趙成

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)作為一個(gè)集成能源系統(tǒng)在全世界范圍受到了廣泛關(guān)注[1]。

很多研究者基于不同的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了分析評(píng)估[2-5]。在這些研究中，熱跟隨模式（FTL）和電跟隨模式（FEL）是三聯(lián)供系統(tǒng)最典型的兩種運(yùn)行策略，熱跟隨模式在我國(guó)受限于電力上網(wǎng)政策，而電跟隨模型會(huì)導(dǎo)致大量的熱量浪費(fèi)。P.J.Mago[5]提出了混合跟隨模式（HETS），該模式雖然可以減少系統(tǒng)能源浪費(fèi)，但會(huì)增加市政購(gòu)電量，在一定的電氣價(jià)格比之下反而可能會(huì)使系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用更高。此外，近些年還有一種運(yùn)行模式——Linear Programming（LP）模型被應(yīng)用于三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行分析中[6-8]，該模型可基于不同的優(yōu)化目標(biāo)得出系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，然而其實(shí)際運(yùn)行方式目前還難以實(shí)現(xiàn)。

為討論電跟隨模式、熱跟隨模式、混合跟隨模式以及LP優(yōu)化方法在中國(guó)的適用性，以便選擇系統(tǒng)較優(yōu)運(yùn)行策略，本文對(duì)上海某酒店配置了一套CCHP系統(tǒng)，然后對(duì)該系統(tǒng)在各種運(yùn)行策略以及LP優(yōu)化模型下進(jìn)行了年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算對(duì)比分析。

圖1 建筑電力累計(jì)曲線

為統(tǒng)一對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，本文采用MR[9]法進(jìn)行CCHP系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)容量的選擇。MR法依據(jù)原動(dòng)機(jī)全年滿負(fù)荷工況下能量輸出最大化的原則來(lái)確定原動(dòng)機(jī)容量，即圖1中陰影面積最大時(shí)對(duì)應(yīng)的原動(dòng)機(jī)容量。

1 三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略的計(jì)算模型

本節(jié)筆者先介紹冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的基本流程，然后給出其在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP優(yōu)化模型下全年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算方法。

1.1 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)

冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)指以燃?xì)鉃橹饕剂蠋?dòng)原動(dòng)機(jī)（PGU）運(yùn)行，產(chǎn)生的電力（Ep）供應(yīng)用戶的電力需求，系統(tǒng)發(fā)電后排出的余熱通過(guò)余熱回收利用設(shè)備向用戶供熱、供冷。通過(guò)這種方式可大大提高整個(gè)系統(tǒng)的一次能源利用率，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。還可以提供并網(wǎng)電力作能源互補(bǔ)，整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益及效率均相應(yīng)增加。

本文所討論的CCHP系統(tǒng)詳細(xì)流程如圖2所示，原動(dòng)機(jī)發(fā)電后排出的余熱（Qp）一部分QAC通過(guò)吸收式制冷機(jī)組為末端用戶供冷，另一部分Qh可用來(lái)滿足用戶采暖和生活熱水需求。吸收式制冷機(jī)組所消耗的熱能QAC全部取自于原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱Qp，如果吸收式制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷量Ca不能滿足用戶的供冷需求，不足供冷量由電制冷機(jī)組提供；同樣如果原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱Qh不足以滿足用戶供熱需求時(shí)，則需補(bǔ)充一定的輔助熱源Qb。

圖2 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)流程

1.2 電跟隨模式（FEL）下CCHP系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

電跟隨模式（FEL）也稱以電定熱模式，即根據(jù)建筑電力需求來(lái)確定原動(dòng)機(jī)的能源輸出。Heejin cho et al[10]提出原動(dòng)機(jī)的熱能轉(zhuǎn)換（燃?xì)廪D(zhuǎn)換為熱能）限制條件可用以下公式表達(dá)：

本文對(duì)式中的系數(shù)a、b做了近似處理，a=2.67，b=11.4，原動(dòng)機(jī)的熱能轉(zhuǎn)換效率取51%[10]。

電跟隨模式（FEL）的計(jì)算流程如圖3所示。根據(jù)電力負(fù)荷Eload與原動(dòng)機(jī)容量（PGUcap）的小值可確定當(dāng)前時(shí)刻的發(fā)電量Ep，可根據(jù)式（1）計(jì)算原動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀牧縁pgu以及余熱回收量Qp。若有熱需求，則Qp優(yōu)先用于提供生活熱水或采暖，若Qp不能完全滿足熱需求，即QpWload+Hload，剩余的余熱將供給至吸收式制冷機(jī)組供冷。

