馬 濤, 任洪波, 吳 瓊

(上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090)

中國作為城市化發(fā)展最快速的發(fā)展中國家,到2020年建筑總面積已達到600億m2,常住人口城鎮(zhèn)化率超過60%,未來20年將進一步提升至75%[1-2]?？焖俚某鞘谢M程面臨很大的能源挑戰(zhàn)。以2018年為例,我國一年建筑運行的總能耗約為標準煤10億t,約占全國能源消費總量的22%。隨著城市化進程的加快,我國建筑能耗占能源總消費量的比例最終將上升至35%左右。目前,我國處于建設鼎盛期,每年建成的房屋面積超過所有發(fā)達國家年建成建筑面積的總和,而97%以上是高能耗建筑[3-5]。因此,如果不注重建筑節(jié)能設計與實施,將加劇能源危機[6-7]。節(jié)能減排、綠色發(fā)展的理念被越來越多的國家認可,這表明建筑用能將成為節(jié)能減排關注的重點領域之一[8]。同時,利用各種類型建筑負荷的達峰時間不一致,通過配比多種類型建筑負荷,可以平抑建筑群的總負荷[9]。圍繞建筑群節(jié)能減排形成了綠色建筑群概念,但目前綠色建筑群的能源系統(tǒng)規(guī)劃設計缺少對負荷動態(tài)特性分析。特定建筑群的資源能源供需平衡,不僅表現(xiàn)在一年間的總量平衡,更多地體現(xiàn)在需求負荷動態(tài)變化時的供應可靠性。建筑群混合集中供能可以平滑負荷波動性,實現(xiàn)負荷均衡性最好、波動性最小的目標[10-12]。我國許多城市逐漸出現(xiàn)了城市綜合體等概念,就需要將商場、辦公、住宅、賓館、娛樂等建筑功能進行組合。區(qū)域建筑的功能組合與業(yè)態(tài)配比研究,是其能否充分發(fā)揮聚集效應、提高資源綜合利用水平的核心環(huán)節(jié),并能夠在很大程度上提高能源節(jié)能減排效果和增強負荷穩(wěn)定性[13-15]。

本文采用情景分析法對不同類型城市綜合體進行分析,以負荷特性(負荷均衡性、年負荷率和負荷波動率)和區(qū)域節(jié)能減排率為指標進行評價,從而為區(qū)域能源系統(tǒng)合理規(guī)劃提供有力的數(shù)據支持。

1 區(qū)域分布式能源系統(tǒng)評價方法

1.1 整體研究思路

本文通過情景分析法對不同業(yè)態(tài)主導型城市綜合體進行分析。通過對建成和在建的城市綜合體調研分析表明,65%以上的城市綜合體都含有商業(yè)、辦公、賓館和住宅4大功能建筑,為此本文設定以下4種典型綜合體類型:商業(yè)主導型、賓館主導型、辦公主導型和住宅主導型。主導業(yè)態(tài)開發(fā)比例不小于50%,且為綜合體發(fā)展的核心驅動力,其他功能作為輔助。其中,商業(yè)主導型是目前應用最廣泛、研究最多的城市綜合體類型[16-19]。

1.2 能源系統(tǒng)物理模型

本文以區(qū)域建筑群為研究對象,構建分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源系統(tǒng)數(shù)學模型。圖1為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)產能流圖。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)采用分供系統(tǒng),電負荷由電網供應,冷負荷由電制冷供應,熱負荷由鍋爐供應。區(qū)域分布式能源系統(tǒng)設計采用以電定熱策略,電負荷主要由原動機提供,同時通過余熱回收來供應部分冷熱負荷。若所回收的余熱不能滿足用戶的冷熱負荷需求時,不足的冷熱負荷分別由電制冷和鍋爐進行補充。對于分布式能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)而言,系統(tǒng)的能量平衡可以從冷、熱、電3個角度闡述。冬季時,用戶電負荷主要由原動機滿足,熱負荷部分由余熱滿足,不足的由鍋爐補足;夏季時,用戶電負荷主要也由原動機滿足,冷負荷可通過吸收式冷水機組滿足,不足部分由電制冷機彌補;過渡季時,三聯(lián)供系統(tǒng)不運行,用戶電負荷主要從電網購電。

