李春蝶　王　亮（1.四川大學建筑與環(huán)境學院　成都　610065；2.成都市環(huán)境保護科學研究院　成都　610072；.西南科技大學土木工程與建筑學院　綿陽　621010）

?

區(qū)域型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)負荷特征及匹配分析

李春蝶1,2王亮3
（1.四川大學建筑與環(huán)境學院成都610065；2.成都市環(huán)境保護科學研究院成都610072；3.西南科技大學土木工程與建筑學院綿陽621010）

【摘要】為指導冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設計選型，選取某分布式能源項目中所有的公共建筑建立DeST模型，以計算冷熱負荷，根據(jù)建筑性質(zhì)按照逐時逐月分攤比例方法計算逐時生活熱水和電負荷，通過總結(jié)冷熱電負荷日變化、月變化以及熱（冷）電比，得出公共建筑群負荷匹配特征，以此優(yōu)化系統(tǒng)設備配置。

【關(guān)鍵詞】冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；區(qū)域供冷；負荷特征；負荷匹配

0　引言

分布式能源系統(tǒng)是一種新型的能量供應概念，它被定義為基于用戶當?shù)鼗蚋浇陌l(fā)電系統(tǒng)，同時優(yōu)先提供本地用戶電能和熱能。其中，供能系統(tǒng)主要包括分布式供電和供熱，其中供電是直接安置在用戶近旁或大樓里面的功率從kW至MW級不等的中、小型模塊式獨立發(fā)電裝置，在電網(wǎng)崩潰和意外災害情況下維持重要用戶的供電，可提高供電可靠性[1,2]。該供電裝置特別適合于分布式熱電聯(lián)供或冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成為了分布式供能系統(tǒng)的一種主要形式。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)就是指通過對多種一次能源（包括煤、天然氣等）轉(zhuǎn)換技術(shù)的集成運用，對同一對象同時提供冷/熱、電、蒸汽、熱水等多種終端能源的系統(tǒng)，即對發(fā)電設備供電后的余熱進行回收利用，轉(zhuǎn)換成供熱或空調(diào)供冷，該類系統(tǒng)多采用往復式活塞發(fā)動機，燃氣輪機，微型燃氣輪機，斯特林機以及燃料電池等原動機技術(shù)，可實現(xiàn)能源的梯級高效利用[3]。確定逐時冷熱電負荷模擬是區(qū)域型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設計和運行優(yōu)化的必要前提[4,5]，且區(qū)域冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)負荷有別于單體建筑的常規(guī)空調(diào)冷負荷的最大特征是建筑間存在同時使用系數(shù)和輸配冷損失不能忽略。因此本文選取夏熱冬暖地區(qū)某案例項目中涉及到的公共建筑建立DeST模型，以計算冷熱負荷，根據(jù)建筑性質(zhì)按照逐時逐月分攤比例方法計算逐時生活熱水和電負荷，通過總結(jié)冷熱電負荷日變化、月變化以及熱（冷）電比，得出公建群負荷匹配特征。

1　冷熱負荷特征

冷熱負荷變化主要呈現(xiàn)為季節(jié)變化和日變化，其中季節(jié)變化主要受冬夏季室外溫度變化大，日變化主要受建筑使用性質(zhì)和作息規(guī)律不同的影響。

1.1月變化

空調(diào)冷熱負荷月變化主要受室外溫差的影響：冷熱負荷可分為兩類，即物理冷熱負荷（physical cool/heat load）和社會冷熱負荷（social cool/heat load），由于天氣情況例如室外溫度和溫度波動情況所引起的負荷就為物理負荷，輸配損失也同樣屬于物理負荷，其他的影響因素還有太陽輻射等，太陽輻射會增加外墻面和屋面的表面溫度，并通過導熱進去至房間內(nèi)部從而增加冷負荷。社會負荷主要取決于人員習慣，例如夏季日間由于室外高溫不愿外出，過渡季節(jié)室外氣溫較舒適，外出的人員增多。生活熱水負荷變化也因室外氣溫的影響引起酒店入住人員用水習慣變化，使得冬季熱水使用量較夏季的大。

