多能互補分布式供能系統運行節能效果評估

李金桃 楊雅鑫 李洋 雷艷 杜松 張林濤

（1 貴州中建建筑科研設計院有限公司 貴州貴陽 550006 2 北京城建亞泰建設集團有限公司 北京 100013）

0 引言

多能互補分布式能源系統是指多種能源資源輸入，并形成多種產出功能和輸運形式的以區域為中心的能源服務系統。多能互補分布式能源系統是傳統分布式能源應用的拓展，是一體化整合的物理概念，將燃氣、風電、光伏、光熱、儲熱等技術進行融合，實現多種能源的協同優化［1-2］。多能互補系統并不是多種能源的簡單疊加，而是從系統角度將不同品階上的能量進行階梯利用，將系統能源的利用效率綜合互補利用，并統籌安排好各種能量之間的配合關系與轉換使用，以取得最合理能源利用效果與效益。以分布式供能系統為核心的多能互補供能系統興起時間較短，研究成果相對較少。關于節能效果的相關研究多集中在分布式供能系統，多個研究人員根據分布式能源系統的特點分別提出了不同的節能效果評估方法，并給出了案例進行論證［3-8］。文獻［9］以某醫院的地源熱泵耦合分布式供能系統為例，計算了該項目常規能源節約量；文獻［10］則分析了影響多能互補分布式供能系統能效水平的影響因素，并定義了綜合能效的定義；文獻［11］則在上述研究基礎之上，提出節能率計算時應考慮輸入能源的品質，并考慮可再生能源系統輸入的低品位能源對系統節能率的影響；文獻［12］則提出了一種用于測試供冷、供暖和過渡季能耗和評價能效水平的計算方法。文獻［13］構建了一個同時考慮經濟性、一次能耗和碳排放量的多目標超結構優化模型，并基于實際案例給予驗證。文獻［14］基于典型工業園區供能需要，研究并設計了多能互補分布式綜合供能系統典型方案。綜合以上研究可知，針對多能互補分布式供能系統的節能效果評估研究較少，而多能互補分布式能源系統作為一種全新的能源供給形態，節能效果是評價系統成功與否的重要指標，因此有必要針對該類型供能系統的節能效果評價進行研究。

1 評估方法

在參考相關的研究基礎之上，本文提出一種適用于多能互補分布式供能系統的節能效果評估方法。該方法將供能系統視為閉式系統，以全年能耗模擬結果為基礎，根據供能系統的運行策略，計算不同負荷區間、不同工況下系統輸入和輸出的能量，并將輸入和輸出系統的能源（含太陽能、淺層地熱能等）折合成標準煤計算一次能源替代量。

為簡化計算，在保證系統節能效果評估計算數值準確的前提下，評估方法進行了如下假設：不考慮供能系統內的供能設備部分負荷狀態，設備運行功率能源耗量等參數取額定值；不考慮供能系統內輸配系統水泵、風機等設備變頻運行對節能效果的影響，水泵、風機等設備的運行功率取額定功率。該評估計算方法的具體操作方法如下：

（1）計算供能區域全年供冷、供熱能耗時，對各棟建筑的全年建筑能耗進行模擬計算，并統計出各建筑全年各時間段的建筑能耗；

（2）根據多能互補分布式供能系統和對比系統分供式供能系統的供能設備配置情況，并結合供能系統運行策略，制定不同工況、不同負荷區間的供能系統運行策略。

（3）根據不同工況下的設備運行情況，統計該運行模式下末端所需的總負荷以及系統設備自身耗能量，在滿足系統自身和末端能源需求基礎上，計算該運行工況下供能系統輸入和輸出的能源類型和能量，并將輸入和輸出的能源換算成標準煤。

（4）按照公式（1）～（3）計算多能互補分布式供能系統和分供式供能系統的標準煤耗量、以及節能量：式中：Gce為全年累計標準煤耗量，kgce；α 為天然氣折標準煤系數，取值為1.2143 kgce/m3［15］；Ggas.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，供能系統輸入的天然氣耗量，m3；Ti為第i 類供冷/供暖的累計運行時間，h；Qepin.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，市政電網累計輸入的電量，kWh；β 為電煤折算系數，本文取值為0.311 kgce/kWh；η 為電網綜合線損率，本文取值為3.99%。

式中：ΔGce為全年累計節能量，kgce；Gcef.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，分供式供能系統標準煤耗量，kgce；Gced.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，多能互補分布式供能系統的標準煤耗量，kgce；Gced.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，可再生能源系統輸入能源折合標準煤量，kgce；Gepout為儲能裝置累計儲存電量轉換標準煤量，kgce；Gepout.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，儲能系統儲電量轉換標準煤量，kgce；Qepout.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，系統向儲能裝置輸出的電量，kWh。

