何桂雄, 黃子碩, 閆華光, 彭震偉, 于 航, 楊 柯

(1. 電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點實驗室, 中國電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192; 2. 高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室, 同濟大學(xué), 上海市 200092; 3. 上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司, 上海市 200092)

0 引言

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供—熱泵(CCHP-HP)耦合系統(tǒng)由燃?xì)饫錈犭娙?lián)供與水源熱泵、土壤源熱泵及空氣源熱泵中的一種或多種熱泵耦合而成,是一種較為典型的分布式供能系統(tǒng)。確定燃?xì)饫錈犭娙?lián)供和熱泵的最佳匹配容量是該類綜合能源系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵。下文中燃?xì)馊?lián)供均指燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，用CCHP表示。

建立能源系統(tǒng)仿真模型,通過模擬優(yōu)化得到三聯(lián)供、熱泵等各類設(shè)備的最佳設(shè)計容量是當(dāng)前的慣用做法[1]。Moussawi等對三聯(lián)供系統(tǒng)進行了分類,對其能效進行了評估,并匯總了常見的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計以及配置方案選擇方法[2]。Eugenia等對相鄰建筑區(qū)域的熱和電力生產(chǎn)供應(yīng)系統(tǒng)進行建模,得到了區(qū)域建筑間能源交換種類、交換量以及能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的型號與數(shù)量[3]。Van den Hil結(jié)合荷蘭代爾夫特市某一案例構(gòu)建了一個多目標(biāo)優(yōu)化模型,探討社區(qū)綜合能源系統(tǒng)在提高能源自治、減少碳排放及降低用能成本方面的優(yōu)勢[4]。Li等建立了一個多能互補綜合能源系統(tǒng)仿真模型以評估其可靠性[5]。Chauhan等考慮需求側(cè)響應(yīng),對一個可再生能源與化石能源互補利用的社區(qū)能源系統(tǒng)中各供能設(shè)備的容量進行了優(yōu)化[6]。Mendes[7]和Huang[8]等對用于綜合能源系統(tǒng)綜合優(yōu)化的模型和工具DER-CAM、EAM、MARKAL/TIMES和RETScreen等進行了總結(jié)和討論,指出了這些模型各自的特點和適用對象。王成山等提出了一種綜合能源網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度建模方法[9]。黃子碩等將區(qū)域建筑群的供用能系統(tǒng)視為一個總能系統(tǒng)并構(gòu)建了系統(tǒng)模型,對多建筑的冷熱電生產(chǎn)和分配系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化,得到不同能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的配置容量和冷熱交易量[10]。曾蓉利用遺傳算法對地源熱泵和CCHP耦合系統(tǒng)進行了建模優(yōu)化[11]。楊中源等研究了負(fù)荷特征、購電價格、天然氣價格及熱電聯(lián)產(chǎn)效率與CCHP系統(tǒng)最優(yōu)運行策略的關(guān)系[12]。

綜合能源系統(tǒng)方案涉及燃?xì)夤尽㈦娏炯坝脩舻榷喾嚼?使各利益相關(guān)方能夠深度參與方案構(gòu)建對于綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的落地實施具有積極意義。信息透明和共享是各方協(xié)調(diào)合作的前提,對于綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)化運行而言,其優(yōu)化的過程和結(jié)果同樣重要。當(dāng)前研究集中在對綜合能源系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化方面,這些模型通過計算機搜索算法,可輸出給定條件下綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)配置。但優(yōu)化過程的不可見性使得各利益相關(guān)方難以了解到最優(yōu)解產(chǎn)生的原因,不能根據(jù)情況的變化調(diào)整自身策略。

為此,本文提出基于各設(shè)備年等效滿負(fù)荷運行時數(shù)的變化和考察期內(nèi)凈現(xiàn)值計算確定CCHP-HP系統(tǒng)最佳配置方案的方法。該方法通過理論解析法將最優(yōu)方案產(chǎn)生的過程進行呈現(xiàn),為各個規(guī)劃參與者的規(guī)劃決策提供更為詳盡的信息。

1 CCHP和HP的單位凈現(xiàn)值計算

為考察各類熱泵和燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)在整個壽命周期(以20年為例)內(nèi)的投入產(chǎn)出,本節(jié)給出HP和CCHP單位裝機容量下的凈現(xiàn)值計算式。CCHP包括由原動機、吸收式制冷機及余熱鍋爐等附屬設(shè)施組合而成一整套完整的冷、熱、電三聯(lián)供子系統(tǒng);HP是指一整套完整的供冷供熱子系統(tǒng),包括制冷制熱主機及配套的水冷或風(fēng)冷式冷卻塔(器)等。