本文采用相對月變化率來表述季節(jié)冷熱負荷波動情況，其公式如下：

式中：Vm為相對月變化率，%；pd、pm、pa分別為日、月、年負荷平均值，kW。

圖1　案例項目冷熱負荷相對月變化率Fig.1 Relative monthly variation of cooling/heating load in case study

從圖1可知，夏季負荷波動高于冬季，但10月為供冷末期，10月下旬冷負荷驟降，因此該月變化率大，達到35%；冬季生活熱水負荷和供熱負荷變化率較小，都不超過2%。

1.2日變化

空調(diào)冷熱負荷、生活熱水負荷及電負荷日變化主要是社會負荷變化，它與建筑性質(zhì)所對應的作息規(guī)律有關(guān)，例如辦公建筑在上班時段空調(diào)及用電需求高，下班就幾乎不需要空調(diào)和用電，商業(yè)及物流建筑則在運營時期一直需要空調(diào)和照明，非運營時刻則都不需要，且周末人員較平時密集，冷負荷呈現(xiàn)出周末高于平時。酒店的生活熱水受人員用水習慣影響，一般中國人習慣夜間洗澡，因此夜間的生活熱水負荷高于白天。

本文采用相對日變化率來表述一天冷熱負荷波動情況，其公式如下：

式中：Vd為相對日變化率，%；ph為負荷時均值，kW。

圖2　案例項目冷熱負荷相對日變化率Fig.2 Relative daily variation of cooling/heating load in case study

圖2表征了冷熱負荷日變化波動情況，在非供冷期，熱負荷相對日變化率不大，即表明在冬季熱負荷變化不大；但在過渡期日變化率波動較大，可從10%變至37%；夏季冷負荷變化較穩(wěn)定，變化率在27%-42%波動。

1.3時變化

相對時變化率表征了冷熱負荷時均值與日均值的絕對差偏離年均值的程度，該變化率從用戶側(cè)反應使用蓄冷或蓄熱裝置是否適宜。本文采用相對時變化率來表述一年8760個小時的冷熱負荷波動情況，其公式如下：

式中：Vh為相對時變化率，%。

分別選取冬夏兩季典型日分析案例項目的冷熱負荷相對時變化率如圖3所示。冬季夜間負荷變化率較白天的高，最高是在夜間21:00，為4.48%，夏季負荷一天波動大，波動范圍可從10%變至85%，最大為白天15:00，相對變化率為84%。因此，夏季有必要采取蓄冷措施，但冬季不需要蓄熱。

圖3　案例項目冷熱負荷相對時變化率Fig.3 Relative hourly variation of cooling/heating load in case study

圖4　各類型建筑熱（冷）電比Fig.4 Various types ofbuilding heat(cold)/power ratio

2　冷熱電負荷匹配

冷（熱）電比將直接決定冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設計和運行的節(jié)能性、經(jīng)濟性和環(huán)保性，冷（熱）電匹配優(yōu)良的系統(tǒng)能充分發(fā)揮余熱不浪費的優(yōu)勢，因此進行冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行和配置優(yōu)化前需了解用戶的冷熱電負荷匹配特性。

從圖4可明顯看出，各類型建筑熱電比以1為界，兩側(cè)分布較不均衡，商業(yè)和物流建筑多處于冷電比小于1的狀態(tài)，而辦公和酒店則多處于冷（熱）電比大于1的狀態(tài)。在除冷熱源系統(tǒng)未開啟時段（即熱電比為0的時刻），商業(yè)、酒店、辦公和物流建筑分別有1655h、3802h、781h和1483h的熱電比小于1，分別有637h、4958h、1668h和845h的熱電比大于1。且各類型建筑的熱（冷）電比隨季節(jié)變化明顯，酒店建筑由于冬季供熱、夏季供冷和全年供生活熱水，因此呈現(xiàn)出熱（冷）電比在供熱季節(jié)大于1和小于1的時刻相當，而在供冷季節(jié)幾乎都大于1，最大熱（冷）電比為4.5；商業(yè)、辦公和物流建筑僅需供冷，供冷季節(jié)冷電比呈現(xiàn)出部分時刻大于1，且最大冷電比分別為8.4、2.7和8.7。