圖3 電跟隨模式（FEL）的計(jì)算流程

電跟隨模式（FEL）下CCHP系統(tǒng)的能耗根據(jù)式（1）-（9）計(jì)算得出：

式中：Hload、Wload、Cload分別為用戶采暖負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷及供冷負(fù)荷；ηb為鍋爐的熱效率；EEC電制冷機(jī)組耗電量；Ebuy為用戶購(gòu)電量。

1.3 熱跟隨模式（FTL）下CCHP系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

熱跟隨模式（FTL）也稱以熱定電模式，即根據(jù)建筑熱力負(fù)荷來(lái)確定原動(dòng)機(jī)的能源輸出。與電跟隨模式（FEL）類似，首先根據(jù)式（10）確定建筑的熱需求：

然后根據(jù)式（11）～（12）確定原動(dòng)機(jī)發(fā)電后排出的余熱Qp和原動(dòng)機(jī)所消耗的燃?xì)饬縁PGU，根據(jù)式（13）確定原動(dòng)機(jī)的發(fā)電量Ep。

可利用式（4）～（9）計(jì)算其他輔助設(shè)備的能耗。雖然熱跟隨模式由于我國(guó)目前的政策限制還較難實(shí)現(xiàn)，但是為了比較不同運(yùn)行模式下三聯(lián)供系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用（AEC），本文還是將作為一個(gè)基本模型進(jìn)行比較計(jì)算。

1.4 混合跟隨模式（HETL）下CCHP系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[5]

混合跟隨模式（HETL）如圖4所示，若系統(tǒng)以熱跟隨模式（FEL）運(yùn)行（運(yùn)行狀態(tài)電為圖3中B''點(diǎn)），當(dāng)原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱超過(guò)建筑的熱力負(fù)荷導(dǎo)致熱量浪費(fèi)時(shí)，系統(tǒng)切換為電跟隨模式（FTL）運(yùn)行（即運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)B'點(diǎn)），此時(shí)需向電網(wǎng)購(gòu)電以滿足電力負(fù)荷需求，除此情況外，系統(tǒng)仍按照熱跟隨模式（FEL）運(yùn)行。

圖4 混合跟隨模式（HETL）示意圖

混合跟隨模式（HETL）的計(jì)算流程為：首先按照熱跟隨模式（FEL）由式（3）和式（10）確定余熱 Qp和熱需求 Qr，若 Qp＞Qr，則采用電跟隨模式（FTL）計(jì)算三聯(lián)供系統(tǒng)的能耗，反之采用熱跟隨模式（FEL）。

1.5 CCHP系統(tǒng)在LP模型下的計(jì)算方法

若以Ep、Qboiler和CA為決策變量，最小化運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，則LP模型下CCHP系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為[6-8]：

式中：PE和PF分別為電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)格。

目標(biāo)函數(shù)的約束條件為：

對(duì)全年負(fù)荷逐時(shí)求解式（14），即得到LP模型下CCHP系統(tǒng)的最優(yōu)全年能耗。

1.6 三聯(lián)供系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用（AEC）計(jì)算方法

計(jì)算三聯(lián)供系統(tǒng)在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP模型下的全年能耗后，可用下式計(jì)算各種模式下的年運(yùn)行費(fèi)用（AEC）：

2 案例計(jì)算

為對(duì)比各種模式下三聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP）的經(jīng)濟(jì)性，本文以上海一棟20000 m2酒店為目標(biāo)建筑，利用指標(biāo)法[9]計(jì)算其全年逐時(shí)負(fù)荷（包括電力負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷及供冷供冷負(fù)荷），并利用MR[9]法配置一套CCHP系統(tǒng)。圖1中電力累計(jì)曲線中陰影最大面積對(duì)應(yīng)電力負(fù)荷為400kW，對(duì)應(yīng)滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為5391 h，故原動(dòng)機(jī)容量（PGUcap）可確定為400 kW。根據(jù)式（1）計(jì)算原動(dòng)機(jī)的最大余熱量Qp為1079 kW，因此可選擇吸收式制冷機(jī)的容量為700 kW。輔助鍋爐的容量假設(shè)為無(wú)限大，即可完全滿足建筑熱量需求不足。

