杜宇凡, 姜未汀, 李子涵, 潘衛(wèi)國, 劉 林

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司, 浙江 杭州 310000)

近些年來,我國能源需求增長迅猛,2017年能源消費(fèi)為3.132×1010t油當(dāng)量,占全球能源消費(fèi)總量的23.2%,已經(jīng)成為全世界最大的能源消費(fèi)國[1]。分布式供能系統(tǒng)[2]作為我國能源戰(zhàn)略的重點(diǎn),其供能方式具有規(guī)模小、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn),已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[3-6]。其中,以燃?xì)廨啓C(jī)、江水源熱泵為核心組成的復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng),在樓宇型建筑供能中節(jié)能效果顯著,既能滿足用戶的負(fù)荷需求,又能實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的梯級(jí)利用。

對(duì)此,目前國內(nèi)已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。張廷學(xué)[7]以重慶市某商務(wù)區(qū)建設(shè)的復(fù)合系統(tǒng)項(xiàng)目為例,對(duì)商務(wù)區(qū)采用以天然氣為一次能源進(jìn)行發(fā)電,利用發(fā)電余熱制冷制熱的三聯(lián)供和江水源熱泵復(fù)合系統(tǒng)方案的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行研究,最終為項(xiàng)目提供決策依據(jù)。司鵬飛[8]為了實(shí)現(xiàn)基于全年動(dòng)態(tài)工況的三聯(lián)供和江水源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)化配置,建立了發(fā)電機(jī)、水源熱泵等主要設(shè)備部件變工況條件的熱力模型,并利用長江上游2個(gè)水文的氣象參數(shù),對(duì)比分析了發(fā)電上網(wǎng)和發(fā)電并網(wǎng)兩種形式下復(fù)合系統(tǒng)的配置與運(yùn)行差異。張強(qiáng)[9]通過建立分布式與江水源熱泵復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行編程模擬計(jì)算,以常規(guī)分供系統(tǒng)為比較對(duì)象,對(duì)復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。龍惟定等人[10]以上海世博會(huì)中關(guān)于江水源熱泵的部分作為研究對(duì)象,分析了大型江水源熱泵的應(yīng)用對(duì)黃浦江環(huán)境的影響以及熱泵技術(shù)在世博會(huì)期間的應(yīng)用對(duì)于整個(gè)世博園節(jié)能減排效果的影響。

國內(nèi)對(duì)于分布式復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)的研究大多聚焦于地源熱泵或光伏發(fā)電板與分布式復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng),且大多將復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于大型區(qū)域建筑,而針對(duì)醫(yī)院型建筑的江水源熱泵與分布式復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)的研究略有不足。本文針對(duì)上海某醫(yī)院的分布式供能系統(tǒng),為了減小醫(yī)院的年總成本,提出增加江水源熱泵與原分布式系統(tǒng)組成復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)的兩種方案,在固定設(shè)備和能源價(jià)格的情況下,研究燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)峒敖疁囟茸兓鸬慕礋岜玫男阅芟禂?shù)(Coefficient of Performance,COP)變化對(duì)兩種方案年總運(yùn)行成本的影響,以期為針對(duì)醫(yī)院型建筑的江水源熱泵與分布式復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)的方案選擇提供參考。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案概述

(1) 原分布式系統(tǒng) 該醫(yī)院分布式冷熱電三聯(lián)供分布式系統(tǒng)如圖1所示。用戶的冷負(fù)荷由利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱的煙氣吸收式制冷機(jī)提供;用戶的熱負(fù)荷由利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱的煙水換熱器提供;用戶的電負(fù)荷由電網(wǎng)和燃?xì)廨啓C(jī)共同提供,如果燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電有剩余,可向電網(wǎng)出售。

圖1 原分布式系統(tǒng)

(2) 方案1 添加江水源熱泵至供熱端系統(tǒng)如圖2所示。用戶的冷負(fù)荷由利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱的煙氣吸收式制冷機(jī)提供;用戶的熱負(fù)荷由利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱的煙水換熱器和江水源熱泵共同提供;用戶的電負(fù)荷由電網(wǎng)和燃?xì)廨啓C(jī)共同提供,如果燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電有剩余,可向電網(wǎng)出售。