冷（熱）電比較高的時刻大多是冷（熱）負荷不算高，但電負荷很小的時刻，通過逐時數(shù)據(jù)得知該時刻一般是早上7、8時。造成冷（熱）電比高的原因是制冷系統(tǒng)須在建筑正式運行前開啟消除建筑內(nèi)余熱以保證人員進入后的熱舒適，而此時建筑內(nèi)的電消耗還較少。

圖5為案例項目建筑群總冷熱電負荷逐時圖，次坐標為熱負荷，從該圖可以看出全年熱負荷較少，多數(shù)時刻冷負荷高于電負荷；夏季為用能高峰期且持續(xù)時間長。全年有4605h冷（熱）電比小于1且集中在冬季和過渡季節(jié)，有4155h冷（熱）電比大于1且集中在夏季，最大值為5.85。

圖5　建筑群總冷熱電負荷逐時圖Fig.5 Hourly buildings total electrical, heating- cooling load

圖6　建筑群總熱（冷）電比Fig.6 Buildings total heat (cold) /power ratio

3　總結(jié)

（1）冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)負荷特征表現(xiàn)為：季節(jié)變化主要受冬夏季室外溫度變化大影響，而日變化主要受建筑使用性質(zhì)和作息規(guī)律不同的影響，從案例項目得出夏季負荷波動高于冬季，冬季夜間負荷變化率較白天高，夏季負荷一天波動大，波動范圍可從10%變至85%，因此夏季有必要采取蓄冷措施，但冬季不需要蓄熱。

（2）冷（熱）電比方面，商業(yè)和物流建筑多處于小于1的狀態(tài)，而辦公和酒店則多處于大于1的狀態(tài)。各類型建筑的熱（冷）電比隨季節(jié)變化明顯，酒店建筑的熱（冷）電比在供熱季節(jié)大于1和小于1的時刻相當，而在供冷季節(jié)幾乎都大于1，最大熱（冷）電比為4.5；商業(yè)、辦公和物流建筑的最大冷電比分別為8.4、2.7和8.7?？偫錈犭娯摵芍饡r呈現(xiàn)出全年熱負荷較少，夏季為用能高峰期且持續(xù)時間長的特點，全年有4605h冷（熱）電比小于1且集中在冬季和過渡季節(jié)，有4155h冷（熱）電比大于1且集中在夏季，最大值為5.85，說明公建群的冷（熱）電負荷差距大，可有效利用聯(lián)供系統(tǒng)余熱。

參考文獻：

[1]龍惟定.熱電冷聯(lián)供技術(shù)分析及政策建議[J].電力需求側(cè)管理,2010,12(4):1-5.

[2]付林,李輝.天然氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)及應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[3]華賁.區(qū)域型分布式冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)的規(guī)劃設計[J].中外能源,2011,3(16):13-20.

[4]李朝振,石玉美,顧建明.三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化中負荷的描述與分析[J].中南大學學報（自然科學版）,2009,40(4): 891-896.

[5] Chao Z Li, Yu M Shi, Xing H Huang. Sensitivity analysis of energy demands on performance of CCHP system[J]. Energy Conversion and Management, 2008 (49):3491-3497.

Analysis of Load Characteristics and Matching in District CCHP System

Li Chundie1,2Wang Liang3
( 1.College of Architecture and environment, Sichuan University, Chengdu, 610065;
2.Chengdu Academy of environmental Sciences, Chengdu, 610072; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

【Abstract】In order to guide the configuration design of combined cooling-heating and power system(CCHPsystem), DeST models of the public buildings in a certain distributed energy project are established to calculate heat/cool loading of the public buildings. The living hot water and electricity load is also calculated by monthly/hourly proportion method based on the characteristics of buildings. At last, the load matching feature of the public buildings is obtained through summarizing the daily/monthly change of cold/heat/electricity load and heat(cold)power ratio, in order to optimize the system equipment configurations.

【Keywords】CCHP system; District Cooling; Load Characteristics; LoadMatching

中圖分類號TU831.2

文獻標識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-005-04

通訊作者：李春蝶（1986.01-），女，工學博士，博士后，E-mail：lcdshiwo@126.com

收稿日期：2015-07-31