圖1 傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)產能流圖

1.3 能源系統(tǒng)數(shù)學模型

1.3.1 需求側模型

本文主要通過對比4種類型城市綜合體內的建筑配比,分析建筑混合對分布式能源系統(tǒng)節(jié)能減排率和負荷特性的影響。根據相關文獻,構建能源系統(tǒng)能耗模型[20-21]。首先通過eQUEST建筑負荷模擬軟件得到4種功能建筑的全年冷、熱、電逐時負荷;再根據不同功能建筑混合比例,計算出混合后的全年冷、熱、電逐時負荷。其計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

式中:Cci,Hci,Eci——混合后的冷、熱、電逐時負荷,kW;

n——建筑數(shù)量;

bk——第k種建筑所占的比例,%;

i——小時數(shù),取值范圍為[1,8 760];

Cki,Hki,Eki——第k建筑的冷、熱、電逐時負荷,kW。

系統(tǒng)需求側不同建筑混合比例約束條件為

0≤bk≤1

(4)

(5)

1.3.2 供給側模型

(1)傳統(tǒng)能源系統(tǒng)。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)主要由電網和鍋爐組成,以此構建數(shù)學模型計算系統(tǒng)全年一次能源消耗量,即

Q′to=Q′gr+Q′bo

(6)

式中:Q′to——傳統(tǒng)能源系統(tǒng)全年一次能源消耗總量,kg;

Q′gr——電網購電折算的一次能源消費量,kg;

Q′bo——燃氣鍋爐燃料全年消耗量,kg。

Q′gr由電網供電效率及供電量決定,所述能耗模型為

(7)

式中:kcop,ec——電制冷機性能系數(shù);

ηgr——電網供電效率,%。

鍋爐燃料消費量模型為

(8)

式中:ηbo——鍋爐熱轉換效率,%。

(2)分布式能源系統(tǒng)。由于本文中區(qū)域分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供按季節(jié)供應,因此系統(tǒng)年一次能源消費量按季節(jié)計算整合,即

Qto=Qchp1+Qbo+Qchp2+Qgr1+Qgr2

(9)

式中:Qto——分布式能源系統(tǒng)年一次能源消費總量,kg;

Qchp1,Qchp2——冬季和夏季燃氣內燃機燃料消費量,kg;

Qbo——燃氣鍋爐燃料消費量,kg;

Qgr1，Qgr2——夏季和過渡季電網購電所折算的一次能源消費量,kg。

冬季(3個月,按2 208 h計算)熱電聯(lián)供時能耗模型為

(10)

(11)

夏季冷電聯(lián)供時能耗模型為

(12)

(13)

式中:kcop,ab——吸收式制冷機性能系數(shù),%。

過渡季(6個月,按4 344 h計算)能耗模型為

(14)

(3)能源供需平衡。分布式能源系統(tǒng)冷、熱、電負荷皆實現(xiàn)平衡才為系統(tǒng)能量平衡,即

(15)

(16)

(17)

(4)設備特性約束。燃氣內燃機在部分負荷變工況運行時,發(fā)電效率和余熱回收效率會根據負荷率發(fā)生變化,因此燃氣內燃機的熱、電出力也隨之變化。根據相關文獻并結合相關設備的研究分析,對分布式能源系統(tǒng)燃氣內燃機的發(fā)電效率和余熱回收效率的關系方程設定如下。

(18)

(19)

(20)

式中:fi——負荷率,%;

EN——燃氣內燃機額定容量,kW;

同時,系統(tǒng)核心設備應在合適的負荷率下運行;若運行負荷率過低,會對設備產生物理性傷害。因此設備負荷率應滿足如下條件,即

20%≤fi≤100%,?i

(21)

1.4 評價指標

1.4.1 節(jié)能減排率

通過不同功能建筑混合確定混合后區(qū)域的冷、熱、電負荷,分別計算傳統(tǒng)能源系統(tǒng)和天然氣分布式能源系統(tǒng)年一次能源消耗量,利用節(jié)能率(Energy Saving Rate,ESR)對應用天然氣分布式能源系統(tǒng)進行評價,得到最優(yōu)的建筑混合比例。ESR的計算式為

(22)

與ESR相似,對比傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與天然氣分布式能源系統(tǒng),分析不同建筑混合對減排率(Emission Reduction Rate,ERR)的影響。

(23)

式中:C′to——傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的碳排放量,kg;

Cto——天然氣分布式能源系統(tǒng)碳排放量,kg。

C′to=Q′gr·μplant+Q′bo·μgas

(24)

Cto=Qgr·μplant+(Qchp+Qbo)·μgas

(25)

