羅正意, 邵雪奎

(1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 引言

在全球化石能源的枯竭和氣候變暖的大背景下，綜合能源系統(tǒng)(Integrated energy systems,IES))由于其綠色高效的特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。綜合能源系統(tǒng)被認(rèn)為是未來(lái)社會(huì)能源的主要承載形式，特指在規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和管理等過(guò)程中，通過(guò)對(duì)能源的產(chǎn)生、輸配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。

科學(xué)合理地選擇綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行策略對(duì)發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能減排效果至關(guān)重要。當(dāng)前，對(duì)綜合能源系統(tǒng)基本運(yùn)行策略的研究主要集中在以下3種：(1)以電定熱(Following the Electric Load，F(xiàn)EL)[1]，也可稱之為電跟隨模式(Electric Demand Management，EDM)，聯(lián)供系統(tǒng)動(dòng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電優(yōu)先滿足用戶電負(fù)荷需求，發(fā)電產(chǎn)生的余熱滿足用戶熱負(fù)荷需求，若余熱供熱量不足，則由輔助鍋爐補(bǔ)充，而過(guò)剩的熱量存儲(chǔ)或排空。(2)以熱定電(Following the Thermal Load，F(xiàn)TL)[2]，又叫熱跟隨模式(Thermal Demand Management，TDM)，聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)先滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求，不足電量從公共電網(wǎng)購(gòu)電，對(duì)于多余電量按目前政策一般進(jìn)行存儲(chǔ)或排空，而不能接入公共電網(wǎng)。(3)近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)一步研究，提出了一種混合運(yùn)行策略(Following a Hybrid Electric—thermal Load, FHL)[3-4]，根據(jù)不同工況下用戶熱負(fù)荷和電負(fù)荷的相對(duì)大小關(guān)系，系統(tǒng)選擇以熱定電或以電定熱的策略運(yùn)行，不足的電能則從電網(wǎng)補(bǔ)充，不足的熱量由輔助鍋爐提供，避免了單一運(yùn)行方式下電能或熱能的浪費(fèi)。然而，對(duì)于不包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)而言，F(xiàn)EL、FTL、FHL等運(yùn)行策略并不適用。大量的研究[5-6]表明傳統(tǒng)的化石能源與太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉粗g具有互補(bǔ)性，可以很好地彌補(bǔ)各自單獨(dú)應(yīng)用的缺陷。隨著可再生能源在綜合能源系統(tǒng)中大規(guī)模的應(yīng)用[7-8]，針對(duì)不包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)提出一種多能互補(bǔ)的運(yùn)行策略迫在眉睫。

本文以長(zhǎng)沙市某室內(nèi)游泳館綜合能源系統(tǒng)為工程案例，基于系統(tǒng)的各種輸入能源之間的互補(bǔ)特性，提出一種多能互補(bǔ)的運(yùn)行策略，分別在傳統(tǒng)的運(yùn)行策略和多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下，對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和能效性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 工程概述

表1 游泳館四個(gè)季節(jié)典型日負(fù)荷需求 單位：kWh

表2 長(zhǎng)沙市四個(gè)季節(jié)典型日室外環(huán)境參數(shù)

3 綜合能源系統(tǒng)

3.1 能量樞紐模型

游泳館的綜合能源系統(tǒng)以太陽(yáng)能、地?zé)帷⒖諝饽?、天然氣和電網(wǎng)購(gòu)電為能量來(lái)源，聯(lián)合使用太陽(yáng)能光伏電池板、平板太陽(yáng)能集熱器、土壤源熱泵、空氣源熱泵、燃?xì)忮仩t、蓄電池、儲(chǔ)熱水箱、板式換熱器等設(shè)備，以滿足其電負(fù)荷、空調(diào)冷負(fù)荷、空調(diào)熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷需求?；凇澳芰繕屑~(Energy Hub, EH)”的概念[9]，構(gòu)建的系統(tǒng)EH模型如圖1所示，清楚地描述了系統(tǒng)內(nèi)部能量的流動(dòng)關(guān)系及耦合機(jī)制。系統(tǒng)各設(shè)備的容量、經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表3所示。

圖1 游泳館綜合能源系統(tǒng)EH模型結(jié)構(gòu)圖

表3 游泳館綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)

3.2 設(shè)備數(shù)學(xué)模型

為了提高設(shè)備建模的精度，獲取更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本文在對(duì)游泳館綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備建模時(shí)，充分考慮設(shè)備的變工況特性，具體建模過(guò)程如下。

(1)光伏電池板。光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣影響較大，其發(fā)電功率除了跟光伏電池板的安裝面積有關(guān)，還取決于外界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和光伏電池板的能量轉(zhuǎn)化效率，可以表示為式(1)，其中電池板的能量轉(zhuǎn)化效率隨外界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室外環(huán)境溫度的變化而變化，可由式(2)計(jì)算得到[10]。

