某酒店分布式能源的應用與節能控制分析

郝廣宇，田德利，劉蘇南，宋長存，張俊剛

1.濟南港華燃氣有限公司;2.濟南港華環通市政工程有限公司;3.山東港華積成能源服務有限公司

21世紀以來，隨著國家工業化進程的不斷加速，我國已逐漸成為世界上最大的能源消費國與生產國，形成了以煤炭、石油、天然氣、可再生能源等多種全面的能源供給體系[1]。

分布式能源系統是利用小型分散設備建設在靠近用戶端（需求側）提供能源的新型能源利用方式。冷、熱、電三聯供是分布式能源系統的主要形式，它有利于優化電源結構，增加清潔能源發電比例；有利于提高能源綜合利用率；有利于改善環境，凈化城市空氣質量[2-3]。多能互補可因地制宜地將多種能源通過組合應用來緩解能源供需矛盾，尤其在可再生能源大規模發展的今天，其對可再生能源的消納和輸送具有重大意義[4]。

一、能源應用場景及能源需求

（一）分布式能源工程的應用場景

鑒于分布式能源系統的相關特點，其能源應用場景一般可大致分為兩類，一類為區域型能源應用場景，例如內含多個制造廠房的工業園區、以某一大型商業綜合體為中心環繞的商務園區等；另一類則為樓宇型能源應用場景，例如獨棟的商業寫字樓、酒店、商業別墅等。無論是區域型還是樓宇型能源應用場景都是需要獨立輸出用戶側所需能源需求，且由于區域型、樓宇型因為地塊、樓層的能源需求有所不同，對能源輸出的靈活性要求較高，這就更適合于分布式能源系統發揮它的能源輸出特點[5]。

（二）本文酒店應用場景的能源需求

本文為某地區酒店分布式能源工程實例，該酒店建筑面積10000m2，共有200個房間，入住率約為70%，該地區供暖指標為50W/m2。由于場地方已選擇電空調多聯機進行冷能供給，所以該樓宇能源需求為熱能（供暖）及衛生熱水，根據酒店提供的相關數據，可以計算出酒店衛生熱水及采暖負荷，如下公式所示。

衛生熱水平均日耗熱量：

式中qmr為平均日熱水用水定額，L/（人·d），本文實例中取110L/（人·d）；m為用水計算單位數（人數或床數）；b1為同日使用率的平均值，本文實例中取0.7；Cp為水的比熱容，kj/（kg·℃）；ρ為水的密度，kg/L；Tr為衛生熱水需求溫度，℃；TL為年平均冷水溫度，℃。

通過上述計算公式可計算出該酒店的具體能耗負荷，并根據該酒店的實際能源需求，設計出一種不同能源形式組成的綜合能源管控供能系統，通過控制邏輯的運算，可進行三種供能形式的選擇，從而得出相應最優解進行能源供給，該分布式能源系統的流程圖如圖1所示。

圖1 該酒店分布式能源系統設計圖

二、供能方式與熱力計算、選型

（一）分布式供能方式的選擇

（1）方式一：太陽能+燃氣壁掛爐

采用太陽能+燃氣壁掛爐集熱供應分系統，系統首先利用太陽能光熱進行市政用水的加溫制熱，通過集熱水箱儲熱后直接換熱至衛生熱水水箱，當太陽能輻照量未達到加熱要求時，需利用燃氣壁掛爐與衛生熱水循環水箱間接換熱進行加熱，最后進入至酒店衛生熱水循環。

在進行系統熱力計算之前，首先應明確該地區的月均太陽能輻照強度，并由于衛生熱水需求為全年四季使用，而供暖熱能需求僅在采暖季使用，所以該地區太陽能輻照強度將分為采暖季、非采暖季，具體數值如下表1、表2所示。

表1 某地區非采暖季太陽能輻照量

表2 某地區采暖季太陽能輻照量

根據前文酒店衛生熱水日均耗熱量與采暖負荷計算結果，以及該地區太陽能輻照強度統計數據，計算出太陽能光熱工程集熱面積：

式中，Ajz為太陽能光熱工程集熱面積，m2；Qmd為日均耗熱量，kj/d；f為該地區太陽能保證率；bj為集熱器面積補償系數；Jt為平均每平方米日太陽能輻照量，kj/m2；Ej為集熱器年集熱效率；E1為集熱系統的熱損失。

表3 設備選型及造價

在計算得出該酒店太陽能光熱工程集熱面積后，可通過乘以修正系數得出相應占地面積，并與酒店實際屋頂面積進行校正，若酒店屋頂面積未達到設計要求，則應取屋頂面積最大值進行熱力計算。

由于采暖季時太陽能輻照量不足，在一定的集熱面積下，市政用水經太陽能加熱之后，仍未達到酒店所需衛生熱水溫度，需要燃氣壁掛爐進行補燃加熱，直至達到要求的衛生熱水出口溫度。