2.1 基本計(jì)算條件

為便于后面討論氣電價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，本文不討論分時(shí)電價(jià)，而采取固定電價(jià)，上海地區(qū)電力價(jià)格取為0.8元/kWh，天然氣2.5元/m3。為便于計(jì)算，天然氣價(jià)格轉(zhuǎn)換為以熱量單位，天然氣熱值按照35 MJ/m3計(jì)算，則天然氣價(jià)格為0.2571元/kWh，鍋爐效率ηb=0.8，吸收式制冷機(jī)組性能系數(shù)COPa=0.7，電制冷機(jī)組性能系數(shù)COPe=3.5。

2.2 計(jì)算結(jié)果

本文分別計(jì)算了上述配置的CCHP系統(tǒng)在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP模型下的全年運(yùn)行費(fèi)用，計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1 不同運(yùn)行模式下CCHP系統(tǒng)全年運(yùn)行計(jì)算結(jié)果

從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出熱跟隨模式（FTL）下CCHP系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用最低，并且沒(méi)有熱量浪費(fèi)；而在混合跟隨模式（HETS）下，雖然CCHP系統(tǒng)也沒(méi)有熱量浪費(fèi)，但系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用卻是四種模式里最高的，這是由于其燃?xì)夂牧坑兴鶞p少，但購(gòu)電量增加，在當(dāng)前能源價(jià)格下多余的購(gòu)電費(fèi)用高于節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)用；LP模型與電跟隨模式（FEL）的下的系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用相同，并且廢熱量也相同，都達(dá)到了消耗燃?xì)饪偀崃康?.5%。

綜上，在給定能源價(jià)格以及電力不能上網(wǎng)的限制條件下，目標(biāo)建筑所配置的CCHP系統(tǒng)以電跟隨模式（FEL）運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

3 原動(dòng)機(jī)容量和電氣價(jià)格比對(duì)各運(yùn)行策略下系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用的影響

算例結(jié)果顯示混合跟隨模式（HETS）下的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用高于電跟隨模式（FEL），且LP模型與電跟隨模式（FEL）下的計(jì)算結(jié)果完全一致，原動(dòng)機(jī)容量（PGUcap）的不同會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)能源輸出以及能源消耗不同，從而會(huì)影響各種運(yùn)行策略下的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，因此對(duì)不同原動(dòng)機(jī)配置容量下各種運(yùn)行策略的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了對(duì)比，另外，還討論分析了不同能源價(jià)格（電價(jià)、燃?xì)鈨r(jià)）對(duì)各種運(yùn)行策略下系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用的影響。

3.1 不同原動(dòng)機(jī)容量下系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

建筑電力負(fù)荷數(shù)據(jù)顯示，最大電力負(fù)荷為744 kW，本文設(shè)置以下幾種原動(dòng)機(jī)容量配置方案進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表2（注：吸收式制冷機(jī)組和輔助鍋爐的容量保證足夠大以滿足系統(tǒng)供冷、供熱量不足，均取1000 kW）。

表2 不同原動(dòng)機(jī)容量配置方案

計(jì)算結(jié)果如圖5所示，隨著PGUcap的逐漸增加，各種運(yùn)行模式下系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用均減小，但是由于PGUcap增加會(huì)導(dǎo)致初投資的增加，因此不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為PGUcap越大越好。在方案1中幾種運(yùn)行模式下的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用基本相同，隨著PGUcap的增加其差異不斷增加，除方案1外的其它方案中，熱跟隨模式（FTL）下的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用均是最低的，然而在我國(guó)電力上網(wǎng)受到限制的情況下熱跟隨模式難以實(shí)現(xiàn)。在各種方案中（除方案1），混合跟隨模式（HETS）的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用均比電跟隨模式（FEL）要高，因此三聯(lián)供系統(tǒng)能否采用混合跟隨模式（HETS）運(yùn)行以減少熱量浪費(fèi)來(lái)取得較好經(jīng)濟(jì)效益與原動(dòng)機(jī)容量大小無(wú)關(guān)。在各方案中LP模型與電跟隨模式（FEL）的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用均相同，因此在我國(guó)的能源價(jià)格和電力不上網(wǎng)的情況下，采取LP模型進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果與直接采取電跟隨模式（FEL）完全一樣。