在單位供能功率下CCHP系統(tǒng)20年的凈現(xiàn)值可由式(1)計算:

(1)

式中:vTG為CCHP系統(tǒng)單位供能功率下核算周期k=20年的凈現(xiàn)值;Ce為售電價格;Ch為售熱價格;Cc為售冷價格;Cf為燃?xì)鈨r格;ηTG,e為CCHP的發(fā)電效率;th,tc分別為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年等效滿負(fù)荷供熱、供冷時長;CTG′為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單位裝機的年均維護費用;CTG為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單位裝機成本;年貼現(xiàn)率為d;本文計算中假設(shè)系統(tǒng)實際裝機容量為供能容量的1.4倍,設(shè)CCHP系統(tǒng)的熱電比為1。

空氣源熱泵(AHP)單位供能功率下20年的凈現(xiàn)值vAHP可由式(2)計算:

1.4CAHP

(2)

式中:PAHP,EAHP分別為空氣源熱泵制熱、制冷時的能效;CAHP為空氣源熱泵系統(tǒng)單位裝機成本;空氣源熱泵年維護成本忽略不計。

水源/土壤源熱泵(WHP)單位供能功率下20年的凈現(xiàn)值vWHP可由式(3)計算:

(3)

式中：PWHP,EWHP分別為水源熱泵制冷、制熱時的能效;CWHP′為水源熱泵系統(tǒng)單位裝機年均維護費用;CWHP為水源熱泵系統(tǒng)單位裝機成本。

2 CCHP-HP年等效滿負(fù)荷運行時數(shù)分析

假設(shè)CCHP和HP總的裝機容量需滿足項目的冷熱需求,且在各運行時段(峰、谷、供冷、供熱)供能收益最大者優(yōu)先開機運行?；谝陨蟽牲c假設(shè),在給定年逐時冷熱負(fù)荷和能源價格數(shù)據(jù)時,可以得到不同CCHP裝機容量下CCHP和HP各自的年等效滿負(fù)荷運行小時數(shù)及相應(yīng)的凈現(xiàn)值。該方法的思路如圖1所示,具體步驟如下。

圖1 基于運行時數(shù)分析的燃?xì)馊?lián)供-熱泵容量優(yōu)化匹配方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of analytical method for CCHP-HP capacity matching optimization based on service hour analysis

步驟1：計算供能對象全年逐時冷熱負(fù)荷值,找出最小負(fù)荷值,并按照設(shè)計規(guī)范確定供能系統(tǒng)的總裝機容量。

步驟2：按照冷負(fù)荷、熱負(fù)荷及電價峰谷時段,分別統(tǒng)計冷、熱負(fù)荷在峰谷時段各負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的負(fù)荷值出現(xiàn)的小時數(shù),統(tǒng)計結(jié)果見附錄A表 A1。

步驟3：根據(jù)設(shè)備初投資、設(shè)備能效、年運行維護費、購買電力和燃?xì)獾膬r格、供冷供熱供電價格,以年等效滿負(fù)荷供能小時數(shù)為變量,得到單位裝機容量下CCHP和HP系統(tǒng)在某一核算周期內(nèi)單位裝機容量的凈現(xiàn)值計算公式,如式(1)至式(3)所示。

步驟4：根據(jù)購買電力和燃?xì)獾膬r格,分別計算CCHP和HP系統(tǒng)峰谷時段供冷、供熱、供電的單位供能收益(不計初投資,僅計運行收益)。

步驟5：假定CCHP和HP分別按照D0設(shè)定基準(zhǔn)裝機容量,基于峰谷時段單位供能收益較高的設(shè)備優(yōu)先開機運行的原則,確定CCHP和HP年可能的滿負(fù)荷供能小時數(shù)。

某供能設(shè)備等效滿負(fù)荷在各運行時段內(nèi)某一負(fù)荷區(qū)間(Di,Di+1)內(nèi)等效滿負(fù)荷運行小時數(shù)計算如式(4)所示。

(4)

式中:ti為各運行時段內(nèi)某一負(fù)荷區(qū)間包含的小時數(shù);P′為其他供能子系統(tǒng)在該時段內(nèi)承擔(dān)的供能負(fù)荷;ti′為其他供能子系統(tǒng)在該時段內(nèi)供能小時數(shù);P為某一供能子系統(tǒng)的理論裝機容量。

