區域能源項目優化設計及規劃思路探討

盧軍，張少良，楊柳

（重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400030）

區域能源項目優化設計及規劃思路探討

盧軍，張少良，楊柳

（重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400030）

該文圍繞區域能源系統中負荷預測、系統形式、冷熱源配置、輸配冷損失及冷熱價制定等相關問題，結合“3E”優化目標，對區域能源項目的優化設計及規劃思路展開分析與探討。

區域能源；規劃；分布式能源；數值模擬；3E；優化目標

能源供應隨著人們生活水平和生產力的不斷提高而日趨緊張。國際能源機構指出，到2030年全球一次能源需求量將增加四成[1]。中國的發電和供熱仍以化石燃料為主，現有發電系統多為傳統發電形式，平均發電效率只有37%左右，其余63%的能量轉化成余熱白白浪費。改變高污染、高能耗的粗放型經濟增長方式，找到一條保障能源持續供應、提高能源利用效率的發展道路是當務之急。

分布式能源（Distributed Energy Resources）是一種新型的能量供應概念，因其可提高能源利用效率、降低建筑能耗、緩解電力供需矛盾登上歷史舞臺。分布式能源的典型系統形式為冷熱電聯供，通過對一次能源（煤、天然氣等）轉換技術的集成運用，為用戶同時提供冷、熱、電等多種能源。冷熱電聯供系統多采用燃氣輪機、內燃機、微燃機、斯特林機等作為整個聯供系統的產能裝置[2-3]。

聯供系統中，用戶既可自成系統，也可與城市電網并聯運行；機組可獨立運行，也可多臺并聯運行。冷熱電聯供包含三層含義：一是利用天然氣等清潔能源把發電和供能結合于一體的能源管理；二是能源的梯級利用和綜合利用，提高能源的綜合效益；三是通過自控系統和智能管理平臺，實現系統優化運行[4]。

本文針對區域能源項目負荷預測、能源系統形式、輸配系統冷量損失、冷價制定等關鍵問題，結合“3E”優化目標，開發適用于典型聯供系統形式的數值模擬軟件，對區域能源項目的優化設計及規劃思路進行分析與探討。

1 負荷預測

建筑群的逐時冷熱電負荷是區域能源系統設計的重要依據。建筑群的負荷變化受諸多因素影響，室外氣象參數、建筑功能、建筑內擾等因素的改變均會引起建筑負荷特性的變化。

區域能源系統中，不同功能建筑物峰值負荷出現時段不盡相同。對于區域供冷（熱）系統，若僅通過冷熱指標與空調面積計算冷熱負荷，直接累加確定總容量，會導致裝機容量過大、管網初投資過高；此外，當區域能源系統負荷率較低時，還會對機組的效率造成嚴重影響。因此，需考慮一定的同時使用系數，在對輸配管網冷（熱）量損失進行計算的基礎上，將空調負荷與冷（熱）量損失逐時疊加，得到整個區域能源項目的逐時負荷。

在預測區域建筑群空調負荷時，可利用系統總負荷逐時累加值除以設計負荷逐時累加值得到“滿負荷折算率”，利用該折算率乘以總設計小時數，得到系統的滿負荷當量小時數。區域能源項目中，系統滿負荷運行時刻較少，因此需要結合系統負荷頻率變化特性，綜合確定系統容量和設備臺數；機組容量與負荷頻率變化相匹配，是保證系統高效運行的前提。

分布式能源項目A位于廣西省南寧市，區域建筑群主要由辦公建筑、商業建筑、酒店以及物流廣場所組成。夏季，區域集中冷源為辦公建筑、商業建筑、酒店及物流廣場供冷；冬季，區域集中熱源為酒店供熱；分布式能源站全年為酒店供應生活熱水。

利用DeST能耗模擬軟件，建立典型建筑模型，對各類建筑的空調逐時負荷進行動態模擬。將建筑冷負荷與輸配冷損失所引起的附加負荷逐時疊加，得到項目的逐時總冷負荷。項目A總冷負荷最大值183.59MW，最大負荷出現時間是5223h；該項目位于夏熱冬暖地區，年平均室外氣溫較高，故熱負荷較小，設計日最大熱負荷3052.7kW。項目A裝機容量165.42MW，全年累計冷負荷580385.5MWh，空調季部分冷負荷時間頻率分布見表1。