(1)

(2)

(2)平板太陽(yáng)能集熱器。與光伏電池板類似，平板太陽(yáng)能集熱器的輸出功率取決于太陽(yáng)能集熱器的安裝面積、外界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和集熱器的能量轉(zhuǎn)化效率。其中，集熱器的效率跟太陽(yáng)輻射以及集熱器本身的參數(shù)有關(guān)[11]。

(3)

(4)

(3)土壤源熱泵。土壤源熱泵的輸出功率取決于性能系數(shù)和負(fù)荷情況，如式(5)所示，而性能系數(shù)取決于土壤源熱泵自身的變工況特性，游泳館的綜合能源系統(tǒng)采用的是垂直單U埋管的土壤源熱泵，其變工況特性可以用式(6)描述[12]。

(5)

FPL=0.8337+0.1967RPL-0.03778RPL2+0.0073RPL3

(6)

(7)

(8)

(4)空氣源熱泵。類似的，游泳館的綜合能源系統(tǒng)采用的空氣源熱泵是變速空氣-水熱泵，其數(shù)學(xué)模型如公式(9)所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

(5)燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t的輸出功率跟其制熱效率和負(fù)荷情況有關(guān)，如式(13)所示，而制熱效率取決于鍋爐自身的變工況特性，其變工況特性可以用式(14)描述，燃?xì)忮仩t的模型如下式所示[13]：

(13)

(14)

(15)

(16)

(6)儲(chǔ)能裝置。游泳館的綜合能源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置采用鉛酸蓄電池和顯熱儲(chǔ)熱水箱。通過(guò)可逆的化學(xué)反應(yīng)，蓄電池實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，其數(shù)學(xué)模型如公式(17)所示[14-15]：

(17)

類似的，顯熱儲(chǔ)熱水箱其數(shù)學(xué)模型如公式(18)所示[14-15]：

(18)

4 運(yùn)行策略

綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行策略主要包括啟發(fā)式運(yùn)行策略和優(yōu)化運(yùn)行策略兩種類型，啟發(fā)式運(yùn)行策略根據(jù)事先擬定的設(shè)備啟停優(yōu)先級(jí)制定系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則；優(yōu)化運(yùn)行策略考慮一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的運(yùn)行成本，以調(diào)度周期內(nèi)的總成本最低為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，獲取系統(tǒng)的運(yùn)行策略。本文主要探討啟發(fā)式的運(yùn)行策略。

4.1 傳統(tǒng)運(yùn)行策略

傳統(tǒng)運(yùn)行策略下，冷、熱、電等網(wǎng)絡(luò)彼此之間無(wú)耦合，運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立。游泳館綜合能源系統(tǒng)傳統(tǒng)運(yùn)行策略下，電負(fù)荷由太陽(yáng)能電池板、蓄電池和電網(wǎng)滿足，光伏電池板發(fā)電首先用于滿足用戶電負(fù)荷需求，富余的電能存儲(chǔ)在蓄電池中；當(dāng)光伏電池板發(fā)電不足以滿足用戶電負(fù)荷需求時(shí)，蓄電池放電來(lái)提供電力短缺的部分，若蓄電池仍不能滿足剩余的電力需求，從電網(wǎng)中購(gòu)電?？照{(diào)冷、熱負(fù)荷由土壤源熱泵和空氣源熱泵共同提供，空調(diào)冷、熱負(fù)荷首先由土壤源熱泵滿足，當(dāng)土壤源熱泵滿足時(shí)，開啟空氣源熱泵。熱水負(fù)荷由平板太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱和燃?xì)忮仩t共同提供，平板太陽(yáng)能集熱器首先用于滿足用戶熱水負(fù)荷需求，富余的熱水存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱水箱中；當(dāng)平板太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱身無(wú)法滿足用戶熱水負(fù)荷需求時(shí)，儲(chǔ)熱水箱放熱，若仍不能滿足，燃?xì)忮仩t開啟提供剩余所需的熱量。

