李可偉　蔣潔　周瑞霞　鄭深　孟富春

摘要：分析了公共機(jī)構(gòu)能耗特點(diǎn)及多能互補(bǔ)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了公共機(jī)構(gòu)建筑物冷熱聯(lián)供系統(tǒng)評(píng)估模型框架，考慮多種能源互補(bǔ)應(yīng)用及單一能源應(yīng)用對(duì)比的情形，在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下，從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)境等方面提出了系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)估指標(biāo)，可為公共機(jī)構(gòu)建筑冷熱聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化集成與評(píng)估提供思路和參考。

關(guān)鍵詞：多能互補(bǔ)；冷熱聯(lián)供；優(yōu)化；評(píng)估模型；公共機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）06-0131-02

1 引言

公共機(jī)構(gòu)是能源消費(fèi)的重要領(lǐng)域。我國(guó)公共機(jī)構(gòu)能源消耗指標(biāo)高、總量大，節(jié)約潛力大，是節(jié)能工作的一個(gè)重要領(lǐng)域。同時(shí)，公共機(jī)構(gòu)是社會(huì)行為和公共道德的示范和標(biāo)桿，公共機(jī)構(gòu)對(duì)自身節(jié)能的重視程度影響著社會(huì)公眾的能源消費(fèi)觀念。因此，加強(qiáng)公共機(jī)構(gòu)節(jié)能工作，不僅是構(gòu)建和諧社會(huì)，緩解資源壓力，實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，引導(dǎo)和推進(jìn)全社會(huì)節(jié)約能源，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的有效途徑。

2 公共機(jī)構(gòu)能耗特點(diǎn)

我國(guó)公共機(jī)構(gòu)分布廣，氣候差異大，且公共機(jī)構(gòu)建筑類(lèi)型多樣化、能源種類(lèi)各有不同。大型公共建筑的用能設(shè)備包括空調(diào)、供熱、照明、辦公設(shè)備、電梯等多個(gè)系統(tǒng)。其中，采暖、制冷、照明及生活熱水能耗占了很重要的一部分，在公共建筑的全年能耗中，大約50%～60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，20%～30%用于照明。尤其是我國(guó)北方地區(qū)，采暖為主要能耗。除采暖外，所消耗的能源種類(lèi)根據(jù)建筑物內(nèi)用能系統(tǒng)的不同而有所差別，一般以電為主，輔以天然氣、煤、蒸汽等。

3 多能互補(bǔ)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用分析

冷熱聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Heating and Cooling Sys-tern）能根據(jù)用戶需求生產(chǎn)熱水（或低壓蒸汽）和冷水，并通過(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)將它們分配到用戶端，實(shí)現(xiàn)供暖及制冷。多能互補(bǔ)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)是按照不同資源條件和用能對(duì)象，采取多種能源互相補(bǔ)充，同時(shí)提供冷源及熱源以合理保護(hù)自然資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的系統(tǒng)。充分利用可再生能源、余熱能源，積極促進(jìn)多能互補(bǔ)的冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在公共機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和利用，可以降低公共機(jī)構(gòu)制冷和采暖系統(tǒng)的能源消耗，對(duì)于推動(dòng)公共機(jī)構(gòu)節(jié)能有重要意義。

多能源互補(bǔ)是當(dāng)今世界分布式能源系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，包括可再生能源間的集成互補(bǔ)（如太陽(yáng)能與淺層地?zé)崮?，太?yáng)能與風(fēng)能等）、可再生能源與化石能源的互補(bǔ)（如太陽(yáng)能與燃?xì)馊?lián)供、生物質(zhì)能與熱電聯(lián)產(chǎn)等）、化石能源之間的互補(bǔ)等。公共機(jī)構(gòu)建筑多能源互補(bǔ)系統(tǒng)需要遵循能源綜合梯級(jí)利用、與環(huán)境能源互補(bǔ)，與用能負(fù)荷、資源、氣候等特點(diǎn)良好結(jié)合，系統(tǒng)全工況設(shè)計(jì)等集成原則。同時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)熱力學(xué)及綜合能效、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、環(huán)保性能、可靠性等多種目標(biāo)，此外也需要根據(jù)負(fù)荷需求，靈活組合發(fā)電、制冷、余熱利用以及蓄能等技術(shù)。