表1 空調季部分冷負荷時間頻率表

項目A有41.9%的時間處于低負荷工況運行，系統負荷率為30%～40%；滿負荷運行的時刻少，僅有2.19%。因此，在對系統容量進行配置時，需綜合考慮區域負荷頻率特性，盡可能保證區域能源系統的高效運行。

對于生活熱水負荷以及電負荷，利用分攤比例法[5]，借助設計負荷指標和實測統計所得的各類建筑逐時逐月負荷特征，模擬逐時負荷變化，提高負荷預測的準確性。

建筑的電力負荷主要由不同建筑功能房間各種用電設備構成，包括了照明、空調、動力運輸、插座小動力以及生活水泵、送排風機、廚房動力和弱電機房等。與生活熱水計算方法類似，參考文獻[5]提出的不同類型建筑逐時、逐月用電負荷分攤比例特征，依據該分攤比例和電負荷額定指標計算單位面積逐時電負荷指標。

2 輸配冷損失

在區域能源系統中，管徑大，輸送半徑大，夏季供冷時，室外高溫及太陽輻射會導致管內載冷介質溫度升高，供冷品質下降。應同時考慮水泵及管路的冷量損失，水泵能量轉化為熱能，被輸送介質帶走；輸送流體溫度低，向土壤及地面空氣傳遞冷量，造成管路冷量損失[6]。

供冷管道所選用保冷材料及保冷層厚度直接影響整個供冷系統的初投資及運行費用，若保冷材料或保冷層厚度選擇不當，不但會導致冷量大量損失，還有可能出現設備和管道外表面結露[7]。合理選取保溫材料及保溫層厚度是降低輸配系統冷熱量損失，有效降低區域能源系統輸配能耗，提高系統經濟效益的前提[8]。

實際工程中，設計人員往往對管道保冷設計的重要性認識不足，或是僅憑借經驗、按照產品樣本簡單估算，這些不考慮地區氣候差異和保冷工程參數的做法勢必會影響管道保冷效果和經濟性，造成能源的巨大浪費。特別是，隨著蓄冷技術的不斷發展，如何保證低溫大溫差輸配系統的供冷品質成為一項新的課題。因此，針對國內區域供冷項目的保冷現狀，分析和研究輸配系統冷損失計算，編制綜合考慮地區氣候差異等因素的“區域供冷冷損失計算軟件”，對于管網的保冷設計具有重要意義。

以輸配系統冷損失計算模型為基礎，開發“區域供冷冷損失計算軟件”，軟件界面見圖1及圖2，該軟件可實現“直埋式”和“管溝式”兩種敷設形式管道的冷損失計算，通過確定管道和水泵在不同負荷率下所引起的冷量損失及溫升，分析整個管網冷損失。

區域供冷項目規劃設計時，應計算不同負荷率工況的冷損失率（即冷量損失占總供冷量的百分比）；特別是負荷較小時，管內流量較小，冷損失變化不大，但引起溫升較大，需進行嚴格計算，控制冷損失率不超過5%。

圖1 區域供冷冷損失計算軟件界面（直埋式）

圖2 區域供冷冷損失計算軟件界面（管溝式）

3 區域能源系統形式

依據供能方式的不同，區域能源系統可分為常規能源區域供冷供熱、燃氣冷熱電聯供以及帶有蓄能模式的供能系統。

常規能源區域供冷供熱是利用水源熱泵（冷水）機組及燃氣鍋爐作為區域集中冷熱源，承擔區域建筑群冷熱負荷的系統形式。

燃氣冷熱電聯供是將制冷、供熱及發電過程一體化，燃料高品位能量用于發電，其排熱品位較低，用于提供冷（熱）量，形成冷熱電聯產，實現了能量的梯級利用，能源利用效率大大提高。

蓄能供能系統利用蓄能裝置在系統低負荷時儲存多余能量，在用能尖峰時段聯合供能，削減了區域供能系統的高峰負荷需求，減少部分負荷工作時間，有效降低系統裝機容量，也避免了高峰時刻的高能源價格。我國南方地區，夏季炎熱潮濕，冷負荷非常大，夏季冷負荷尖峰與電力負荷峰值時段重合，采用帶有蓄冷裝置的區域供冷系統，可顯著降低系統運行能耗，經濟效益顯著。