式中:μplant,μgas——電廠和天然氣的碳排放系數(shù),kg/kWh。

1.4.2 負荷特性

基于平均負荷與最大負荷比值的平準化率經常被用來表示負荷特性的指標。但負荷平準化率評價指標太過單一,因此本文提出了負荷均衡率、年負荷率和負荷波動率3個評價指標。

(1) 負荷均衡率(Load Balancing Rate,LBR)可定義為全年各月最大負荷的平均值與年最大負荷的比值。負荷均衡率越大,表明一年內月最大負荷變化的均衡性越好。

(26)

式中:Mmax——全年各月最大負荷,kW;

Ymax——年最大負荷,kW。

(2) 年負荷率(Annual Load Rate,ALR)可定義為基于月不均衡系數(shù)的一年平均值。月不均衡系數(shù)為月平均負荷與月內最大負荷日平均負荷的比值。年負荷率越高,表明負荷變化越小,負荷分配越均衡。

(27)

式中:Madv——月平均負荷,kW;

Dadv——月內最大負荷日平均負荷,kW。

(3) 負荷波動率(Load Fluctuation Rate,LFR)可定義為最大負荷與最小負荷之差與最大負荷的比值,取一年日峰谷差率的平均值。負荷波動率越小,表明負荷越穩(wěn)定。

(28)

式中:Lmax,Lmin——每日最大和最小負荷,kW。

本文考慮的是冷熱電聯(lián)合供應,因此引入權重因子確定綜合負荷特性,即

C=a1cc+a2ch+a3ce

(29)

式中:C——3個綜合評價指標;

a1,a2,a3——冷、熱、電負荷的權重因子;

cc,ch,ce——冷、熱、電負荷的評價指標。

本文中,冷、熱、電負荷取相同權重進行計算。

2 算例概述

2.1 研究對象

本文選取上海地區(qū)4種典型建筑類型:商場建筑、辦公建筑、賓館建筑和住宅建筑作為研究對象。構建典型建筑模型,其輸入參數(shù)如表1所示。圍護結構、室內設計參數(shù)、內擾(人員、設備、照明)等負荷模擬所需參數(shù)均參照相關標準和規(guī)范要求進行設置。

表1 典型建筑模型輸入參數(shù)

利用eQUEST軟件對4種建筑的全年逐時負荷進行模擬,得到其全年逐時負荷。

通過情景分析法對規(guī)劃區(qū)域中的商場、酒店、辦公、住宅4種典型建筑類型進行配比,并對各類型城市綜合體的節(jié)能減排率和負荷特性進行分析。圖2為4種類型建筑典型日冷、熱、電逐時負荷曲線。其中,冷負荷選取的是夏季典型日,熱負荷選取的是冬季典型日,電負荷選取的是過渡季典型日。

圖2 4種典型建筑典型日冷、熱、電逐時負荷

由圖2可知,不同功能建筑的逐時負荷具有明顯的差異性。賓館全天冷熱電負荷都相對比較穩(wěn)定,并且電負荷在晚間都稍有增加。住宅負荷主要集中在早晚間,并且晚間一般會高于早間,白天相對很低,這是由于白天住宅人員基本都外出了。商場和辦公建筑的負荷主要集中于白天,早晚間負荷很低,具有典型的“負荷潮汐”現(xiàn)象。

2.2 參數(shù)設定

本文選擇燃氣內燃機為原動機,其裝機容量的選取依據混合建筑最大逐時熱負荷乘以一定比例確定;余熱利用設備包括吸收式冷水機組和電制冷機組;系統(tǒng)設備還包括燃氣鍋爐,以滿足用戶不足的熱負荷需求。系統(tǒng)各設備技術參數(shù)如表2所示。其中,燃氣內燃機的發(fā)電效率和熱回收效率會隨負荷率的變化發(fā)生改變,具體如圖3所示。

表2 各設備技術參數(shù)

圖3 燃氣內燃機部分負荷下發(fā)電效率和余熱回收效率

由圖3可知,隨著負荷率的升高，燃氣內燃機的發(fā)電效率逐漸上升,余熱回收效率逐漸下降,具體參數(shù)設定可參考文獻[22]。

2.3 情景設置

規(guī)劃區(qū)域共有商場、酒店、辦公、住宅 4 種類型建筑,根據商場、酒店、辦公、住宅面積占綜合體面積比例進行配比。為簡化計算,4種類型建筑分別每隔10%取一值,可得到各類型城市綜合體的業(yè)態(tài)組合情景,共40種情景,如圖4所示。商業(yè)主導型、酒店主導型、辦公主導型和居住主導型均各設置10種情景。