圖5 不同原動(dòng)機(jī)容量配置方案下各運(yùn)行策略年運(yùn)行費(fèi)用

3.2 電氣價(jià)格比對(duì)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用的影響

電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)格直接影響三聯(lián)供系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，為便于討論，本文以電氣價(jià)格比來(lái)表示電力與燃?xì)獾膬r(jià)格關(guān)系。電氣價(jià)格比可用下式計(jì)算：

前文中，天然氣價(jià)格PF=0.2571元/kWh，電力價(jià)格PE=0.8元/kWh，電氣價(jià)格比rge=3.1116。為討論電氣價(jià)格比對(duì)CCHP系統(tǒng)各種運(yùn)行模式的影響，本文在電氣價(jià)格比rge從2.0到4.5范圍，且以PE=0.8元/kWh、原動(dòng)機(jī)容量配置PGUcap=400 kW為基準(zhǔn)進(jìn)行了計(jì)算，即PF變化范圍為：0.1778～0.4元/kWh。rge計(jì)算間隔取0.2。

計(jì)算結(jié)果如圖6所示。在整個(gè)電氣價(jià)變化范圍內(nèi)，熱跟隨模式（FTL）的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用都是最低的，只有在rge=2.0時(shí)LP模型的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用與其相等。隨著電氣價(jià)格比的增加（燃?xì)鈨r(jià)格降低）所有模式下系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用均減小，在rge<2.8時(shí)，電跟隨模式（FEL）系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用最高，rge>2.8時(shí)電跟隨模式（FEL）與LP模型的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用相同且低于混合跟隨模式（HETS）；在rge>2.4區(qū)間內(nèi)電跟隨模式（FEL）與LP模型基本重合；rge<2.2時(shí)，LP模型的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用低于電跟隨模式（FEL）和混合跟隨模式（HETS）。當(dāng)rge在2～2.4區(qū)間時(shí)，混合跟隨模式（HETS）的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用低于電跟隨模式（FEL），而rge在其他范圍時(shí)混合跟隨模式（HETS）的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用都是最高的。

圖6 不同電氣價(jià)格比下的各運(yùn)行模式系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用

可以看出，混合跟隨模式（HETS）在燃?xì)鈨r(jià)格較高時(shí)要優(yōu)于電跟隨模式（FEL），而在燃?xì)鈨r(jià)格較低時(shí)并不省錢。同樣，在燃?xì)鈨r(jià)格較高時(shí)，LP模型的系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用可以趨近于熱跟隨模式（FTL），能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文對(duì)上海一棟酒店建筑配置的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP模型下的全年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算分析，并討論了原動(dòng)機(jī)配置容量和氣電價(jià)格比對(duì)系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用的影響，得出如下結(jié)論：

1）熱跟隨模式（FTL）下系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用最低，LP模型與電跟隨模式（FEL）的下的系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用相同，混合跟隨模式（HETS）相對(duì)電跟隨模式（FEL）可以減少2.5%的熱量浪費(fèi)，但其系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用會(huì)增加2萬(wàn)元。

2）隨著原動(dòng)機(jī)配置容量的增加，各種運(yùn)行模式下的系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用逐漸降低，其中熱跟隨模式（FTL）降低幅度最大，其它模式相對(duì)于熱跟隨模式的差值變大。所有運(yùn)行策略中，熱跟隨模式（FTL）下的系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用最低，混合跟隨模式（HETS）下的系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用最高，LP模型與電跟隨模式（FEL）的系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用相等。

3）在不同氣電價(jià)格下，三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受運(yùn)行策略影響較大。由于中國(guó)電力不能上網(wǎng)，熱跟隨模式（FTL）受到限制，當(dāng)燃?xì)鈨r(jià)格較高時(shí)，采用混合跟隨模式（HETS）或LP模型系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用較低（但LP模型用于實(shí)際運(yùn)行還比較困難），當(dāng)燃?xì)鈨r(jià)格較低時(shí)，無(wú)需利用LP模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可直接采用電跟隨模式（FEL），采用混合跟隨模式（HETS）盡管可減少熱量浪費(fèi)但可能導(dǎo)致系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用增加。