馬漢
中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院
冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有能源綜合利用效率高, 排放低, 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn), 近年來得到了快速發(fā)展。如何提高系統(tǒng)能源效率, 供能穩(wěn)定性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是冷熱電聯(lián)供領(lǐng)域研究的主要方向。蓄能技術(shù)可以有效緩解冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和建筑用戶間能量供需不平衡, 減少裝機(jī)容量, 提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和供能穩(wěn)定性,獲得了廣泛應(yīng)用和研究。水蓄能是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可行的蓄能技術(shù)形式之一, 其具備可以蓄冷和蓄熱,吸收式和常規(guī)制冷設(shè)備均可使用, 技術(shù)要求低和維修方便等特點(diǎn)。然而,關(guān)于新型水蓄能裝置及其在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用研究仍不充分。
本文提出了以緩沖水蓄能(冷、 熱)模塊為蓄能設(shè)備的緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。采用 “以熱定電” 方式選擇系統(tǒng)配置, 分析了緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和無水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供運(yùn)行策略?;诶錈犭娐?lián)供運(yùn)行策略, 對(duì)緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源, 環(huán)境和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) [1] 進(jìn)行對(duì)比分析。
緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由聯(lián)供模塊和緩沖水蓄能模塊組成, 如圖1。
圖1 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖
聯(lián)供模塊由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組 (PGU), 煙氣型雙效吸收式一體化機(jī)組 (AM), 燃?xì)鉄崴仩t (GB), 電制冷機(jī)組 (EC), 電控制柜和相關(guān)管線等組成。聯(lián)供模塊運(yùn)行時(shí), 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組消耗天然氣發(fā)電, 排放的高溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)煙氣型吸收式一體化機(jī)組制冷或制熱。電制冷機(jī)組、 燃?xì)鉄崴仩t作為輔助制冷和制熱設(shè)備。電控制柜根據(jù)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電量和建筑用戶電負(fù)荷變化,通過向公共電網(wǎng)購(gòu)電和售電方式, 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)聯(lián)供模塊供電量以滿足建筑用戶用電需求。
緩沖水蓄能模塊由蓄能水箱 (ST1~STn), 緩沖水蓄能水箱 (ST g ,ST h ), 水泵, 閥門和連接管路等組成。 蓄能(冷或熱)過程為依次將 ST2~STn中存儲(chǔ)回水經(jīng)聯(lián)供模塊獲取能量轉(zhuǎn)化為冷凍水或供暖熱水蓄存到 ST 1 ~STn-1中,而釋能過程則是依次將 ST n-1 ~ST1中蓄存冷凍水或供暖熱水經(jīng)建筑用戶釋能轉(zhuǎn)化為回水存儲(chǔ)到ST1~STn-1中。在 STg和STh的緩沖作用下, 緩沖水蓄能模塊可以實(shí)現(xiàn)蓄, 釋能狀態(tài)延時(shí)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換和無極蓄存或補(bǔ)充聯(lián)供模塊與建筑用戶間動(dòng)態(tài)不匹配冷熱量,增強(qiáng)了聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
為簡(jiǎn)化計(jì)算, 提出以下假設(shè):
1) 忽略氣象環(huán)境條件變化對(duì)設(shè)備性能的影響。
2) 蓄能水箱采用有效保溫措施, 散熱量忽略不計(jì),且內(nèi)部水溫分布均勻。
3) 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組變工況的計(jì)算參考王曉紅等[2], 煙氣型雙效吸收式一體化機(jī)組變工況計(jì)算參考鄭劍橋等 [3] 和陳強(qiáng)等 [4] , 電制冷機(jī)組參考王嘉等 [5] 。
基于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、 煙氣型吸收式一體化機(jī)組、 緩沖水蓄能模塊、 電制冷機(jī)組、 燃?xì)鉄崴仩t可行性組合, 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)逐小時(shí)供冷, 供熱和供電運(yùn)行計(jì)算方法如式 (1)、 式 (2) 和式 (3) 所示。
式中:Qusers_c、Qusers_h分別為建筑用戶冷負(fù)荷和熱負(fù)荷,kWh;Q AM_c、QAM_h分別為煙氣型雙效吸收式一體化機(jī)組制冷量和制熱量,kWh;Qst_c、Qst_h分別為緩沖水蓄能模塊已蓄存冷量和熱量, kWh,上標(biāo) -1 代表上一小時(shí);Q st_cs、Qst_cr分別為緩沖水蓄能模塊蓄冷量和釋放冷量,kWh;Q st_hs、Qst_hr分別為緩沖水蓄能模塊蓄熱量和釋放熱量,kWh;QCCHP_c、QCCHP_h分別為緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)制冷量和制熱量, kWh;QEC為電制冷機(jī)組制冷量,kWh;QGB為燃?xì)鉄崴仩t制熱量,kWh;Eusers為建筑用戶電負(fù)荷, kWh;EPGU為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電量,kWh;ES為向公共電網(wǎng)售電量,kWh;Egrid為從公共電網(wǎng)購(gòu)電量, kWh。
緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)耗氣量(m3)、 耗電量(kWh) 計(jì)算方法如式 (4) 和 (5) 所示。
式中:FPGU、FGB分別為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t耗氣量,m3;ηPGU為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電效率;ηGB為燃?xì)鉄崴仩t熱效率;HLng為天然氣低位熱值,kJ/m3;COPEC為電制冷機(jī)組制冷效率。
無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基于設(shè)備全工況模型的供冷、 供熱和供電運(yùn)行計(jì)算方法即在式 (1), 式 (2) 和式(3) 中去除蓄能相關(guān)項(xiàng)。常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)供冷、 供熱和供電運(yùn)行計(jì)算方法則是在式 (1), 式 (2) 和式 (3) 中去除蓄能、 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和煙氣型雙效吸收式一體化機(jī)組等相關(guān)項(xiàng)。無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)耗氣量和耗電量計(jì)算方法與緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相同。
常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)耗電量Esp,一次能源消耗PEsp, 二氧化碳排放當(dāng)量CE sp,運(yùn)行費(fèi)用OCsp計(jì)算方法如式(6), 式 (7), 式 (8) 和式 (9) 所示。
式中:ηgrid為公共電網(wǎng)綜合效率;pecrelec為電力一次能源轉(zhuǎn)換系數(shù);cerelec為電力二氧化碳當(dāng)量系數(shù),g/kWh;pelec為電價(jià), 元 /kWh。
無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)一次能源消耗PECCHP、一次能源節(jié)約率PERR計(jì)算方法如式(10) 和式 (11) 所示; 二氧化碳排放量CE CCHP、 二氧化碳當(dāng)量減少率CERR的計(jì)算方法如式 (12) 和式 (13) 所示; 運(yùn)行費(fèi)用OC CCHP、 運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率OCRR計(jì)算方法如式 (14) 和式 (15) 所示[1]。
其中,pecrng是天然氣一次能源轉(zhuǎn)換系數(shù)。
其中,cerng為天然氣二氧化碳當(dāng)量系數(shù),g/kWh。
其中,png為天然氣價(jià)格,元 /kWh;ps_elec為上網(wǎng)售電電價(jià),元 /kWh。
本文以某飯店建筑為分析對(duì)象, 其設(shè)計(jì)工況最大冷負(fù)荷為872 kW, 最大熱負(fù)荷為510 kW, 最大電負(fù)荷375 kW, 夏季供冷期和冬季供暖期各120 天。圖 2 為該飯店季典型日冷, 電負(fù)荷及冬季典型日熱, 電負(fù)荷。飯店緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用圖 1 組織結(jié)構(gòu)。夏季供冷時(shí), 閥門②、 ④、 ⑦關(guān)閉, 煙氣型吸收式一體化機(jī)組和電制冷機(jī)組聯(lián)合供冷, 緩沖水蓄能模塊蓄存或補(bǔ)充聯(lián)供模塊相比建筑用戶冷負(fù)荷供冷剩余或不足的冷量。 冬季供暖時(shí), 閥門①、 ③、 ⑥、 ⑩關(guān)閉, 煙氣型吸收式一體化機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t聯(lián)合供熱, 緩沖水蓄能模塊蓄存或補(bǔ)充聯(lián)供模塊相比建筑用戶熱負(fù)荷過量或不足的熱量。
圖2 飯店夏季典型日冷,電負(fù)荷及冬季典型日熱,電負(fù)荷
本文采用 “以熱定電” 方式確定緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置。先根據(jù)飯店夏季典型日冷負(fù)荷,同時(shí)考慮蓄能空間盡量小, 選取煙氣型吸收式一體化機(jī)組制冷容量, 然后選擇與之匹配的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、 電制冷機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t。 鑒于飯店最大電負(fù)荷較小,本文選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組 (ICE) 作為聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。飯店緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備及其參數(shù)見表1。
表1 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備及其參數(shù)
為了對(duì)緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行能源, 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性分析,選取常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)為基準(zhǔn)系統(tǒng), 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)。常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)和無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)制冷容量和制熱容量均按照飯店設(shè)計(jì)工況最大冷負(fù)荷、 最大熱負(fù)荷選取。其中, 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和煙氣型吸收式一體化機(jī)組與緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相同。電制冷機(jī)組選取為兩臺(tái)制冷功率 275 kW的微型離心式電制冷機(jī) (EC1、 EC2)。燃?xì)鉄崴仩t選取與緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)同樣類型,制熱功率為280kW (GB1)。常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)由電制冷機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t組成, 電制冷機(jī)組制冷系數(shù)取 4, 燃?xì)鉄崴仩t熱效率取0.9。由以上配置可知, 緩沖水蓄能模冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng),制冷容量減少 36.81%,制熱容量減少31.17%。
緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析中, 涉及計(jì)算參數(shù)見表2 [1、 6-9] 。
表2 計(jì)算參數(shù)
圖 3 為夏季典型日緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能運(yùn)行策略。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)全天處于額定工況運(yùn)行發(fā)電狀態(tài),煙 氣型雙效吸收式一體化機(jī)組全天處于額定工況運(yùn)行制冷狀態(tài)。詳細(xì)的供冷運(yùn)行策略如下。
1)22:00 至次日 8:00,煙氣型吸收式一體化機(jī)組制冷量大于飯店冷負(fù)荷,多 余制冷量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電量大于飯店電負(fù)荷,多 余電量售于公共電網(wǎng)。電制冷機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)。
2)9:00至11:00及 21:00,煙 氣型吸收式一體化機(jī)組制冷量小于飯店冷負(fù)荷,不 足的冷量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄冷量提供。電制冷機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)。
3)12:00 至 20:00,煙 氣型吸收式一體化機(jī)組和電制冷機(jī)組額定工況運(yùn)行制冷,總 制冷量仍小于飯店冷負(fù)荷, 不足的冷量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄冷量提供。
圖3 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日供能運(yùn)行策略
圖4 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季典型日供能運(yùn)行策略
圖4 為冬季典型日緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能運(yùn)行策略。其中,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)全天處于額定工況運(yùn)行發(fā)電狀態(tài),煙 氣型吸收式一體化機(jī)組全天處于額定工況運(yùn)行制熱狀態(tài)。具體供熱運(yùn)行策略如下:
1)20:00至0:00及4:00至7:00,煙氣型吸收式一體化機(jī)組額定工況運(yùn)行制熱,制 熱量大于飯店熱負(fù)荷,多余制熱量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。燃?xì)鉄崴仩t(GB)處 于停機(jī)狀態(tài)。
2)1:00至 3:00,煙 氣型吸收式一體化機(jī)組額定工況運(yùn)行制熱,制 熱量小于飯店熱負(fù)荷,不 足熱量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄熱量提供。燃?xì)鉄崴仩t處于停機(jī)狀態(tài)。
3)7:00,9:00,11:00,12:00 及 14:00,煙 氣型吸收式一體化機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t額定工況運(yùn)行制熱,制 熱量大于飯店熱負(fù)荷,多 余制熱量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。
4)8:00,10:00,13:00 及 15 至 19:00,煙氣型吸收式一體化機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t額定工況運(yùn)行制熱,制熱量小于飯店熱負(fù)荷,不 足熱量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄熱量提供。
常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)由定制冷系數(shù)的電制冷機(jī)組, 定熱效率的燃?xì)鉄崴仩t及公共電網(wǎng)組成, 其供冷策略為電制冷機(jī)組制冷量實(shí)時(shí)滿足飯店冷負(fù)荷, 供熱策略為燃?xì)鉄崴仩t制熱量實(shí)時(shí)滿足飯店熱負(fù)荷, 供電策略為公共電網(wǎng)購(gòu)電量實(shí)時(shí)滿足飯店熱負(fù)荷。
結(jié)合飯店負(fù)荷特點(diǎn), 基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、 煙氣型吸收式一體化機(jī)組、 電制冷機(jī)組變工況數(shù)學(xué)模型, 計(jì)算得出無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)典型日供冷、 供熱、 供電策略。
圖5 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日供能運(yùn)行策略
圖5 為無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日供能運(yùn)行策略。具體供冷、供 電運(yùn)行策略如下:
1)22:00至次日 8:00,一 臺(tái)電制冷機(jī)組( EC1)變 工況運(yùn)行制冷。公 共電網(wǎng)提供EC1耗電量和飯店電負(fù)荷需求電量。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和EC2處于停機(jī)狀態(tài)。
2)9:00 至11:00 及21:00,煙 氣型雙效吸收式一體化機(jī)組( AM)和 EC1變工況運(yùn)行制冷。ICE變工況運(yùn)行發(fā)電,發(fā) 電量首先用于 EC1 耗電,剩 余電量提供飯店使用。公共電網(wǎng)提供飯店電負(fù)荷需求電量與ICE剩余發(fā)電量差額。EC2處于停機(jī)狀態(tài)。
