王子馳 雷炳銀 康利改 張靖 賈娜 孫煒哲

摘要：為尋求能源供給系統(tǒng)在經(jīng)濟一安全一環(huán)保一節(jié)能的協(xié)調，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，構建了一套分布式冷電聯(lián)供系統(tǒng)，主要包括動力子系統(tǒng)、地源熱泵子系統(tǒng)、蓄能子系統(tǒng)。建立了在偏離設計工況時不同設備的性能模型，在此基礎上，以運行費用、CO2排放和一次能源消耗為目標函數(shù)，分析了電負荷跟蹤運行策略、熱負荷跟蹤運行策略、混合跟蹤運行策略和動力設備（PGU）最大效率跟蹤運行策略下系統(tǒng)中各設備的運行時間、運行狀態(tài)及系統(tǒng)總性能的變化。結果表明，與傳統(tǒng)電網(wǎng)購電的分供系統(tǒng)相比，分布式系統(tǒng)的經(jīng)濟性、環(huán)境性較好，一次能源消耗較低。熱負荷跟蹤策略的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性最優(yōu)，運行費用和CO2排放分別降低了32.7%和45.3%;最大效率跟蹤策略經(jīng)濟性最差，但由于PGU機組連續(xù)運行，其一次能源消耗降低最多，為86.7%。不同運行策略結果可為分布式系統(tǒng)的運行提供一定的理論參考。

關鍵詞：石油、天然氣能;CCHP;地源熱泵;運行策略;系統(tǒng)性能

中圖分類號：TK01⁺8文獻標識碼：A doi：10.7535/hbkd.2020yxo2009

傳統(tǒng)分供系統(tǒng)所依賴的化石燃料燃燒引起的環(huán)境問題日益嚴重。在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第21次締約方大會上，中國計劃到2030年，溫室氣體排放單位國內生產(chǎn)總值減少到2005年溫室氣體排放單位國內生產(chǎn)總值的35%～40%，2030年左右CO2排放達峰并爭取提前達峰，一次能源消費比重中非化石能源達到20%左右。依托“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，能源互聯(lián)網(wǎng)不斷尋求系統(tǒng)在經(jīng)濟一安全一環(huán)保一節(jié)能的協(xié)調，分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP系統(tǒng)）在其智能生態(tài)調控與綜合優(yōu)化方面的優(yōu)勢受到了廣泛關注。

目前，CCHP系統(tǒng)在不同功能類型建筑中，如住宅，包括商場、賓館和醫(yī)院等在內的商建和辦公建筑，得到了廣泛應用。實際運行中，受氣象條件及室內熱擾的影響，建筑的冷熱電負荷需求不斷發(fā)生變化，導致系統(tǒng)運行時偏離設計工況。因此，進行系統(tǒng)規(guī)劃設計及調控時，需要在多個影響因素如系統(tǒng)配置、設備容量優(yōu)化、預測技術以及運行策略等之間進行權衡。

運行策略對系統(tǒng)的經(jīng)濟、能耗和環(huán)境等性能的影響至關重要。電負荷跟蹤（FEL）和熱負荷跟蹤（FTL）運行策略是最常用的兩種運行策略。FEL運行策略指任一時刻，PGU機組運行負荷根據(jù)建筑電負荷確定。FTL運行策略指PGU運行狀態(tài)按滿足建筑熱負荷需求確定。MAGO等、WANG等基于兩種常規(guī)運行策略，考慮不同氣候特點和建筑類型分析了系統(tǒng)經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)保性能及綜合性能。在此基礎上，MAGO等、SMITH等提出了一種新的運行策略——混合跟蹤策略（FHL），以不產(chǎn)生多余的回收熱或多余的電為目標，根據(jù)系統(tǒng)熱電比和建筑負荷熱電比，系統(tǒng)運行策略在FEL和FTL之間切換。ZHENG等在系統(tǒng)供能熱電比曲線上獲取距離熱電需求點最近的狀態(tài)點，發(fā)現(xiàn)此策略運行的靈活性和適用性優(yōu)于FEL，F(xiàn)TL和FHL運行策略。WANG等在FEL基礎上提出了一種改進的運行策略，在此策略下，依據(jù)日均電力需求確定PGU的輸出。除針對運行策略研究以外，政策激勵一直是分布式系統(tǒng)的研究熱點，直接影響能源系統(tǒng)的運行與設計。相關激勵政策目前主要有分時電價和碳排放交易等。

緊扣“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”發(fā)展形勢，本文在典型的分布式系統(tǒng)中，使用地源熱泵系統(tǒng)作為輔助裝置，綜合考慮峰平谷電價、反向賣電和碳稅懲罰，以天津市某生態(tài)城辦公建筑分布式系統(tǒng)為研究對象，將運行費用節(jié)約率、CO2減排率和一次能源消耗節(jié)約率三者綜合為目標函數(shù)，分析了夏季某典型日工況下系統(tǒng)供冷、供電結果及性能的變化。

