(fā)電設(shè)備全年發(fā)電總量，kWh；Cap為所有發(fā)電設(shè)備的總裝機(jī)容量，kW。

計(jì)算得到系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備實(shí)際全年折合滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1508h，小于規(guī)范應(yīng)大于2000h的要求。

3.3 系統(tǒng)節(jié)能率

分布式冷熱電能源系統(tǒng)節(jié)能率由以下公式計(jì)算[8]：

式中：為節(jié)能率，%；為年天然氣總耗量，m3；Q為燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，取38.931MJ/m3；為年凈輸出電量，kWh；1為年余熱供熱總量，MJ；2為年余熱供冷總量，MJ；e0為常規(guī)供電方式的平均供電效率，%；0為燃?xì)忮仩t平均熱效率，%，按GB 50189取值，本文取0.9；0為電制冷平均性能系數(shù)，按GB 50189取值，本文取5.6；122.9為計(jì)算系數(shù)，g/kWh，取自GB/T2589；為電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，307g/kWh，取2018年全國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；為供電線路損失率，6.21%，取自全國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)節(jié)能率僅為-29.0%，相比常規(guī)電動(dòng)制冷與燃?xì)忮仩t方式，該系統(tǒng)不節(jié)能，主要是該CCHP系統(tǒng)目前還未能充分發(fā)揮天然氣能源梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析了某醫(yī)院建筑供能系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，得到以下研究結(jié)論：

（1）醫(yī)院建筑實(shí)際使用中冷熱電負(fù)荷需求波動(dòng)大，其中電負(fù)荷下降導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)無(wú)法按設(shè)計(jì)工況開(kāi)機(jī)運(yùn)行，內(nèi)燃機(jī)全年滿負(fù)荷運(yùn)行小數(shù)數(shù)僅1508h，未能達(dá)到規(guī)范GB 36160.1-2018的要求。

（2）內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)電效率接近額定效率，內(nèi)燃機(jī)熱效率高于額定效率，溴化鋰機(jī)組直燃工況及螺桿機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率均低于GB 50189-2015規(guī)定的能效限值。CCHP系統(tǒng)年平均能源利用效率為84.5%，達(dá)到規(guī)范GB 36160.1-2018的要求。

（3）該CCHP系統(tǒng)天然氣能源未能充分發(fā)揮梯級(jí)的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)不節(jié)能，節(jié)能率為-29.0%。運(yùn)行策略也應(yīng)做調(diào)整，夏季應(yīng)避免溴化鋰機(jī)組直燃工況供冷，內(nèi)燃機(jī)余熱產(chǎn)冷不足部分應(yīng)優(yōu)先運(yùn)行螺桿機(jī)，并由內(nèi)燃機(jī)提供的電能。說(shuō)明即使CCHP系統(tǒng)在冷熱負(fù)荷需求較穩(wěn)定的醫(yī)院建筑中使用，內(nèi)燃機(jī)容量確定合理并配合良好的運(yùn)行策略才能取得預(yù)期的節(jié)能效果。

[1] 冼靜江,林梓榮,詹寧華,等.分布式天然氣CCHP系統(tǒng)在廣東地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].城市燃?xì)?2018, (6):7-10.

[2] 國(guó)家發(fā)展改革委,國(guó)家能源局.能源發(fā)展“十三”五規(guī)劃[R].2016.

[3] Han J, Ouyang L, Xu Y, et al. Current status of distributed energy system in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016,55:288-297.

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Energy Efficiency Analysis and Energy-saving Assessment of a Distributed Energy System in Hospital

Lv Haitao Zhang Hualing

( Chongqing university, Chongqing, 400000 )

In this paper, by monitoring the operating conditions of a combined cooling heating and power (CCHP) system in hospital, the system operation data is obtained in winter and summer. Based on the operation data, the system operation status is analyzed, and efficiency of each equipment and energy utilization ratio of the system are calculated. According to relevant national standards, the energy saving of the system is evaluated. The results show that due to the fluctuations in the actual load demand of the building, the full load operating hours of the internal combustion engine of the CCHP system is only 1508 hours, which is less than the national standard requirements. The energy utilization ratio of the system is 84.5%, but the energy saving ratio is only -29.0%. The system does not save energy during the monitoring period.

combined cooling heating and power; load demand; operation data; energy utilization ratio

TU8

B

1671-6612（2021）01-070-08

呂海濤（1995.5-），男，在讀碩士研究生，E-mail：540299838@qq.com

張華玲（1968.11-），女，博士，教授，E-mail：hlzhang@cqu.edu.cn

2020-05-07