圖2 方案1

(3) 方案2 添加江水源熱泵至供冷端系統(tǒng)如圖3所示。用戶的冷負(fù)荷由利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱的煙氣吸收式制冷機(jī)和江源源熱泵共同提供;用戶的熱負(fù)荷由利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱的煙水換熱器提供;用戶的電負(fù)荷由電網(wǎng)和燃?xì)廨啓C(jī)共同提供,如果燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電有剩余,可向電網(wǎng)出售。

圖3 方案2

1.2 方案計(jì)算

對(duì)于方案1,用戶的熱負(fù)荷Qr由兩部分提供,即

Qr=Qsr+Qh

(1)

用戶的冷負(fù)荷Qc由煙氣型溴化鋰制冷機(jī)提供。

煙水換熱器需要的煙氣熱量Qrh為

(2)

式中:η——煙水換熱器的換熱效率。

吸收式制冷機(jī)組需要的煙氣熱量Qrc為

(3)

式中:Cc——吸收式制冷機(jī)的COP。

江水源熱泵額定供熱功率為57.1 kW,制冷功率為49.7 kW,此時(shí)江水源熱泵的用電量Esr為

(4)

式中:Cs——江水源熱泵的COP。

此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱Qgt由系統(tǒng)中的煙水換熱器需要的煙氣熱量Qrh與吸收式制冷機(jī)組需要的煙氣熱量Qrc組成,即

Qgt=Qrh+Qrc

(5)

此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的電量平衡可表示為

Esup=Eb+Egt

Esup=Eu+Esr

(6)

整個(gè)系統(tǒng)在“以熱定電”[11-12]的模式下設(shè)計(jì)和運(yùn)行。目前系統(tǒng)共有15臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)供能,夏季和冬季都需要15臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合供能,過渡季節(jié)時(shí)需要停運(yùn)3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī),加裝江水源熱泵和無回?zé)徇\(yùn)行只需關(guān)停多余燃?xì)廨啓C(jī)即可。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱Qgt確定后,燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量Egt也隨之確定。

對(duì)于方案2,用戶的冷負(fù)荷Qc由兩部分提供,即

Qc=Qac+Qsc

(7)

用戶的熱負(fù)荷Qr由煙水換熱器提供。

最后根據(jù)方案1的公式,就可以得到燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱Qgt和方案2的系統(tǒng)電量平衡,即

Qgt=Qrh+Qrc

Esup=Eb+Egt

Esup=Eu+Esc

(8)

其中:當(dāng)Eb>0時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不足,需向電網(wǎng)購電;當(dāng)Eb=0時(shí),燃汽輪機(jī)發(fā)電量與用戶用電量持平,買電量和賣電量均為0;當(dāng)Eb<0時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量有剩余,剩余電量可向電網(wǎng)售出。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

不同季節(jié)水溫變換會(huì)引起江水源熱泵COP發(fā)生變化,本文采用不同COP下系統(tǒng)的年總成本[11]作為系統(tǒng)方案選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)。年總成本包含年運(yùn)行費(fèi)用和初投資折舊費(fèi)用兩部分,即

Ccapital=Coperation+rCinvent

(9)

Coperation=JsDs+JvDv+JtDt

(10)

(11)

式中:Ccapital——系統(tǒng)的年總成本,元;

Coperation——年運(yùn)行費(fèi)用,元;

r——資金回收系數(shù);

Cinvent——初投資費(fèi)用,元;

Js,Jv,Jt——夏季、冬季和過渡季節(jié)的日運(yùn)行費(fèi)用,元;

Ds,Dv,Dt——夏季、冬季和過渡季節(jié)的天數(shù);

i——銀行貸款利率;

m——設(shè)備壽命年限。

日運(yùn)行費(fèi)用J為全天各時(shí)段運(yùn)行費(fèi)用之和[13]。第k時(shí)段的運(yùn)行費(fèi)用為該時(shí)段原動(dòng)機(jī)消耗天然氣費(fèi)用與從電網(wǎng)購電費(fèi)用之和。

(12)

(13)

式中:φele(k)——每時(shí)段電網(wǎng)售電單價(jià),元/kWh;

φgt——燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣單價(jià),元/m3;

Fgt(k)——k時(shí)段的天然氣量,m3;