步驟6：比較基準(zhǔn)裝機容量(D0)時vTG和vAHP的大小,若vTG≤vAHP,則本系統(tǒng)中CCHP越小越好,或者不配置CCHP;若vTG>vAHP,則分析CCHP裝機容量大于D0時的情況。

步驟7：若CCHP在基準(zhǔn)裝機容量(D0)時凈現(xiàn)值仍低于HP,則從經(jīng)濟角度出發(fā)本系統(tǒng)不宜安裝CCHP。

步驟8：若CCHP在基準(zhǔn)裝機容量(D0)時凈現(xiàn)值較大,按照負(fù)荷區(qū)間間隔依次增加CCHP的裝機容量,計算CCHP在不同裝機容量下CCHP和HP對應(yīng)的等效滿負(fù)荷工作小時數(shù),進而計算得到CCHP和HP的凈現(xiàn)值,兩者相加得到系統(tǒng)總的凈現(xiàn)值,選擇凈現(xiàn)值最大的作為系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

由于供冷供熱負(fù)荷的波動性,在部分時段供冷供熱系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)利用率較低的問題。該方法從燃?xì)馊?lián)供和熱泵系統(tǒng)可能達到的年等效滿負(fù)荷供能小時數(shù)出發(fā),按照經(jīng)濟性最優(yōu)的目標(biāo),優(yōu)化熱泵設(shè)備和熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的容量配置,通過提高初投資較高的設(shè)備的年利用率,相應(yīng)地減少初投資較低設(shè)備的年利用率,提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1項目負(fù)荷

選取的項目位于上海某商務(wù)區(qū),總建筑面積為9.2×105m2,包括酒店、商業(yè)、辦公及部分居住建筑。經(jīng)過模擬分析和項目調(diào)研,確定冷、熱負(fù)荷分布如表1所示。根據(jù)設(shè)計規(guī)范確定該項目供冷、供熱裝機容量為73 MW。

表1 項目冷熱負(fù)荷分布Table 1 Heating and cooling load

3.1.2經(jīng)濟與能效數(shù)據(jù)

各類供能系統(tǒng)的能效值按照附錄A表A2選取。項目能源價格分別為Ce=1.02元/(kW·h),Ce′=0.49元/(kW·h),Cf=0.24元/(kW·h),Ch=Cc=0.4元/(kW·h),并假設(shè)每年的供能時長相等,則可得到各個供能時段各類供能子系統(tǒng)的供能收益,見附錄A表A3。

3.2 不同情景下經(jīng)濟性最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案

3.2.1基礎(chǔ)容量 CCHP與WHP選擇的判斷依據(jù)

本項目的基準(zhǔn)負(fù)荷是38 MW,即某類供能技術(shù)裝機容量小于等于該值時,該供能子系統(tǒng)分別在各個供能區(qū)段(峰、谷、供冷供熱)開機時長最大。由vTG-vWHP≥0有

2Ce-6.15Cf+Ce′≥0.74

(5)

當(dāng)Ce=1.02元/(kW·h),Ce′=0.49元/(kW·h)時,CCHP具有競爭力時燃?xì)鈨r格Cf應(yīng)小于0.291 1元/(kW·h),本項目的燃?xì)鈨r格滿足式(5),從經(jīng)濟回報角度看基礎(chǔ)負(fù)荷可采用CCHP系統(tǒng)。

3.2.2燃?xì)馊?lián)供容量確定

從附錄A表A4和表A5可以看出,在當(dāng)前價格體系下,峰時供冷供熱及谷時供熱,CCHP系統(tǒng)均具有較好的收益,在這些時段應(yīng)優(yōu)先保證CCHP系統(tǒng)開機。谷時供冷時,WHP系統(tǒng)供能成本最低,該時段應(yīng)優(yōu)先保證WHP系統(tǒng)開機。根據(jù)以上原則得到開機順序如下:

1)峰時供冷供熱及谷時供熱,在該時段CCHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出CCHP裝機容量時,采用WHP系統(tǒng)補充供能。

2)谷時供冷,在該時段WHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出HP裝機容量時,采用CCHP系統(tǒng)補充供能。

按照上述原則得到CCHP和WHP在CCHP不同裝機容量時的等效滿負(fù)荷供能小時數(shù)及單位裝機的凈現(xiàn)值v和子系統(tǒng)的凈現(xiàn)值V,見附錄 A表A4和表 A5所示。

系統(tǒng)總的凈現(xiàn)值V通過式(6)計算。

V=PTGvTG+(73-PTG)vWHP

(6)

