岳云濤， 王立坤， 楊智勇

(1.北京建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.CCDI悉地國(guó)際，北京 100013)

城市綜合體三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用分析

岳云濤1， 王立坤1， 楊智勇2

(1.北京建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.CCDI悉地國(guó)際，北京 100013)

城市三聯(lián)供系統(tǒng)是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的優(yōu)化方案。文中闡述了城市綜合體的負(fù)荷特點(diǎn)和三聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，并以湖南省某城市綜合體為例，在估算建筑物的冷熱電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，提出了三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于該類建筑的可行性和系統(tǒng)設(shè)備配置及運(yùn)行方式選擇的最優(yōu)化方案。比較三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，結(jié)果表明:三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于城市綜合體有效實(shí)用。三聯(lián)供系統(tǒng)有更大的收益率，充分體現(xiàn)出燃?xì)獍l(fā)電清潔能源的環(huán)保特點(diǎn)。

三聯(lián)供;城市綜合體;效益分析

0 引言

城市綜合體被廣義的定義為是城市中的居住、辦公、商務(wù)、出行、購(gòu)物、文化娛樂(lè)、社交、游憩等各類功能復(fù)合、相互作用、互為價(jià)值鏈的高度集約的街區(qū)建筑群體［1］。這種建筑物建筑形態(tài)多樣，各類型建筑的冷熱電負(fù)荷變化曲線多樣，但整個(gè)建筑物負(fù)荷曲線疊加之后，會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷相對(duì)集中，冬夏季分別有較大熱冷負(fù)荷，常年有熱水負(fù)荷的特性。

筆者根據(jù)城市綜合體的特性，提出燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于城市綜合體建筑的可行性和系統(tǒng)設(shè)備配置及運(yùn)行方式選擇的最優(yōu)化方案。通過(guò)分析和比較三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益，確定三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于城市綜合體的有效性和實(shí)用性。

1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于能源的利用趨于多樣化，節(jié)能、高效、環(huán)保也逐漸成為人們選擇能源時(shí)考慮的重要因素。燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，是一種新型的分布式能源系統(tǒng)，在發(fā)電的同時(shí)利用設(shè)備的余熱制冷制熱，形成能源的梯級(jí)利用。該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)歸納以下幾個(gè)方面:

(1)節(jié)約能源。利用天然氣的高品能發(fā)電，發(fā)電余熱用來(lái)供熱或制冷，使能量的利用更為合理。

(2)能源綜合利用率高。系統(tǒng)不僅可以獲得約40%的發(fā)電效率，還能將中溫廢熱回收利用供冷、供熱，通常綜合能源利用率可達(dá)80%。

(3)對(duì)燃?xì)夂碗娏τ须p重削峰填谷作用。采用燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)，夏季利用燃?xì)獍l(fā)電余熱制冷，增加夏季的燃?xì)馐褂昧?，減少夏季空調(diào)的電負(fù)荷，同時(shí)系統(tǒng)的自發(fā)電也可以降低電網(wǎng)的供電壓力。

(4)供能安全性高。由于增加了用戶自發(fā)電系統(tǒng)，可以減少對(duì)電網(wǎng)的依賴性，提高用電的安全性。冷熱電三聯(lián)供建設(shè)在用戶附近，與傳統(tǒng)長(zhǎng)距離輸電相比，還能減少6% ～8%的線路損耗。

(5)清潔環(huán)保。使用清潔燃料天然氣，大大降低污染物對(duì)大氣的排放。

2 某城市三聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

該城市綜合體將把商業(yè)、辦公、居住、酒店、展覽、餐飲、會(huì)議、文娛、交通等城市功能進(jìn)行全方位組合，與城市交通協(xié)調(diào)，并在各部分間建立一種相互依存、價(jià)值互補(bǔ)的能動(dòng)關(guān)系，形成一個(gè)功能多樣的復(fù)雜街區(qū)。城市綜合體不同于城市中心密集的建筑群體，它是一個(gè)完整的城市街區(qū)。同時(shí)，通過(guò)街區(qū)的關(guān)系，與外部空間結(jié)合起來(lái)，與交通系統(tǒng)有效關(guān)聯(lián)，延展城市的空間價(jià)值。

