某商業綜合體項目燃氣冷熱電三聯供系統發電設備容量的確定方法

張瑜

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

冷熱電三聯供系統通過對能源的梯級利用[1]，一方面可以較好地解決項目的供熱制冷問題、降低運行成本，另一方面可增加自發電系統，保障項目的電力需求，提高供電可靠性和安全性，具有較高的能源綜合利用率[2]。三聯供系統具有電力燃氣消耗雙重削峰填谷、改善城市能源結構[3]、顯著的環保效益和經濟性等諸多優點，在國內外的應用逐漸增多。 目前，三聯供系統主要應用在有恒定用熱的醫院、酒店項目中，而商業建筑內應用較少[4-5]，主要因為商業建筑的用能特點不同。商業建筑冷熱負荷不均勻、熱電不平衡、部分負荷運行時間長，對于這樣的項目，三聯供系統發電機容量的選擇成為整個系統實現經濟運行的關鍵[6]，近年來，也有對以熱定電、以電定熱、甚至以應急電源大小確定燃氣機組容量的探討[7-8]，但商業項目較少，且建模方法相對復雜。 本文從另一個思路，按全年機組提供高效累計負荷最大原則，通過對商業項目負荷特性進行分析，解析不同負荷率下的小時數方程，確定發電設備的最優容量，并通過投資回報對比分析，驗證此方法的可行性。

1 確定思路

重慶地區冷熱電三聯供系統只能并網，不能上網，方案需以電能“自發自用為主、余熱利用最大化”的原則進行設備選型。 燃氣三聯供系統發電機組和余熱型吸收機組的初投資較高，但運行費用較低，為了保證聯供系統的高效性和經濟性，聯供系統的年平均能源綜合利用率和余熱利用率應盡可能高，因此《燃氣分布式能源建筑應用技術標準》[9]也作出了相關規定：“聯供系統的年平均能源綜合利用率應大于70%， 且發電設備最大利用小時數不應小于2000h， 不宜小于3000h。 ”

燃氣三聯供系統選擇發電機容量時，按照“以熱定電”的原則，通過空調熱負荷來確定發電機容量，其特點是最大程度地利用燃機所排放的熱量，提高能源利用率。發電機組選型過大，則滿負荷運行小時數會減少；發電機組選型過小，雖能保證運行小時數，但對全年空調系統高效累計負荷不一定最大，為了尋求發電機組余熱對空調系統的最大貢獻值，必須求解負荷與小時數特性曲線的極值，找到最優解。

2 商業建筑全年空調負荷特性

項目建筑面積約46 萬㎡，其中空調面積約19 萬㎡。 該項目地下2 層，地上4 層，主要功能包含商業步行街、宴會廳、超市、電影院和中心娛樂區等，高度為30m，為一類高層公共建筑。 根據業態的運營時間和管理需求，以及地方標準對可再生能源利用的要求，方案確定影院預留風冷熱泵空調系統，后期業主自行安裝，其余業態共用一套燃氣冷熱電三聯供系統，此系統能源綜合利用率高，符合國家的能源戰略和節能目標。

根據本地地區氣候特點，結合該項目運營時間（10：00～22：00），參考《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[10]，全年空調夏季運行時間設置如下：每年5 月1 日至10 月15 日共168 天，每日9：00 至21：00 共12h，供冷季運行2016h；全年冬季空調運行時間設置如下： 每年12 月1 日至次年2 月28 日共90 天， 每日9：00至21：00 共12h，供熱季運行1080h。 采用DEST 對該項目空調全年進行逐時動態負荷計算， 得出系統夏季供冷負荷40853kW，冬季供熱負荷7056.8kW。 導出冬夏季每個小時的負荷率，數據詳見表1、表2。