燃氣壁掛爐補燃熱量為：

式中，M為該酒店日均用水量，L/h；Tin為經太陽能集熱工程預熱后燃氣壁掛爐進口水溫，℃；Er為選用的燃氣壁掛爐設備效率，%。

經過上述熱力計算，可得出該酒店實行太陽能+燃氣壁掛爐供能方式下，所需要的太陽能集熱工程所占面積及燃氣壁掛爐補燃熱量，為下一步計算分布式能源工程總投資及設備選型打好基礎。

（2）方式二：太陽能+空氣源

由于不同地區燃氣單價有所區別，在燃氣單價相對偏高的地區，為提高整個分布式能源工程的經濟性，可將空氣源熱泵這一供能形式作為燃氣壁掛爐的補燃替代，即在系統中采用太陽能+空氣源熱泵子系統。由于空氣源熱泵COP值相對較高，所以其補燃熱量可通過以下公式計算：

式中，Ek為空氣源熱泵設備效率，一般取2-4。

該種供能子系統運行原理與方式較為類似，市政用水經太陽能集熱工程預熱后，無法達到該酒店需求溫度時，利用空氣熱泵進行補熱，之后再進入到酒店熱水循環中。

（3）方式三：太陽能+空氣源熱泵+燃氣壁掛爐

通過空氣源熱泵、燃氣壁掛爐兩種補燃形式結合，使整個分布式能源系統的所有供能設備都得以運用，以太陽能集熱系統對市政用水進行預熱，結合空氣源熱泵利用空氣低溫熱能再次加熱，以燃氣壁掛爐這一輔助熱源進行最終加熱方式，使得市政用水達到該酒店衛生熱水溫度要求時進入酒店熱水循環。該種方式因需要及時控制反饋太陽能集熱水箱與衛生熱水恒溫水箱、恒溫水箱與空氣源熱泵、恒溫水箱與燃氣壁掛爐之間的溫度差距，需要利用溫度傳感器等一系列反饋裝置從而進行溫度控制，再通過內部計算進行成本校核，保證酒店衛生熱水的正常供應。

表5 能源運行成本分析

（二）該分布式能源系統的設備選擇及造價

由于該系統由多種供能形式組成，在實際運行中，需要的運行控制邏輯也較為復雜，下文將研究同一分布式能源系統不同方式下的運行控制邏輯，從而提升系統能效，減少非必要能源消耗。

三、分布式能源系統的節能控制邏輯

由圖2所示，該分布式能源系統工程控制系統內部邏輯如下，市政用水進入酒店冷水水箱后，首先進入太陽能集熱器進行加熱，若太陽能集熱器出口水溫與集熱水箱水溫無法達到相應差值，則水泵關閉，反之水泵正常開啟將熱水送入集熱水箱；其次，若太陽能集熱水箱與恒溫水箱水溫差值達到設定要求，則兩水箱之間水泵開啟，使集熱水箱熱水進入恒溫水箱，反之則水泵關閉；最后，溫度傳感器實時反饋恒溫水箱溫度是否達到酒店衛生熱水需求溫度，通過輸入當地其他能源單價及所用設備功率后系統進行成本計算，打開其他補燃方式控制循環泵進行加熱，使恒溫水箱中熱水進入酒店微循環溫度保證在需求溫度范圍以上。

圖2 不同供能形式組合下分布式能源系統控制邏輯示意圖

該控制系統在首先應用太陽能光熱這一成本較低的供能方式之后，通過輸入當地能源單價及設備功率后進行補燃成本計算，從而得出經濟成本最低的供能方法，使整個分布式能源系統保持高效、低耗運行。

四、該分布式能源系統的運行經濟性分析

（一）熱量供給分析

由于酒店衛生熱水需求溫度全年基本不變，所以該酒店需熱量總數一致，因為該分布式能源系統可選擇多種供能形式進行衛生熱水加熱，則根據計算可得出每種供能形式下熱量供給情況，如表4所示。

表4 熱量供給分析

（二）能源運行成本分析

通過輸入該地電力、燃氣單價及空氣源熱泵、燃氣壁掛爐設備效率后，在控制系統內部進行能源運行成本計算，保證在衛生熱水供應時可進行經濟成本最低的供能形式選擇。

五、結果與討論

（1）本文通過設計出一種結合多種供能形式的分布式能源系統，用以滿足某地區酒店衛生熱水需求，將不同供能形式熱力學模型進行完整組合，構建出完整的系統流程。

（2）在該系統中設計一種能源成本選擇控制程序，在相應溫度傳感器反饋之后，首先對設備進行開啟、關閉控制，若無法達到酒店要求，則通過內部控制邏輯程序進行計算，可以經濟性最優的供能形式選擇補燃，從而降低該系統的能耗成本，節省能源費用，做到綠色節能運行。

（3）通過分布式能源系統中熱力學模型及經濟模型，在輸入相應能源單價后可得出系統能耗成本進行比對，驗證了該分布式能源系統的可行性，為后期項目快速復制打下堅實的基礎。