3)12:00至20:00,A M,E C1和EC2變工況運(yùn)行制冷。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)變工況運(yùn)行發(fā)電,發(fā)電量首先用于EC1和EC2耗電,剩 余電量提供飯店使用。飯店電負(fù)荷需求電量與ICE剩余電量差額。
圖6為無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季典型日供能運(yùn)行策略。具體供熱、供 電運(yùn)行策略如下:
1)22:00,飯店無熱負(fù)荷,ICE,A M 和 GB 均處于停機(jī)狀態(tài)。公共電網(wǎng)提供飯店電負(fù)荷需求電量。
2)23:00,0:00,4:00和 5:00,A M 變工況運(yùn)行制熱。ICE變工況運(yùn)行發(fā)電,發(fā)電量首先滿足飯店電負(fù)荷需求電量,剩 余電量售于公共電網(wǎng)。GB處于停機(jī)狀態(tài)。
3)1:00 至 3:00、6:00 至 19:00,A M 額定工況運(yùn)行制熱。G B變工況運(yùn)行制熱。ICE額定工況運(yùn)行發(fā)電,發(fā)電量首先滿足飯店電負(fù)荷需求電量,剩 余電量售于公共電網(wǎng)。
4)20:00和21:00,G B變工況運(yùn)行制熱。公共電網(wǎng)提供飯店電負(fù)荷需求電量。ICE和AM處于停機(jī)狀態(tài)。
圖6 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季典型日供能運(yùn)行策略
基于飯店供冷, 供熱和供電策略, 分產(chǎn)系統(tǒng), 無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季及冬季典型日的一次能源消耗量, 二氧化碳排放量和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算結(jié)果如圖7所示??梢钥闯觯瑹o蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季或夏季典型日的一次能源消耗量、 二氧化碳排放量、 運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)均有所降低, 且緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)降低力度大于無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
圖7 一次能源消耗量,二氧化碳排放當(dāng)量和運(yùn)行費(fèi)用
表 3 為無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)一次能源節(jié)約率, 二氧化碳排放當(dāng)量減少率和運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率。從表中可以看出, 相比無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng), 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日一次能源節(jié)約率,二氧化碳排放當(dāng)量減少率,運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率分別提高 15.56%,24.10%和13.02%,冬季典型日則分別提高 5.07%,6.25%和4.96%。
表3 一次能源節(jié)約率,二氧化碳排放當(dāng)量減少率和運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率
本文提出了以緩沖水蓄能 (冷、 熱) 模塊為蓄能設(shè)備的緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)滿足建筑用戶冷熱電負(fù)荷同時(shí), 動(dòng)力設(shè)備全時(shí)段額定工況運(yùn)行, 降低了系統(tǒng)裝機(jī)制冷容量和制熱容量。以常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)為基準(zhǔn), 對(duì)比分析了無蓄能型和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在飯店類型建筑夏季、 冬季典型日的運(yùn)行策略及能源, 環(huán)境, 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。 研究結(jié)果表明,無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)夏季典型日一次能源節(jié)約率 14.11%, 二氧化碳排放當(dāng)量減少率22.69%和運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率27.9%, 冬季典型日一次能源節(jié)約率34.87%, 二氧化碳排放當(dāng)量減少率63.75%和運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率22.34%。同時(shí), 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日一次能源節(jié)約率提高了 15.56%, 二氧化碳排放當(dāng)量減少率提高了24.10%, 運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率分別提高了13.02%, 冬季典型日一次能源節(jié)約率提高了5.07%, 二氧化碳排放當(dāng)量減少率提高了 6.25%,運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率分別提高了4.96%。結(jié)果說明緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有很好的能源, 環(huán)境和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo), 為水蓄能技術(shù)在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一種新的思路。
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[8] 上海市物價(jià)局.上海市物價(jià)局關(guān)于調(diào)整本市工商業(yè)銷售電價(jià)的通知[Z].2016.
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