1系統(tǒng)設計

1.1模型構建

構建的分布式供能系統(tǒng)如圖1所示。除PGU機組、熱回收裝置、溴化鋰制冷機組、蓄能水箱外，加入地源熱泵機組輔助，為末端用戶提供冷、熱、電負荷。其基本原理為天然氣驅動PGU機組發(fā)電，同時，煙氣余熱被熱回收裝置回收用于驅動溴化鋰制冷機組制冷。當建筑所需電負荷小于PGU機組發(fā)電量時，多余的發(fā)電量反向賣給電網(wǎng);反之，電網(wǎng)補充不足的電負荷。當回收的熱量大于溴化鋰制冷機組所需熱量時，若此時蓄能水箱未蓄滿，則蓄能直至蓄滿;反之，蓄能水箱補充部分熱量驅動溴化鋰制冷機組。當溴化鋰制冷機組供冷量小于用戶冷負荷時，不足冷量由地源熱泵機組輔助提供。

1.2運行策略

1.2.1電負荷跟蹤（FEL）運行策略

以電負荷為橫坐標、熱負荷為縱坐標，圖2給出了FEL運行策略下的3種情景。圖2中，黑色粗曲線表示系統(tǒng)在供能時的熱電比匹配曲線，Emin，Emax，Qmin和Qmax分別表示系統(tǒng)在最低運行負荷率下的發(fā)電量、額定發(fā)電量、最低負荷率對應的熱回收量、額定熱回收量。

2案例分析

選取天津某生態(tài)城辦公建筑為研究對象，采用清華大學研制的能耗計算軟件DesT進行負荷模擬，模擬獲得的建筑冷負荷和電負荷如圖5所示。圖6給出了天津市當前的階梯電價。表1給出了所選設備額定參數(shù)及其他模擬所用參數(shù)。圖7a）給出了所選PGu機組的電效率和熱效率，圖7b）給出了地源熱泵和溴化鋰制冷機組的COP。

3結果和討論

3.1不同運行策略下的供電結果

圖8給出了不同運行策略下的供電結果。從圖8中可以看出，23：00-7：00間的夜間時段，建筑用戶電負荷很低且小于PGU機組的額定發(fā)電量的25%，冷負荷為零。因此，除PGU最大效率運行策略（Max-eft）外，其他運行策略下PGU機組均不工作，建筑電負荷全部由電網(wǎng)滿足;Max-eff策略下PGU機組連續(xù)運行，且運行負荷遠大于建筑用戶所需負荷，此時，多余電量反向賣給電網(wǎng)。

7：00-23：00間的白天時段，F(xiàn)EL運行策略下，建筑用戶電負荷處于PGU機組最低運行功率與額定負荷之間，所需電負荷全部由PGU機組發(fā)電量提供，若溴化鋰制冷機組制冷量不滿足要求而啟動地源熱泵時，地源熱泵用電全部由電網(wǎng)滿足，從電網(wǎng)買電量共計13506kW·h，占系統(tǒng)總用電量（包括建筑用戶所需電負荷和地源熱泵機組等設備用電）的50.1%。若以FTL運行策略運行時，在熱電比較大的白天，冷負荷較大，驅動溴化鋰制冷機組所需熱量較多，PGU機組滿負荷運行。此時由于12：00和18：00-20：00時間段建筑電負荷較小，發(fā)電量大于建筑所需電量，多余電量反向賣給電網(wǎng)，電網(wǎng)回購電量共計1130.26kW·h，約占PGU機組總發(fā)電量的6%;電負荷、冷負荷其他時間均較高，發(fā)電量不能滿足要求，由電網(wǎng)補充不足電量。此策略下，從電網(wǎng)買電共計8998kW·h，占總用電量的33.7%。

若分布式供能系統(tǒng)采用FHL策略運行，當末端負荷的電熱比較小時，如白天12：00和17：00，為避免產(chǎn)生多余電量，系統(tǒng)以FEL策略運行。反之，以FTL運行策略運行。18：00-7：00，電負荷低于PGU機組最小運行負荷率對應的發(fā)電量，PGU機組不運行。FHL策略下，系統(tǒng)買電量共計14229kW·h，占系統(tǒng)總用電量的52.9%，PGU機組運行時間共計10h。若采用Max-eff運行策略，PGU機組不間斷運行。此策略下，發(fā)電量共計21442kW·h，從電網(wǎng)買電共計13782kW·h，占系統(tǒng)總用電量的53.8%;反向賣電量共計9593.4kW·h。若考慮用反向賣給電網(wǎng)的電量抵消從電網(wǎng)買入的電量，買電量將減少至4188.6kW·h。4種運行策略下發(fā)電量、用電量及發(fā)電占比如表2所示。