2.2 冷熱電負(fù)荷估算

根據(jù)建筑物的不同業(yè)態(tài)類型，設(shè)定適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用eQuest軟件對(duì)建筑物進(jìn)行負(fù)荷模擬計(jì)算，為下一步的設(shè)備選型提供依據(jù)。

2.2.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

參照《湖南省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ43/003—2010，室內(nèi)模擬條件見(jiàn)表1。

2.2.2 冷熱電負(fù)荷估測(cè)

全年最大冷負(fù)荷15200 kW，用冷量31808530 kWh;全年最大熱負(fù)荷2448 kW(圖1)，用熱量1160901 kWh。按照夏季空調(diào)全年不保證50 h，冬季采暖不保證24 h，設(shè)計(jì)空調(diào)負(fù)荷13 900 kW，供暖負(fù)荷2 000 kW。

考慮精品酒店和酒店公寓用熱水，全年最大熱水負(fù)荷1 511 kW(圖2)，全年用熱量4 078 826 kWh。全年用電最大負(fù)荷7 460 kW，最小用電負(fù)荷1 593 kW(圖3)，全年用電量40 193 194 kWh。

2.3 設(shè)備選型

在設(shè)備選型的過(guò)程中，不以傳統(tǒng)的“以熱定電”或“以電定熱”的方式確定設(shè)備容量，而是以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，采用逐時(shí)迭代算法。通過(guò)equest軟件計(jì)算出逐時(shí)能耗數(shù)據(jù)。根據(jù)逐時(shí)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)電設(shè)備選型。設(shè)定一個(gè)發(fā)電機(jī)容量的初值，同時(shí)設(shè)定上網(wǎng)電價(jià)、燃?xì)鈨r(jià)格、冷熱價(jià)，按照設(shè)定的計(jì)算公式核算經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整發(fā)電機(jī)功率，直至使凈現(xiàn)值最大時(shí)運(yùn)行結(jié)束，從而得出最優(yōu)的設(shè)備配置。運(yùn)算流程如圖4所示。

按照?qǐng)D4的計(jì)算過(guò)程和項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，優(yōu)化出發(fā)電機(jī)發(fā)電容量約4 000 kW，結(jié)合發(fā)電機(jī)廠家型號(hào)并考慮適應(yīng)不同冷熱需求，選擇發(fā)電容量為1 413 kW的3臺(tái)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。

表1 商業(yè)建筑內(nèi)擾設(shè)定值Table 1 Commercial buildings interference settings

圖1 城市綜合體逐時(shí)空調(diào)、采暖負(fù)荷Fig.1 City’s comprehensive hourly air conditioning，heating load

圖2 城市綜合體逐時(shí)熱水負(fù)荷Fig.2 Urban complex of hot water load

圖3 城市綜合體逐時(shí)非制冷電負(fù)荷(不含空調(diào))Fig.3 Urban complex of electricity load(without air conditioning)

圖4 設(shè)備配置優(yōu)化的計(jì)算流程Fig.4 Calculation process of device configuration optimization

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)可利用發(fā)電余熱有缸套水(75～90℃)和高溫?zé)煔?390℃)，發(fā)電余熱宜采用煙氣型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組利用缸套水高溫部分(80～90℃)和高溫?zé)煔鉃槌鞘芯C合體提供冷熱量，而低于80℃的缸套水則采用板式換熱器提供生活熱水和部分采暖負(fù)荷。

2.3.1 運(yùn)行策略

發(fā)電機(jī)發(fā)電供區(qū)域內(nèi)使用，該項(xiàng)目按照技術(shù)特點(diǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行;夏季發(fā)電機(jī)循環(huán)熱水和煙氣通過(guò)熱水煙氣型溴冷機(jī)、補(bǔ)燃型余熱鍋爐、板式換熱器為區(qū)域內(nèi)提供冷熱量，不足的冷量通過(guò)補(bǔ)燃和電制冷解決;冬季發(fā)電機(jī)循環(huán)熱水通過(guò)板式換熱器向區(qū)域內(nèi)提供供暖用熱水，煙氣通過(guò)溴冷機(jī)提供供暖用生活熱水，不足的部分通過(guò)補(bǔ)燃解決。