表1 夏季不同負荷率下的小時數統計表

表2 冬季不同負荷率下的小時數統計表

根據夏季不同負荷率下的小時數的統計結果， 用Excel 擬合二次方程，得到負荷率與小時數之間的關系（圖1）：

圖1 夏季負荷率與小時數的統計圖

式中，y 為小時總數，x 為負荷率。

根據冬季不同負荷率下的小時數的統計結果， 用Excel 擬合二次方程，得到負荷率與小時數之間的關系（圖2）：

圖2 冬季負荷率與小時數的統計圖

式中，y 為小時總數，x 為負荷率。

3 三聯供系統容量的確定方法

由于不同品牌發電機的部分負荷效率有差異， 且可能遠低于滿負荷運行效率，為簡化模型，本次分析未考慮發電機組部分負荷運行的情況，僅考慮高效率累計負荷，即發電機組滿負荷運行。為尋求發電機組余熱對空調系統的最大貢獻值，必須讓發電機余熱所提供的負荷與小時曲線所圍成的矩形面積S 最大，即尋找圖3 中不同負荷區間的最大累計負荷。

圖3 不同負荷區間的累計負荷量

夏季10%負荷以下只有58h，占總小時數的比例很少，而冬季負荷率小時數曲線較為平緩， 負荷率的變動對小時數影響很大，并且整體設計原則為以熱定電，因此，以冬季負荷率曲線作為計算基礎。

冬季負荷率曲線解方程y=-949.3x2+1255x+298.6，假設y=y1=y2時，矩形面積S 最大，此時的面積方程為：

將方程（4）、式（5）帶入方程（3），得到面積方程式：

對方程（6）求導，得到極值為x1=45.9%。即當發電機組預熱提供的熱負荷占總熱負荷的45.9%時，發電機預熱對全年空調負荷的貢獻率最大，滿負荷運行小時數達3001h。

根據45.9%的負荷率選用燃氣發電機，發電量為3120kW。 由于商業項目招商不確定因素較多，為了項目投入初期也能高效運行，減少初投資，選用2 臺1560kW 發電機組，可進一步提升發電機組的運行小時數，并可分期投入。 項目對應配備1 臺余熱型吸收機組，供熱負荷3184kW。發電機組的發電量在空調季節可由該項目1#、2# 開閉所（穩定用電負荷為4001kW）自行消耗，機組與市電采用“并網不上網”的方案，10kV 開閉所的電網側設置逆功率保護，保證燃氣發電機組不向城市公共電網反送電，運行安全可靠。

4 三聯供系統投資回收期

4.1 發電機容量對比方案

以2 臺1560kW 發電機組為基準，分別按大一個型號和小一個型號列舉三個對比方案。

方案1： 選配2 臺1200kW 發電機組， 余熱占熱負荷比例為33%。

方案2： 選配2 臺1560kW 發電機組， 余熱占熱負荷比例為45%。

方案3： 選配2 臺1750kW 發電機組， 余熱占熱負荷比例為54%。

分別按三個方案對項目進行設備選型，設備具體參數詳見表3。

表3 三聯供系統主要設備選型表

4.2 運行費用及初投資分析

根據冷熱負荷模擬結果，方案一全年運行小時數為3063h，方案二全年運行小時數為3001h，方案三全年運行小時數為2695h。帶入選型參數進行能耗模擬計算，空調系統主要設備投資回報對比詳見表4。

表4 投資回報對比表

從表4 對比可以看出，按高效累計負荷最大原則確定的方案二， 全年運行費用最低。方案二相對于方案一有332 萬初投資增量成本，但每年運行費用節約68 萬元，回收周期約5 年，可接受。

5 結語

該項目根據商業綜合體負荷特性，對三聯供系統研究分析得出以下結論：

（1） 提出一種按發電機組提供的累計負荷最大化的原則來確定發電機最優容量的方法， 并通過對比分析論證其有效性，希望可以對不同負荷特性項目提供一個廣泛適用的設計思路；

（2） 通過以上原則確定的發電機，還需校核項目本身是否能夠完全消耗發電量，綜合設備成本、電力燃氣配套和運行費用多個因素最終確認方案；

（3） 對于商業項目，確定發電機組容量后，還需預判招商情況，如招商不佳，發電機組發電量不能完全消耗、只能部分負荷運行時，能源利用率將降低，投資回收期變長，可考慮配置多臺發電機分步實施，減緩初投資壓力，提升發電機組高效運行小時數；

（4） 由于發電機的部分負荷效率可能遠低于滿負荷運行效率，可進一步探討發電機組部分負荷下的運行策略，使整個冷熱源可以始終維持在系統的高效運行區間。