3.2不同策略運行下的供冷結果

不同策略下溴化鋰制冷機組供冷量、地源熱泵機組供冷量如圖9所示。從圖9可以看出，與供電結果類似，若PGU機組運行，建筑用戶所需冷負荷優(yōu)先由溴化鋰制冷機組滿足，若溴化鋰制冷機組制冷量不能滿足要求，地源熱泵開啟以提供剩余部分冷量。以FEL策略運行時，溴化鋰制冷機組運行了10h，提供的冷量共計20634kW，占建筑用戶所需冷負荷的49.6%。以FTL策略運行時，由于PGU機組按滿足溴化鋰制冷所需驅動熱量調節(jié)，溴化鋰制冷機組較FEL策略多運行3h，供冷量比FEL策略多7966kW，提高了19.2%。以FHL策略運行時，溴化鋰制冷機組工作時間與FEL相同，供冷量較FEL策略稍有降低，為20461kW。以Max-eff策略運行時，PGU機組不間斷運行，因此，只要建筑用戶所需冷負荷不為零，溴化鋰制冷機組均工作，供冷量共計29164kW，占建筑冷負荷的70.1%。除溴化鋰制冷機組供冷外，若冷負荷仍不能滿足要求，開啟地源熱泵機組輔助供能。

3.3不同運行策略的性能分析

圖10a）-c）分別給出了不同運行策略運行時分供系統(tǒng)和分布式供能系統(tǒng)的逐時運行費用、逐時CO2排放和逐時一次能源消耗，圖10d）給出了不同運行策略運行時，與分供系統(tǒng)相比運行費用、CO2排放和一次能源消耗降低的比例。從圖10可以看出，無論采用哪種策略，分布式供能系統(tǒng)的運行費用、CO2排放和一次能源消耗較分供系統(tǒng)均有不同程度的降低，可見采用分布式供能系統(tǒng)后，系統(tǒng)更加經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)保。

同時，從圖10-a）

c）可以看出，F(xiàn)HL和FEL策略的運行費用、CO2排放和一次能源消耗大致相同。23：00-7：00間的夜間時段，與其他3種策略相比，Max-eft運行策略經(jīng)濟性較差，但由于設置了反向賣電，CO2排放較低，一次能源消耗較小，甚至為負值。中午12：00及晚上17：00-20：00，建筑所需電負荷少、冷負荷較高時，F(xiàn)TL運行策略經(jīng)濟性較好、CO2排放量和一次能源消耗最少。其余時間段內，在FEL，F(xiàn)TL和FHL運行策略下，PGU機組運行負荷率相差很小，運行費用基本相同，分供系統(tǒng)運行費用最高，Max-eft策略在運行費用次之;CO2排放和一次能源消耗變化與運行費用變化趨勢基本相同。另外，還可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TL和Max-eft策略在部分時間段內CO2排放和一次能源消耗值小于零，主要是因為反向賣給電網(wǎng)的電和從電網(wǎng)買的電來源不同，度電排放的CO2和一次能源消耗不同，反向賣給電網(wǎng)的電排放的CO2和一次能源消耗均小于從電網(wǎng)買的電排放的COz和一次能源消耗，致使當反向賣電量較大時，可抵消一部分CO2排放與一次能源消耗，因此，其值可能為負值。

從圖10d）可以看出，F(xiàn)TL策略的日均運行費用節(jié)約率、CO2減排率最優(yōu)，與分供系統(tǒng)相比，其運行費用和CO2排放分別降低了32.7%和和45.25%;Max-eft策略由于PGU機組連續(xù)運行，即使運行反向賣電，其經(jīng)濟性雖然最差，但仍低于分供系統(tǒng)。對一次能源的消耗，Max-eft策略最低，較分供系統(tǒng)降低了86.7%，其次為FTL策略，為74.4%。不同運行策略下日均統(tǒng)計結果見表3。

4結論

本文構建了一套耦合地源熱泵機組的分布式供能系統(tǒng)，對比給出了4種運行策略下各設備的供電、供冷結果及系統(tǒng)運行費用、CO2排放量和一次能源消耗的變化。結果表明，PGU機組運行時間除Max-eft策略不間斷運行外，F(xiàn)TL策略下PGU機組運行13h，F(xiàn)EL和FHL策略下PGU機組運行10h。FTL運行策略下PGU機組發(fā)電量共計18812.5kW·h，溴化鋰制冷機組供冷量共計28600kW，發(fā)電占總用電量的70%，溴化鋰制冷占建筑所需冷負荷的68.8%，與FEL策略相比制冷量提高了19.2%。與分供系統(tǒng)相比，F(xiàn)TL策略有很好的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性;Max-eft經(jīng)濟性最差，但一次能耗降低最多。

本文是在負荷特性和設備特性已知的前提下，對分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行的運行策略對比分析研究，實際運行中，由于天氣等室外氣象條件或人員在室率等室內熱擾的變化、冷負荷的形成在不同傳輸環(huán)節(jié)下具有一定的滯后性，有可能導致系統(tǒng)運行決策失誤。因此，有必要針對建筑負荷特性及隨動規(guī)律，建立精準的預測模型，開展不同設備組合形式下的動態(tài)優(yōu)化，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時優(yōu)化匹配。