4.2 多能互補(bǔ)運(yùn)行策略

前文已提到，F(xiàn)EL、FTL、FHL等運(yùn)行策略并不適用于不包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)?；诓煌茉粗g的互補(bǔ)性制定綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行策略，來(lái)提高能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、能效性、穩(wěn)定性和安全性，已經(jīng)取得廣泛共識(shí)，并有了不少成功應(yīng)用[15]?，F(xiàn)有研究表明傳統(tǒng)的化石能源、太陽(yáng)能、空氣能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉粗g具有互補(bǔ)性[16-19]。太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能低溫集熱、土壤源熱泵、空氣源熱泵、燃?xì)忮仩t等技術(shù)已發(fā)展成熟，可滿足用戶對(duì)熱水、區(qū)域供冷/供熱、電能的需求。然而，太陽(yáng)能具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，能量密度低，利用太陽(yáng)能發(fā)電或集熱容易受到晝夜、天氣、季節(jié)等不利因素的制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供能；空氣能利用技術(shù)受外界環(huán)境的影響較大；地?zé)崮芟鄬?duì)穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)供能，能量密度同樣較低，但其開發(fā)利用又受到經(jīng)濟(jì)性和場(chǎng)地空間的限制；天然氣能量密度高，可以滿足用戶沖擊負(fù)荷的需求，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供能，但經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較低。由此可見，太陽(yáng)能、地?zé)崮?、空氣能、天然氣在時(shí)間、空間和品位方面具有很好的互補(bǔ)性，充分利用這種互補(bǔ)性可以很好地彌補(bǔ)各自在單獨(dú)應(yīng)用上的缺陷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定低成本的供能。

本文針對(duì)游泳館的綜合能源系統(tǒng)提出了一種啟發(fā)式的多能互補(bǔ)運(yùn)行策略，具體介紹如下：

(1)電力供應(yīng)策略。與傳統(tǒng)運(yùn)行策略下的電力供應(yīng)策略類似，光伏電池板發(fā)電首先用于滿足用戶電負(fù)荷需求，富余的電能存儲(chǔ)在蓄電池中，無(wú)法滿足用戶用電需求時(shí)，蓄電池放電，若仍不能滿足，則從電網(wǎng)中購(gòu)電。

(2)冷量供應(yīng)策略。游泳館的冷負(fù)荷需求為空調(diào)制冷所需的冷量。空調(diào)冷負(fù)荷首先由土壤源熱泵提供，當(dāng)土壤源熱泵提供的冷量不足以滿足空調(diào)冷負(fù)荷需求時(shí)，空氣源熱泵開啟以滿足剩余部分空調(diào)冷負(fù)荷。需要注意的是，當(dāng)平板太陽(yáng)能集熱器和儲(chǔ)熱水箱提供的熱水不能滿足熱水負(fù)荷需求時(shí)，土壤源熱泵和空氣源熱泵中空余的容量用來(lái)生產(chǎn)熱水以滿足熱水負(fù)荷。

(3)熱量供應(yīng)策略。游泳館的熱負(fù)荷需求為空調(diào)制熱及恒溫泳池池水加熱所需的熱量。與電力供應(yīng)策略類似，平板太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱水首先滿足熱負(fù)荷需求。如果平板太陽(yáng)能集熱器提供的熱量有富余，富余的熱水存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱水箱中；當(dāng)平板太陽(yáng)能集熱器無(wú)法同時(shí)滿足空調(diào)制熱及恒溫泳池池水加熱的熱負(fù)荷時(shí)，平板太陽(yáng)能集熱器首先用來(lái)供應(yīng)恒溫泳池池水加熱所需的熱量；如果平板太陽(yáng)能集熱器可以滿足該部分負(fù)荷，那么平板太陽(yáng)能集熱器中富余的熱水和儲(chǔ)熱水箱中儲(chǔ)存的熱水用于提供空調(diào)制熱所需的熱量，此時(shí)若不能滿足空調(diào)熱負(fù)荷，剩余的空調(diào)熱負(fù)荷將依次由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t提供，直至滿足為止；否則，剩余的池水加熱負(fù)荷和空調(diào)熱負(fù)荷由儲(chǔ)熱水箱、土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t共同承擔(dān)。若儲(chǔ)熱水箱可以滿足剩余的池水加熱熱負(fù)荷，儲(chǔ)熱水箱將繼續(xù)放熱以提供空調(diào)供熱需求，此時(shí)若儲(chǔ)熱水箱提供的熱量不足以滿足空調(diào)熱負(fù)荷，那么剩余部分的空調(diào)熱負(fù)荷依次由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t提供，直至滿足為止；若儲(chǔ)熱水箱無(wú)法滿足剩余的池水加熱熱負(fù)荷，則將由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t承擔(dān)空調(diào)熱負(fù)荷，其中未被利用的容量可用來(lái)滿足剩余的池水加熱負(fù)荷。

5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

5.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性一直以來(lái)都是用戶比較關(guān)注的問(wèn)題。本文采用年值法計(jì)算游泳館綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)年總費(fèi)用( Annual Total Cost，ATC) 包括年運(yùn)行費(fèi)用和年維護(hù)費(fèi)用兩部分，以公式(19)表示：

(19)

表4 長(zhǎng)沙市天然氣和外購(gòu)電價(jià)格

5.2 環(huán)保性指標(biāo)