圖4 不同類型城市綜合體情景設置

3 結果討論

3.1 區(qū)域負荷特性分析

根據逐時能耗數(shù)據和所有建筑面積,得到建筑單位面積能耗?；诓煌瑯I(yè)態(tài)主導型城市綜合體的建筑業(yè)態(tài)配比,通過上述的數(shù)學模型可計算出所有城市綜合體不同業(yè)態(tài)配比下的負荷特性(負荷均衡性、年負荷率和負荷波動率),如表3～表6所示。

表3 商業(yè)主導型城市綜合體負荷特性

表4 賓館主導型城市綜合體負荷特性

表5 辦公主導型城市綜合體負荷特性

表6 住宅主導型城市綜合體負荷特性

(1) 商業(yè)主導型城市綜合體的負荷均衡率、年負荷率和負荷波動率變化范圍分別為87.73%～90.48%,65.37～68.45%,87.53%～92.92%。在10種情景下,最大負荷均衡率是情景2,其值為90.48%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為5∶1∶2∶2;最高年負荷率是情景6,其值為68.45%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為5∶3∶1∶1;最小負荷波動率是情景4,其值為87.53%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為5∶2∶1∶2。與此同時,3個負荷特性最佳值都是商業(yè)建筑占比50%情景下的。相對而言,情景4的負荷特性最佳,因為其負荷波動率最佳,負荷均衡率和年負荷率都位列第2,相對來說最穩(wěn)定高效。

(2) 賓館主導型城市綜合體的負荷均衡率、年負荷率和負荷波動率變化范圍分別為83.31%～91.91%,64.26～69.26%,73.38%～79.98%。在10種情景下,最大負荷均衡率是情景5,其值為91.91%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為2∶5∶2∶1;最高年負荷率是情景6,其值為69.26%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為3∶5∶1∶1;最小負荷波動率是情景10,其值為73.38%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為1∶7∶1∶1。相對而言,賓館主導型城市綜合體下的賓館占比越大,負荷波動率越小,負荷越穩(wěn)定。

(3) 辦公主導型城市綜合體的負荷均衡率、年負荷率和負荷波動率變化范圍分別為90.09%～93.38%,54.65%～61.17%,82.45%～90.68%。在10種情景下,最大負荷均衡率是情景2,其值為93.38%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為2∶1∶5∶2;最高年負荷率是情景6,其值為61.17%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為3∶1∶5∶1;最小負荷波動率是情景3,其值為82.45%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為1∶3∶5∶1。相對而言,辦公主導型城市綜合體下的辦公建筑占比越小,年負荷率越大,負荷分配越均衡。

(4) 住宅主導型城市綜合體的負荷均衡率、年負荷率和負荷波動率變化范圍分別為79.35%～82.59%,62.87%～68.39%,79.63%～84.37%。在10種情景下,最大負荷均衡率是情景2,其值為82.59%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為2∶1∶2∶5;最高年負荷率是情景6,其值為68.39%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為3∶1∶1∶5;最小負荷波動率是情景3,其值為79.63%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為1∶3∶1∶5。相對而言,住宅主導型城市綜合體下的住宅占比越大,負荷均衡率越大,一年內月最大負荷變化的均衡性越好。

以負荷波動率為評價指標,對綜合體逐時能耗進行了負荷穩(wěn)定性分析,得到各類型城市綜合體受業(yè)態(tài)配比影響的順序依次為賓館主導型、住宅主導型、辦公主導型和商業(yè)主導型城市綜合體。賓館冷熱電負荷均相對穩(wěn)定,因此負荷波動率相對較小,負荷運行更為穩(wěn)定。由于商場和辦公負荷存在相似的潮汐負荷特性,故其整體可以與住宅負荷形成有效互補。

以負荷均衡率為評價指標,辦公主導型城市綜合體一年內月最大負荷變化的均衡性最佳。引入年負荷率為評價指標,辦公主導型和商業(yè)主導型城市綜合體年負荷率較低,負荷分配均衡性較差。

對于所有情景下的城市綜合體,其負荷均衡率、年負荷率和負荷波動率變化范圍分別為79.35%～93.38%,54.65%～69.26%,73.38%～92.92%,所有主導型城市綜合體負荷特性變化范圍都相對集中,業(yè)態(tài)配比影響最大的是負荷波動率,整體來看變化較大。而負荷均衡率和年負荷率受業(yè)態(tài)配比影響變化范圍相差不多。