2 供能及對比系統

2.1 多能互補分布式供能系統方案

本文以貴州某多能互補分布式能源系統應用項目為例，詳解該節能效果評估計算方法。計算項目位于貴州省貴安新區，項目占地面積207 055.60 m2，總建筑面積508 764.60 m2，為集居住、商業、辦公等功能為一體的大型城市綜合體項目。項目設計總冷負荷為14 591.37 kW，設計總熱負荷11 802.05 kW，采用由燃氣內燃發電機組、煙氣吸收式溴化鋰機組、直燃型溴化鋰機組、水源熱泵機組、空氣儲能裝置等多種供能設備組成的多能互補分布式供能系統，為項目提供所需冷、熱負荷以及生活熱水負荷。上述各子供能系統采用并聯方式聯網，由智能微網控制系統對供能系統的運行進行調控，確保在不同負荷工況下，可實現單一子系統供能或多個子系統耦合供能。

該系統采用“并網不上網”模式運行，即多能互補分布式能源系統接入大電網并網運行，所產生的電力自發自用，如有富余發電量則利用空氣儲能技術儲能以供系統使用，不向電網反向送電。在空氣儲能電量不足或系統發電設備不啟用、檢修或者故障時，由市政電網向供能系統供電，保證系統能夠長期安全穩定地運行。該供能系統原理及主要設備分別如圖1和表1 所示。

圖1 多能互補分布式供能系統原理圖

表1 多能互補分布式供能系統設備性能參數

為充分回收燃氣內燃發電機組發電過程中產生的可利用廢熱，最大限度提高供能系統的用能效率，同時保證系統運行的經濟性，供能系統的運行需遵循優先開啟水源熱泵系統提供制冷制熱，當負荷不足以滿足末端需求時，開啟冷熱電三聯供系統和燃氣直燃機系統的原則。不同工況及不同負荷區間的主要供能設備開啟情況如表2 所示。

表2 多能互補分布式供能系統運行模式及設備啟停情況

2.2 分供式供能系統方案

分供式供能系統是相對于多能互補分布式供能系統而言。即供能系統所需的電量由市政電網提供，冷量由電制冷冷水機組提供，而熱量則由燃煤或燃氣鍋爐提供。根據項目的可行性研究報告，分供式供能系統的冷量由4 臺離心式冷水機組提供，供暖以及全年生活熱水熱負荷則由3 臺常壓燃氣鍋爐提供，設備運轉所需要的電量則有市政電網供給。運行模式根據負荷區間段開啟供能設備。分供式供能系統設備性能參數如表3 所示。

表3 分供式供能系統設備性能參數

3 評估結果及分析

采用PKPM-CHEC 能耗模擬軟件，計算項目各建筑的全年能耗，統計多能互補分布式供能系統和分供式供能系統不同運行模式下的全年運行時數，并根據不同運行模式下燃氣內燃發電機組啟動的差異，統計該模式下由市政電網輸入或向儲能裝置輸出的電量。多能互補分布式供能系統和分供式供能系統的統計結果分別如表4 和表5 所示。

表4 多能互補分布式供能系統用能情況統計

表5 分供式供能系統用能情況統計

上述結果代入公式（1）～（3）中計算可得到，多能互補分布式能源系統以及與之對比的分供式供能系統的全年供熱、供冷、供電以及生活熱水的全年標準煤耗量以及節能量，計算結果如表6 所示。

表6 供能系統標準煤耗量計算表 單位：tce

4 結論及建議

本文提供了一種適用于多能互補分布式供能系統全年耗能量評估的計算方法，并以貴州某應用工程為案例進行了全年耗能量的評估計算，得出的結論如下：

（1）計算案例的多能互補分布式供能系統全年能耗折合標準煤的量為6 766.5 t，對比的分供式供能系統全年能耗折合標準煤的量為9 526.6 t，相較于對比系統全年節能量折合標準煤為2 760.1 t。

（2）計算案例的供能系統在全年運行過程中存在較長時間的低負荷運行工況，方案階段、實際運行過程中應重點關注該階段的運行能耗。尤其是低負荷供暖工況運行時，采用能效比較高的水源熱泵機組標準煤耗量顯著低于直接燃燒天然氣的燃氣鍋爐標準煤耗量。

（3）本文提供的多能互補分布式供能系統全年耗能量評估計算方法可用于不同供能方案運行效果的評估，為多能互補分布式供能系統的運行和推廣提供依據。