近年來(lái)，隨著全球氣候變化，世界各國(guó)越來(lái)越關(guān)注溫室氣體的排放，特別是CO2的排放。因此本文將CO2年排放量(Annual Total CO2Emissions, ATE)作為系統(tǒng)環(huán)保性評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)CO2年排放量越小，系統(tǒng)越環(huán)保。游泳館綜合能源系統(tǒng)的CO2年排放量可用公式(20)計(jì)算：

(20)

5.3能效性指標(biāo)

在當(dāng)前使用的多種評(píng)價(jià)能源系統(tǒng)的能效性的指標(biāo)中，基于熱力學(xué)第一定律的一次能源利用率較為常見。一次能源利用率(Primary Energy Ratio,PER)指的是需求側(cè)系統(tǒng)輸出總能量與供給側(cè)一次能源消耗量的比值，系統(tǒng)一次能源利用率越高，說(shuō)明系統(tǒng)的節(jié)能性越好。游泳館綜合能源系統(tǒng)的一次能源利用率可以用公式(21)計(jì)算：

(21)

6 結(jié)果與討論

根據(jù)建立的綜合能源系統(tǒng)的模型以及系統(tǒng)的運(yùn)行策略，在MATLAB中模擬系統(tǒng)在春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)典型日的運(yùn)行情況，各典型日持續(xù)時(shí)間分別為77 d、102 d、61 d和125 d，據(jù)此計(jì)算分析系統(tǒng)在傳統(tǒng)運(yùn)行策略和多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下的性能表現(xiàn)。

6.1 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)四個(gè)季節(jié)典型日各時(shí)段系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，以及各典型日的天數(shù)計(jì)算得到的四個(gè)季節(jié)兩種運(yùn)行策略下的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用如圖2所示。在春季、秋季和冬季，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于傳統(tǒng)運(yùn)行策略，比傳統(tǒng)運(yùn)行策略下的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用分別低約21.5%、6.8%和24.8%，且在冬季尤為顯著；在夏季，兩種運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性一樣。在傳統(tǒng)運(yùn)行策略和多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下，系統(tǒng)的年運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用分別為176 810元/a、147 420元/a，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下的年運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的減少了約16.7%。因此，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略比傳統(tǒng)的運(yùn)行策略具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 兩種運(yùn)行策略下不同季節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用

6.2 環(huán)保性分析

系統(tǒng)的環(huán)保性采用CO2年排放量指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。如圖3所示，兩種運(yùn)行策略下，四個(gè)季節(jié)CO2排放量的差距并不明顯，其中，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下，春季、秋季和冬季的CO2排放量?jī)H比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的增加了約17.4%、8.2%和3.7%，夏季二者的CO2排放量相同，均為55 799 kgCO2。傳統(tǒng)運(yùn)行策略和多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下，系統(tǒng)的CO2年排放量分別為164 050、170 640 kg/a，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下的CO2年排放量?jī)H比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的增加了約4%。因此，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略的環(huán)保性僅略低于傳統(tǒng)的運(yùn)行策略。

圖3 兩種運(yùn)行策略下不同季節(jié)系統(tǒng)的CO2排放量

6.3 能效性分析

系統(tǒng)的能效性采用一次能源利用率指標(biāo)來(lái)衡量。如圖4所示，兩種運(yùn)行策略下，春季、秋季和冬季的一次能源利用率差距較為明顯，夏季的一次能源利用率相同。其中，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下春季、秋季和冬季的一次能源利用率分別比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的增加了約260%、72.5%和192%，夏季二者的一次能源利用率均為5.1。傳統(tǒng)運(yùn)行策略和多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下，系統(tǒng)的年平均一次能源利用率分別為1.8和3.9，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下的年平均一次能源利用率比傳統(tǒng)運(yùn)行策略增加約117%。因此，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略比傳統(tǒng)的運(yùn)行策略具有更高的能效性。

圖4 兩種運(yùn)行方式下不同季節(jié)系統(tǒng)的一次能源利用

7 結(jié)論

基于綜合能源系統(tǒng)輸入的不同能源在時(shí)間、空間和品位方面的互補(bǔ)性的多能互補(bǔ)運(yùn)行策略比傳統(tǒng)策略更具有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)運(yùn)行策略和多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和能效性的分析表明：多能互補(bǔ)運(yùn)行策略下系統(tǒng)的年運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的減少了約16.7%，年平均一次能源利用率比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的增加約117%，但CO2年排放量?jī)H比傳統(tǒng)運(yùn)行策略的增加了4%，綜合考慮三因素，多能互補(bǔ)運(yùn)行策略比傳統(tǒng)運(yùn)行策略更具有優(yōu)勢(shì)。