3.2 區(qū)域節(jié)能減排性分析

根據逐時能耗數(shù)據和各類型建筑占比計算出的能源系統(tǒng)能耗,基于前述指標計算節(jié)能減排率,如表7～表10所示。

表7 商業(yè)主導型城市綜合體節(jié)能減排率

表8 賓館主導型城市綜合體節(jié)能減排率

表9 辦公主導型城市綜合體節(jié)能減排率

表10 住宅主導型城市綜合體節(jié)能減排率

(1) 商業(yè)主導型城市綜合體的節(jié)能率在20.82%～21.11%范圍內變化,減排率的變化范圍為46.37%～47.96%。在10種情景下,節(jié)能率最高的是情景8,其值為21.11%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為6∶1∶1∶2。減排率最高的是情景1,其值為47.96%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為5∶1∶1∶3。由上述結果可知,在保持商場建筑和賓館建筑占比不變或者商場建筑和辦公建筑占比不變的情況下,適當增加住宅建筑占比可提高減排率;在保持辦公建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加商場建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持賓館建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加商場建筑占比可提高節(jié)能率。

(2) 賓館主導型城市綜合體的節(jié)能率在18.65%～20.26%范圍內變化,減排率的變化范圍為42.33%～44.71%。在10種情景下,節(jié)能率和減排率最高的都是情景6,其值分別為20.26%和44.71%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為3∶5∶1∶1。由上述結果可知,在保持商場建筑和賓館建筑占比或者商場建筑和辦公建筑占比不變的情況下,適當增加住宅建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持商場建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加賓館建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持賓館建筑和辦公建筑占比不變,或者保持賓館建筑和住宅建筑占比不變,或者保持辦公建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加商場建筑占比可提高節(jié)能率和減排率。

(3) 辦公主導型城市綜合體的節(jié)能率在17.81%～19.59%范圍內變化,減排率的變化范圍為41.91%～44.32%。在10種情景下,節(jié)能率和減排率最高的都是情景6,其值分別為19.59%和44.32%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為3∶1∶5∶1。由上述結果可知,在保持商場建筑和賓館建筑占比或者商場建筑和辦公建筑占比不變的情況下,適當增加住宅建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持辦公建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加賓館建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持賓館建筑和住宅建筑占比不變,或者保持賓館建筑和辦公建筑占比不變,或者保持辦公建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加商場建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;

(4) 住宅主導型城市綜合體的節(jié)能率在19.17%～20.48%范圍內變化,減排率的變化范圍為46.00%～48.81%。在10種情景下,節(jié)能率最高的是情景6,其值為20.48%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為3∶1∶1∶5。減排率最高的是情景10,其值為48.81%,商場、賓館、辦公、住宅對應的業(yè)態(tài)配比為1∶1∶1∶7。由上述分析可知,在保持商場建筑和賓館建筑占比不變的情況下,適當增加住宅建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持商場建筑和辦公建筑占比不變的情況下,適當增加住宅建筑占比可提高減排率;在保持商場建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加賓館建筑占比可提高節(jié)能率和減排率;在保持賓館建筑和辦公建筑占比不變的情況下,適當增加商場建筑占比可提高節(jié)能率,適當增加住宅建筑占比可提高減排率;在保持賓館建筑和住宅建筑占比不變或者保持辦公建筑和住宅建筑占比不變的情況下,適當增加商場建筑占比可提高節(jié)能率和減排率。

4 結 語

本文采用了情景分析法對不同業(yè)態(tài)主導型城市綜合體建筑配比進行了研究。選取商業(yè)主導型、賓館主導型、辦公主導型和住宅主導型4種城市綜合體,每種類型城市綜合體各設置10種情景,共40種情景。以負荷特性和節(jié)能減排率為評價指標,對所有情景進行了計算和分析。結果表明,節(jié)能率最佳的在商業(yè)主導型城市綜合體中,減排率最佳的在住宅主導型城市綜合體中。引入負荷特性來研究負荷平穩(wěn)高效運行,結果發(fā)現(xiàn),商業(yè)主導型城市綜合體情景4的負荷特性最佳;賓館主導型城市綜合體下的賓館占比越大,負荷波動率越小,負荷越穩(wěn)定;辦公主導型城市綜合體下的辦公建筑占比越小,年負荷率越大,負荷分配越均衡;住宅主導型城市綜合體下的住宅占比越大,負荷均衡率越大,一年內月最大負荷變化的均衡性越好。