圍繞公共機(jī)構(gòu)能源種類(lèi)及用能特點(diǎn)，研究建立系統(tǒng)集成優(yōu)化模型，將不同的能源利用情況、用能規(guī)律與設(shè)備特性相結(jié)合，形成最優(yōu)化的能源供應(yīng)系統(tǒng)。通過(guò)充分集成利用一切可以利用的資源，建立能源優(yōu)化利用模型。根據(jù)公共機(jī)構(gòu)所處地域、氣候、建筑結(jié)構(gòu)、能源分布情況的不同，建立通用的和單獨(dú)適用的最優(yōu)化模型，并通過(guò)中央能源供應(yīng)系統(tǒng)的集成優(yōu)化實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用和綜合利用。

4 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模型構(gòu)建

公共建筑所在地域不同的氣象條件、不同的資源，必然會(huì)決定某地區(qū)適合的可再生能源的條件及其相互配合。例如在華南地區(qū)，氣候炎熱，地源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)間短，夏季運(yùn)行溫度高，必然帶來(lái)較低的系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而在東北地區(qū)，地下溫度較低，從而冬季運(yùn)行地源熱泵的效率較低，同時(shí)由于夏季冷負(fù)荷小，冬夏之間存在著較大的取熱排熱不平衡現(xiàn)象，從而加劇了冬季的運(yùn)行困難，此時(shí)考慮太陽(yáng)能與地源熱泵互補(bǔ)，夏季和過(guò)渡季向地下排熱就存在著必要性。同時(shí)，建筑物使用功能也對(duì)其能源供給形式存在著較大的影響，例如商場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校等公共建筑，使用功能性質(zhì)不同，冷熱負(fù)荷使用時(shí)段都不同，必然對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性造成影響。

在多能源互補(bǔ)系統(tǒng)中，首先要分析每一種能源的特性，有針對(duì)性地選取與之匹配的能源及控制策略；其次應(yīng)基于系統(tǒng)綜合能效較高、品位對(duì)口的原則；第三盡可能減小化石能源的消耗量，減少污染物的排放；第四要使系統(tǒng)簡(jiǎn)化、投資降低，安全可靠。

系統(tǒng)優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)將考慮氣候特點(diǎn)、建筑特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等基本影響因素，同時(shí)根據(jù)不同類(lèi)型能源單獨(dú)應(yīng)用及組合應(yīng)用的情形，以系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行為導(dǎo)向，兼顧安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行、節(jié)能效果、環(huán)境影響等方面，構(gòu)建一個(gè)多目標(biāo)、多參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化綜合模型。

模型旨在針對(duì)公共機(jī)構(gòu)能耗占比較高的采暖、制冷以及生活熱水部分能耗，設(shè)計(jì)多能互補(bǔ)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，暫不考慮電的聯(lián)供問(wèn)題。模型總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1。

模型主體內(nèi)容由一系列模塊組成，主要包括公共模塊和冷熱源系統(tǒng)計(jì)算模塊。

公共模塊包括輸入部分：基本氣象參數(shù)，建筑基本參數(shù)、基本經(jīng)濟(jì)參數(shù)；輸出部分：項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

冷熱源系統(tǒng)計(jì)算模塊包括基準(zhǔn)模塊、冷熱源系統(tǒng)模塊（多能互補(bǔ)類(lèi)型模塊、單一能源類(lèi)型模塊）、以及生活熱水的能源使用模塊。①基準(zhǔn)模塊。考慮采用目前公共機(jī)構(gòu)建筑比較常用的供能系統(tǒng)為基準(zhǔn)模塊，作為對(duì)比其他各類(lèi)能源系統(tǒng)優(yōu)化集成效果的基準(zhǔn)供能模式。其中，冷熱源系統(tǒng)可以“燃?xì)忮仩t+水冷冷水機(jī)組”為比較基準(zhǔn)，生活熱水系統(tǒng)可以燃?xì)忮仩t作為比較基準(zhǔn)。②多能互補(bǔ)類(lèi)型模塊?？煽紤]以下組合形式：土壤源+太陽(yáng)能、空氣源+太陽(yáng)能、地表水+土壤源熱泵、污水源熱泵+燃?xì)忮仩t、太陽(yáng)能直接供熱+燃?xì)忮仩t、太陽(yáng)能季節(jié)蓄熱+燃?xì)忮仩t等。③單一能源類(lèi)型模塊?？煽紤]以下單一能源：土壤源熱泵、空氣源熱泵、地表水源熱泵、污水源熱泵。④生活熱水模塊?？煽紤]以下形式：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（電加熱輔助）、空氣源熱泵、太陽(yáng)能+空氣源熱泵等。