2.3.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)

全年供冷量31 808 530 kWh;全年供暖熱量1 160 901 kWh，供熱水耗熱4 078 826 kWh，旅館洗衣房用蒸汽972 000 kWh，含熱水耗熱總量為6 211 728 kWh，不含熱水總熱量為2 132 902 kWh(為不含熱水總賣熱量，其中余熱供冷16 526 454 kWh，余熱供熱5 596 772 kWh)。

發(fā)電量達(dá)到 18 302 040 kWh(其中，廠用電4234567 kWh)，賣電量為14 067 473 kWh;全年外部用電量40193 194 kWh;耗氣量=4 888 251 m3;總耗水量19.8萬(wàn)t:系統(tǒng)耗水7.8萬(wàn)t，生活熱水量12.0萬(wàn)t。

2.4 電力系統(tǒng)運(yùn)行分析

工程供電方案初步考慮3臺(tái)發(fā)電機(jī)組在10 kV側(cè)并網(wǎng)接入市電電網(wǎng)，三聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)電力全部出售給電網(wǎng)。園區(qū)建筑物的電負(fù)荷再由市電引入兩路10 kV進(jìn)行供配電。

圖5 電力系統(tǒng)接入示意Fig.5 Power system access diagram

如圖5所示，電力系統(tǒng)的接入選用上網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，利用軟件計(jì)算出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的前提下，設(shè)定發(fā)電設(shè)備容量，按照當(dāng)前電力部門的相關(guān)要求，單獨(dú)發(fā)電若要上網(wǎng)則不能再單獨(dú)售電，因此需要把所發(fā)電量全部輸送到電網(wǎng)售電，用戶再?gòu)碾娋W(wǎng)側(cè)購(gòu)電。

2.5 效益分析

2.5.1 經(jīng)濟(jì)效益

利用增量經(jīng)濟(jì)分析法［2－3］對(duì)該項(xiàng)目應(yīng)用的三聯(lián)供系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

增量投資回收年限Y是三聯(lián)供系統(tǒng)增量投資ΔC與年運(yùn)行費(fèi)減量ΔR之比。其中ΔR是與采用傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t供熱和電制冷方式相比，用戶包括能源和運(yùn)行維護(hù)在內(nèi)的每年能源運(yùn)行費(fèi)減少量。

常規(guī)系統(tǒng)初投資C1為1 178萬(wàn)元，其中燃?xì)忮仩t80萬(wàn)元，制冷機(jī)組950萬(wàn)元，其他設(shè)備146萬(wàn)元，機(jī)房、安裝費(fèi)2萬(wàn)元。

三聯(lián)供系統(tǒng)初投資C2為4 063.4萬(wàn)元，其中熱氣機(jī)2 544萬(wàn)元，溴化鋰直燃機(jī)組716.8萬(wàn)元，冷水機(jī)組和余熱鍋爐分別為633和21.6萬(wàn)元，其他設(shè)備146萬(wàn)元，機(jī)房、安裝費(fèi)2萬(wàn)元。

系統(tǒng)增量投資ΔC=C2－C1，ΔC=40 634 000－11 780 000=2 885.4 萬(wàn)元。

年運(yùn)行費(fèi)減量為常規(guī)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)與三聯(lián)供系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)之差。

由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電采用并網(wǎng)運(yùn)行方式，所發(fā)電量除了廠用電外都并網(wǎng)，外部用電統(tǒng)一從電網(wǎng)購(gòu)買。因此，在進(jìn)行年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比時(shí)，兩種系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行燃?xì)馔度肓坎?、常?guī)系統(tǒng)的冷量和熱量的耗電量和三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電量，年運(yùn)行費(fèi)減量為

式中:R1——常規(guī)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi);

R2——三聯(lián)供系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi);