4 冷熱電聯供系統

4.1 發電系統

動力發電系統是分布式能源聯供系統的關鍵部分，發電裝置決定聯供系統的形式。常見動力發電裝置有燃氣輪機、內燃機、微型燃氣輪機和燃料電池等。

燃氣輪機安裝簡單，初投資低，排氣溫度高，流量大，多用于大型區域能源項目；內燃機由于其發電效率高、部分負荷性能較好、對燃氣壓力要求較低的優勢，在中大型樓宇或區域能源項目中得到廣泛應用；微型燃氣輪機運動部件較少，重量輕，噪音小，污染較小，缺點是初投資高，發電效率低。

4.2 冷熱源形式

發電系統類型決定了聯供系統的余熱利用形式，燃氣輪機的余熱形式為高溫蒸汽及高溫熱水，為溴化鋰吸收式制冷機的使用提供絕佳條件；內燃機的余熱形式為高溫煙氣和高溫冷卻水，為煙氣熱水型吸收機的使用提供可能。根據不同發電原理及余熱形式，確定區域能源系統不同的聯供流程。

廣西省南寧分布式能源項目A采用區域能源站的發電余熱（蒸汽、熱水等）來制取冷（熱）水，承擔規劃區域內空調及生活熱水負荷需求。發電系統發電量在滿足用戶用電和制冷系統用電后，多余電力可以上網，不足的電力可以從電網購入。采用蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機、熱水型溴化鋰吸收式制冷機以及離心式冷水機組聯合承擔區域建筑群冷負荷。

夏季，優先開啟熱水和蒸汽型溴化鋰機組制冷，當空調冷負荷高于溴化鋰制冷機總裝機容量時，開啟電制冷機組。冬季，利用煙氣換熱器和汽水換熱機組提供的高溫熱水，在二級站內換熱得到空調熱水，滿足供熱需求。由余熱鍋爐低壓蒸汽提供的高溫熱水，在二級站內通過水-水換熱器換熱，制取生活熱水。

重慶某區域能源項目B采用區域能源站的余熱制取冷（熱）水，承擔規劃區域內空調及生活熱水負荷。該項目以燃氣內燃機作為發電裝置，以煙氣型吸收機、蒸汽型溴化鋰吸收機、江水源熱泵以及江水源冷水機組作為冷熱源。

夏季，發電機的高溫煙氣進入煙氣熱水型直燃機的高溫發生器，發電機高溫冷卻水進入煙氣熱水型直燃機的低溫發生器，共同驅動溴化鋰單、雙效復合型吸收式機組制冷，冷量不足部分由江水源機組補充。冬季，發電機組高溫煙氣進入煙氣熱水型直燃機的高溫發生器，內燃機高溫冷卻水進入直燃機的低溫發生器，二者共同作為空調熱水的熱源；熱量不足部分由江水源熱泵作為補充。

5 冷價制定

管網初投資包括管網建設投資，如管材、附件、保溫及施工等費用，可表示為管徑的函數；根據全國市政工程投資估算指標，可采用管網綜合造價計算初投資。但該估算指標只列出公稱直徑從DN50到DN1000的管道單位長度造價，對于管徑大于DN1000的管道單位長度造價，則需擬合線性回歸模型進行計算。

區域能源項目的年運行費用主要包括電費、管網冷損失費、管網折舊及維修年均費；總成本費用包括維護人員費用、修理費、管理費、營銷費、技術開發費等，總成本費用可利用指標估算。將機組和管網的初投資折算成年度費用，在考慮運行費用基礎上，選取合適的投資回收期和收益，結合其他價格影響因素，推算出冷價[9]。

末端用戶的用能需求是逐時變化的，分布式能源系統供冷（熱）量與系統發電量相互影響，系統常處于部分負荷運行狀態。為了合理確定冷（熱）價，應逐時計算用戶冷（熱）負荷，對空調系統耗電量進行動態分析，從而求解上網電量。此外，區域能源系統輸配冷量大，輸送距離遠，冷量損失大，由冷量損失引起的系統耗電增量也應納入冷價計量之內。