式中：PTG為燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的裝機容量。

計算得到不同燃?xì)馊?lián)供理論裝機容量時項目總的凈現(xiàn)值V如圖2所示,在燃?xì)馊?lián)供理論裝機容量為53 MW時,V最大值為46 173.024萬元。

3.2.3各類熱泵容量確定

CCHP系統(tǒng)裝機容量為53 MW時,在WHP滿足余下負(fù)荷的情況下,由于運行小時數(shù)的不足,WHP子系統(tǒng)部分容量的凈現(xiàn)值為負(fù)。考慮AHP系統(tǒng)初投資較小,可通過對AHP的應(yīng)用來增加熱泵子系統(tǒng)的經(jīng)濟性。因此,所探討的WHP和AHP組合方案滿足20 MW的負(fù)荷需求。

圖2 CCHP不同裝機容量下V變化圖Fig.2 V when CCHP has different installed capacities

根據(jù)以上原則得到開機順序如下:

1)峰時供冷供熱及谷時供熱,在該時段由CCHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出CCHP裝機容量時,WHP系統(tǒng)補充供能,最后由AHP系統(tǒng)供能。

2)谷時供冷,在該時段由WHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出WHP裝機容量時,采用CCHP系統(tǒng)補充供能,最后由AHP供能。

CCHP系統(tǒng)裝機容量為53 MW時,改變WHP和AHP系統(tǒng)匹配容量,可得到整個系統(tǒng)中各子系統(tǒng)運行參數(shù)及系統(tǒng)總凈現(xiàn)值V,計算結(jié)果如附錄A表A6和表A7所示。

從表2可以看出,隨著AHP的引入,由于任何時段CCHP的供能收益都大于AHP,其等效滿負(fù)荷供能小時數(shù)將增加。

表2 WHP不同裝機容量下相應(yīng)的CCHP等效滿負(fù)荷運行小時數(shù)、v及V(CCHP為53 MW)Table 2 Annually equivalent full capacity service hour, v and V of CCHP when WHP has different capacities (CCHP is 53 MW)

如圖3所示,CCHP在電價較高時供能成本低于熱泵,但是其初投資遠大于熱泵系統(tǒng),在設(shè)備利用小時數(shù)較低時經(jīng)濟性較差。因此,案例項目的最佳配置為CCHP子系統(tǒng)取53 MW,WHP子系統(tǒng)取5 MW,AHP子系統(tǒng)取15 MW,此時項目總凈現(xiàn)值V為48 286.171萬元,比不采用AHP時提高了2 113.147萬元。

圖3 WHP不同容量下各子系統(tǒng)及V變化(CCHP為53 MW)Fig.3 V when WHP has different installed capacities (CCHP is 53 MW)

4 結(jié)語

本文介紹了一種通過解析法分析確定CCHP-HP最佳匹配容量的方法。該方法遵循的基本原則是由初投資和運維成本相對較低而運行收益較差的子系統(tǒng)承擔(dān)峰值負(fù)荷,由初投資及運維成本較高而運行收益較好的子系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的供能任務(wù),以改善項目投資回報。研究得到如下結(jié)論。

1)相較于借助于計算機搜索尋優(yōu)的模型優(yōu)化法,解析法將最優(yōu)解產(chǎn)生的過程予以呈現(xiàn)?？紤]到在多方參與項目方案決策時,支撐決策的最優(yōu)化過程和最優(yōu)化結(jié)果同樣重要,本研究提出的解析法有助于各方明晰最優(yōu)結(jié)果產(chǎn)生的具體過程,從而掌握各個相關(guān)因素與最優(yōu)化結(jié)果間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,幫助提升協(xié)作效率。

2)在園區(qū)級綜合能源項目中,燃?xì)夂碗娏κ墙K端用戶采購的最為主要的兩種能源,而CCHP-HP最終的配置容量可視為兩種能源競爭結(jié)果的體現(xiàn)。借助于案例分析可以發(fā)現(xiàn),項目負(fù)荷特征對于系統(tǒng)的配置具有重要影響。燃?xì)馊?lián)供分布式能源項目的經(jīng)濟性既受到能源價格的影響,又受項目負(fù)荷特征的制約。對于給定的能源價格體系,燃?xì)夂碗娏Φ南鄬Ω偁巸?yōu)勢在不同項目上存在差異性。

由于蓄能系統(tǒng)的蓄能和釋能時段具備靈活性特征,本文研究暫未將蓄能系統(tǒng)運行納入。如何對含蓄能系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)的配置過程進行解析分析仍需進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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