G1——常規(guī)系統(tǒng)年燃?xì)馔度胭M(fèi)用;

G2——三聯(lián)供系統(tǒng)年燃?xì)馔度胭M(fèi)用;

E1——常規(guī)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷耗電量;

E2——三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量(除去廠用電)。

根據(jù)式(1)，年運(yùn)行費(fèi)減量為8 979 079.73－4 517 884.73=4 461 195(元)

由此計(jì)算Y=ΔC/ΔR=28 854 000/4 461 195=6.5(a)

增量投資回收年限在5～10 a即符合投資的條件，參考文獻(xiàn)［2］指出三聯(lián)供系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)每年的凈收益要高，在6.5 a之后收回增量投資之后，三聯(lián)供系統(tǒng)將有更大的收益率。

2.5.2 環(huán)境效益

根據(jù)專業(yè)統(tǒng)計(jì)，火力發(fā)電每千瓦時(shí)電耗標(biāo)準(zhǔn)煤400 g，同時(shí)污染排放272 g碳粉塵、997 g二氧化碳、30 g二氧化硫和15 g氮氧化物。與其相比，采用燃?xì)馊?lián)供發(fā)電就會(huì)體現(xiàn)出環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，排放物幾乎沒(méi)有二氧化硫、很少的氮氧化物、極少的粉塵［4］。該系統(tǒng)采用內(nèi)燃機(jī)主要排放為氮氧化物，排放量為300～500 mg/Nm3。根據(jù)以上運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，三聯(lián)供系統(tǒng)可以發(fā)電18 302 040 kWh，同樣的發(fā)電量，可以減少4 978 154.88 kg碳粉塵、549 061.2 kg二氧化硫、273 kg氮氧化物的排放，充分體現(xiàn)出燃?xì)獍l(fā)電清潔能源的環(huán)保特點(diǎn)。

3 結(jié)論

(1)三聯(lián)供系統(tǒng)比傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t和電制冷的供能方式更具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等方面的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)逐時(shí)迭代法確定三聯(lián)供系統(tǒng)的容量，達(dá)到應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備配置及運(yùn)行方式選擇的最優(yōu)化。

(2)三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)相比，前者更經(jīng)濟(jì)環(huán)保，且三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于城市綜合體更有效實(shí)用。

［1］朱文俊.城市綜合體的功能及價(jià)值分析［D］.北京:清華大學(xué)，2008:6－7.

［2］孔祥強(qiáng)，王如竹，李 瑛，等.基于熱氣機(jī)分布式冷熱電三聯(lián)供效益分析［J］.中國(guó)建設(shè)信息，200(4):24－28.

［3］付 林，李 輝，等.天然氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008:272－291.

［4］陳廣才.淺談燃?xì)怆姀S的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益［J］.中國(guó)科技信息，2008(20):17－19.

Application analysis of combined cooling，heating and power in an urban complex

YUE Yuntao1， WANG Likun1， YANG Zhiyong2
(1.Beijing Insititute of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China;2.CCDI Group，Beijing 100013，China)

Combined cooling represents an economical and environmentally friendly optimization.This paper introduces the load feature of urban complex and the operational characteristic of the combined cooling，heating and power(CCHP)，proposes heating load and power load，the feasibility of the application system by CCHP，as exemplified by a urban complex in Hunan province as an example，based on estimating cooling load，and describes the development of the optimal equipment and mode of operation.The comparison between combined cooling and conventional power supply in terms of economic and environmental benefits proves that combined cooling could find an effective and practical use in urban complex.Combined cooling with a greater benefit fully reflects the environmental protection characteristics of the gas－ fired generation clean energy.

combined cooling，heating and power;urban complex;cost benefit analysis

TU99

A

1671－0118(2012)04－0442－04

2012－07－04

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201010016011);北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(20081D0501700204)

岳云濤(1971－)，男，遼寧省遼陽(yáng)市人，副教授，博士后，研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)、建筑電氣設(shè)計(jì)等，E-mail:Yue_Yun_tao@sohu.com。

(編輯 徐 巖)