建筑多能源互補(bǔ)系統(tǒng)在集成過(guò)程中將多個(gè)能量利用過(guò)程整合在一起，既可提高系統(tǒng)的整體性，又能優(yōu)化系統(tǒng)單獨(dú)構(gòu)件的性能。在建筑領(lǐng)域，多能源互補(bǔ)系統(tǒng)將與資源綜合利用系統(tǒng)耦合，使得建筑能源系統(tǒng)融入建筑生態(tài)系統(tǒng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，降低可再生能源的開(kāi)發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)多種可再生能源的間的集成互補(bǔ)將越來(lái)越重要。

5 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)估指標(biāo)選擇

在保證系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，多能互補(bǔ)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化效果評(píng)估指標(biāo)應(yīng)關(guān)注3個(gè)方面：經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、節(jié)能指標(biāo)和減排指標(biāo)（圖2）。

5.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)系列可包括總投資、單位平米投資、年采暖運(yùn)行費(fèi)、年制冷運(yùn)行費(fèi)、年總運(yùn)行費(fèi)、壽命期內(nèi)總能源費(fèi)現(xiàn)值、項(xiàng)目壽命期總現(xiàn)值、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)投資回收期、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的凈現(xiàn)值（NPV）、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的內(nèi)部收益率（IRR）等。其中，生活熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可包括總投資、每噸熱水投資、每噸運(yùn)行費(fèi)用、年總運(yùn)行費(fèi)、壽命期內(nèi)總能源費(fèi)現(xiàn)值、項(xiàng)目壽命期總現(xiàn)值、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)投資回收期、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的凈現(xiàn)值（NPV）、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的內(nèi)部收益率（IRR）。以下給出幾個(gè)主要指標(biāo)的計(jì)算方法。

（1）壽命期內(nèi)總能源費(fèi)現(xiàn)值：

CPV=PI×C+A。

式中，CPV為系統(tǒng)壽命期內(nèi)總能源費(fèi)現(xiàn)值；PI為折現(xiàn)系數(shù)；C為系統(tǒng)每年的總能源費(fèi)用；A為系統(tǒng)初投資。

式中：

其中，d為市場(chǎng)折現(xiàn)率；e為年燃料價(jià)格上漲率；n為從系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行算起，系統(tǒng)壽命或計(jì)算期。

（2）靜態(tài)投資回收期。靜態(tài)投資回收期不考慮折現(xiàn)率，能源上漲率，可快速了解系統(tǒng)增加投資的大概回收期。計(jì)算過(guò)程如下：

式中，y為多能互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期；I為多能互補(bǔ)系統(tǒng)的初投資；L為基準(zhǔn)系統(tǒng)的初投資；C_b為基準(zhǔn)系統(tǒng)的能源運(yùn)行費(fèi)用；C為多能互補(bǔ)系統(tǒng)的能源運(yùn)行費(fèi)用。

（3）動(dòng)態(tài)投資回收期。動(dòng)態(tài)投資回收期是當(dāng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行N年后，其節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用剛好能夠抵消增加的初投資。計(jì)算過(guò)程如下：

式中，N為多能互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期；y為多能互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期

（4）對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的凈現(xiàn)值NPV。壽命期內(nèi)基準(zhǔn)系統(tǒng)的總能源費(fèi)現(xiàn)值與多能互補(bǔ)系統(tǒng)的總能源費(fèi)現(xiàn)值之差理解為凈現(xiàn)值NPV。計(jì)算過(guò)程為：

NPV=CPV_b-CPV

式中，CPV_b為基準(zhǔn)項(xiàng)目的總能源費(fèi)現(xiàn)值，此外，內(nèi)部收益率定義為15年內(nèi)當(dāng)折現(xiàn)率上升到IRR時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的凈現(xiàn)值為零。

5.2 節(jié)能指標(biāo)

節(jié)能指標(biāo)系列可包括供暖系統(tǒng)總能耗、每平米能耗、制冷系統(tǒng)總能耗，每平米能耗、年建筑物冷熱源系統(tǒng)總能耗、年每平米能耗、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的年節(jié)能量。上述指標(biāo)計(jì)算中，電的折標(biāo)系數(shù)都采用近年來(lái)全國(guó)電網(wǎng)平均供電煤耗（即電當(dāng)量折標(biāo)系數(shù)，而非等價(jià)折標(biāo)系數(shù)）；生活熱水系統(tǒng)主要考察每噸熱水能耗、項(xiàng)目對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的年節(jié)能量。