L——天然氣低位熱值,MJ/m3;

n——燃?xì)廨啓C(jī)能效參數(shù)。

2 案例分析

2.1 用戶參數(shù)

本文以上海某醫(yī)院為例進(jìn)行研究。該用戶分別在夏季(96日)、冬季(110日)和過渡季(159日)典型日24 h內(nèi)的冷、熱、電負(fù)荷變化折線[14]如圖4所示。由圖4可知,在3個(gè)季節(jié)中,用戶基礎(chǔ)電負(fù)荷在一天之中的折線變化趨勢(shì)相近。但是隨著季節(jié)的轉(zhuǎn)換,冷負(fù)荷與熱負(fù)荷的需求相差較大,具體表現(xiàn)為冷負(fù)荷只在夏季有,熱負(fù)荷包括冬季采暖負(fù)荷和衛(wèi)生熱水,3個(gè)季節(jié)中都有衛(wèi)生熱水的供應(yīng),且3個(gè)季節(jié)的衛(wèi)生熱水需求在14:00～21:00時(shí)處于需求高峰期。

圖4 不同季節(jié)用戶典型工作日負(fù)荷

2.2 能源價(jià)格參數(shù)

表1給出了該醫(yī)院系統(tǒng)運(yùn)行所涉及的電價(jià)和天然氣價(jià)格[15]。

表1 電價(jià)及天然氣價(jià)格

2.3 設(shè)備參數(shù)

冷熱電三聯(lián)供和江水源熱泵組成的復(fù)合聯(lián)供系統(tǒng)的主要設(shè)備能效參數(shù),包括燃?xì)廨啓C(jī)滿負(fù)荷發(fā)電量為80 kW[16-17]在有無回?zé)嵯碌陌l(fā)電效率、煙水換熱器效率、江水源熱泵的COP以及制冷機(jī)組的COP,如表2所示[15]。

表2 主要設(shè)備能效參數(shù)

表3給出了該醫(yī)院系統(tǒng)運(yùn)行所涉及的主要設(shè)備成本[12],以單位容量的價(jià)格來確定。

表3 主要設(shè)備成本 單位:元/kW

3 結(jié)果分析

針對(duì)該醫(yī)院的江水源熱泵與分布式復(fù)合系統(tǒng)在不同方案下的年總成本隨江水源熱泵COP變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)有回?zé)釙r(shí)年總成本隨水源熱泵COP變化曲線

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)無回?zé)釙r(shí)年總成本隨水源熱泵COP變化曲線

由圖5可知,當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)有回?zé)釙r(shí),原方案年總成本不變,方案2年總成本隨江水源熱泵COP變化而逐漸降低,但整體變化較小,這主要是因?yàn)檎麄€(gè)用戶只有夏季才需要冷負(fù)荷,而冬季和過度性季節(jié)無需求;方案1的年總成本隨COP變化同樣逐漸降低,但變化幅度較大,取得了較大成果。由圖6可知,當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)無回?zé)釙r(shí),原方案年總成本依然不變,但相對(duì)于有回?zé)嵯碌脑桨改昕偝杀据^低,方案2總成本隨江水源熱泵COP變化而逐漸降低,整體變化仍較小;方案1的年總成本隨COP變化較大,且逐漸降低。對(duì)比圖5和圖6可知,無回?zé)釙r(shí),單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)余熱供應(yīng)多,燃?xì)廨啓C(jī)功率小,其年總成本相對(duì)更低。由此可知,在當(dāng)前條件下,以無回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與江水源熱泵構(gòu)成的復(fù)合供能系統(tǒng)在江水源熱泵置于制熱端時(shí),也即方案1為年總成本最低方案。

4 結(jié) 論

(1) 在本文給定的價(jià)格和設(shè)備能效的條件下,最佳供能方案是燃?xì)廨啓C(jī)無回?zé)釙r(shí)將江水源熱泵置于制熱端,此時(shí)年總成本達(dá)到最小值。

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)有無回?zé)岷椭评錂C(jī)COP變化都對(duì)江水源熱泵與分布式復(fù)合系統(tǒng)方案的選擇影響很大,燃?xì)廨啓C(jī)無回?zé)釙r(shí)的年總成本要低于有回?zé)釙r(shí)的年總成本,且年總成本隨COP增大而逐漸減小。