對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的年總節(jié)能量，以下給出一個(gè)基本算法：每年內(nèi)基準(zhǔn)項(xiàng)目的總能耗與多能互補(bǔ)系統(tǒng)總能耗之差，即：

△E=∑eb_i×p_i-∑e_i×p_i

式中，△E為年總節(jié)能量；eb_i為基準(zhǔn)系統(tǒng)消耗的第i種能源的實(shí)物消耗量；p_i為基準(zhǔn)系統(tǒng)消耗的第i種能源的折標(biāo)系數(shù)；e_i為多能互補(bǔ)系統(tǒng)消耗的第i種能源的實(shí)物消耗量。

5.3 環(huán)境指標(biāo)

環(huán)境指標(biāo)系列包括供暖系統(tǒng)總排放、每平米排放、制冷系統(tǒng)總排放、每平米排放、年建筑物冷熱源系統(tǒng)總排放、每平米排放、對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的年減排量。上述指標(biāo)計(jì)算中電的排放因子采用本地區(qū)電網(wǎng)公布的近年排放因子，其它能源如燃?xì)獾呐欧乓虼藚⒖既剂瞎?yīng)公司發(fā)布的數(shù)據(jù)（或采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）；熱水項(xiàng)目主要考察每噸熱水碳排放、項(xiàng)目對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的年減排量。

對(duì)基準(zhǔn)項(xiàng)目的年總減排量，以下給出一個(gè)基本算法：

每年內(nèi)基準(zhǔn)項(xiàng)目的總排放量與多能互補(bǔ)系統(tǒng)總排放量之差，即：

△T=∑eb_i×EF_i-∑e_i×EF_i

式中，△T為年總減排量；eb_i為基準(zhǔn)系統(tǒng)消耗的第i種能源的實(shí)物消耗量；EF_i為基準(zhǔn)系統(tǒng)消耗的第i種能源的碳排放因子；e_i為多能互補(bǔ)系統(tǒng)消耗的第i種能源的實(shí)物消耗量。

年減排量只考慮因使用能源導(dǎo)致的碳排放，未考慮物質(zhì)消耗碳排放和建設(shè)材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放。

針對(duì)上述3個(gè)系列的指標(biāo)的選擇偏好，不同項(xiàng)目會(huì)有所取舍，例如公共建筑項(xiàng)目可能更關(guān)注節(jié)能和減排量、同時(shí)也關(guān)注項(xiàng)目建成后的年運(yùn)行費(fèi)用，而對(duì)初投資可以適當(dāng)增加，需要針對(duì)用戶的偏好進(jìn)行不同的指標(biāo)組合，來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)項(xiàng)目的不同方面，引導(dǎo)用戶作出恰當(dāng)?shù)倪x擇。

根據(jù)目前中國(guó)國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，冷熱源系統(tǒng)通?？蛇x擇燃?xì)忮仩t+冷水機(jī)組作為基準(zhǔn)線，待評(píng)估項(xiàng)目通過(guò)與基準(zhǔn)項(xiàng)目的比較得出是否能夠接受該項(xiàng)目的結(jié)論，如果認(rèn)為本地區(qū)有其它基準(zhǔn)線，例如燃煤鍋爐+空氣源冷水機(jī)組，也可以自行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線及其主要指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后得到比較結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞公共機(jī)構(gòu)能耗特點(diǎn)，分析了公共機(jī)構(gòu)節(jié)能潛力，設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于多能互補(bǔ)的冷熱聯(lián)供系統(tǒng)集成優(yōu)化模型框架，將不同能源組合用于冷熱源供應(yīng)系統(tǒng)，并考慮氣候特點(diǎn)、建筑特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等基本影響因素，以系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行為導(dǎo)向，兼顧安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行、節(jié)能效果、環(huán)境影響等方面，構(gòu)建了一個(gè)多目標(biāo)、多參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化綜合模型，并提出了系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)估指標(biāo)。用于不同能源單獨(dú)及組合用于冷熱聯(lián)供系統(tǒng)時(shí)，集成優(yōu)化效果的評(píng)估，用戶可以根據(jù)評(píng)估結(jié)果及自身需求，選擇應(yīng)用相應(yīng)的系統(tǒng)形式。研究結(jié)果能夠?yàn)楣矙C(jī)構(gòu)建筑冷熱聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化集成與評(píng)估提供思路和參考。