區域供冷（熱）項目的冷（熱）價應以同時滿足投資方和冷（熱）用戶的承擔能力為原則，冷（熱）價不宜過低，導致投資方長期不能回收成本；也不宜高于單體建筑集中制冷（熱）的費用，降低冷（熱）用戶購冷（熱）的積極性。

6 數值模擬軟件

大型區域能源項目系統形式復雜，冷熱源設備種類繁多，在項目規劃設計階段，人工計算系統能耗難度較大，費時較長。故有必要開發不同類型的區域能源優化設計評估軟件，通過軟件數值模擬，優化系統配置，并最終指導項目的高效節能運行。

以燃氣-蒸汽輪機循環發電系統變工況模型、冷源模型（蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機、熱水型溴化鋰吸收式制冷機、電制冷機）以及輸配系統能耗模型為基礎，建立整個分布式能源系統數學模型，開發“冷熱源及輸配系統能耗分析軟件”，軟件主界面見圖3。

圖3 軟件主界面

導入區域能源系統各地塊全年動態負荷，結合冷源模型、冷卻塔模型、輸配系統模型、機組群控模型以及輸配系統控制模型，分析系統能耗特征，可實現“一機對一塔”、“非一機對一塔”以及冷凍水二次側定（變）流量的系統能耗模擬；此外，軟件設有區域供冷系統“冷價概算”模塊，可為業主方的冷價設定提供參考。

以燃氣內燃機變工況發電模型、冷熱源機組能耗模型（煙氣型直燃機數學模型、蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機能耗模型、江水源熱泵能耗模型、電制冷機組能耗模型）以及輸配系統能耗模型為基礎，開發分布式能源“系統性能分析軟件”，軟件主界面見圖4。

圖4 軟件主界面

導入區域能源系統各地塊全年動態負荷，結合冷源模型、冷熱源系統模型、輸配系統模型以及機組群控模型，分析系統能耗特征，實現不同工況下系統能耗的模擬；此外，軟件設有分布式能源系統“經濟性評價”及“冷價概算”模塊。

7 區域能源項目3E優化目標

區域能源系統優化設計時，需建立以能源、經濟和環境為基礎的多目標優化方程，以總效率（最大）為能源目標，以凈現值（最大）為經濟類目標，以COx、NOx排放量（最小）作為環境類目標。

效率目標：是推動能量轉化過程的動力，區域能源系統運行過程中存在不可逆熱損失，采用“年平均效率”作為能源類優化目標，強調不同溫度所對應的不同品位熱能，得出有用功的利用情況，揭示系統中能量利用的薄弱環節。

凈現值目標：區域能源系統多涉及供能單位收支問題，故采用“凈現值”作為經濟類優化目標，系統第一年支出包括初投資（能源站建設費用）和相關運行費用，其后每年支出僅有運行費用。通常，樓宇型聯供系統初投資可根據設備安裝容量預估，區域型能源站多以建設大型發電廠為基礎，除了設備購置費以外，還包括了建設工程費、安裝工程費以及其他一些附屬費用。因此，建議將初投資表示為關于決策變量（各部件設備容量）的函數。運行相關費用主要包括年運行費用、年維護管理費和稅收等；年運行費用是由于系統能量消耗包括現場燃料消耗、水消耗和從電網下載電能三部分所產生的費用；年維護管理費包括人工費和維護費用；稅收包括企業所得稅、增值稅和城建教育費附加稅。

污染物排放目標：相比于分散系統而言，采用區域能源系統所能夠減少的污染物排放量，主要包括CO2、SO2、NOx等。

8 結論

區域能源系統利用同時使用系數，有效降低系統裝機容量，經濟效益顯著。采用分布式能源系統供能，利用天然氣發電，發電效率高，減少了電力輸配線損；發電廢熱作為空調熱水及生活熱水熱源，實現熱量梯級利用，能源綜合利用率較高，節能效益明顯。區域能源項目規劃設計階段，在系統數學模型的基礎上，結合3E目標，開發設計評估軟件，優化系統配置，具有重要意義。

[1]國際能源機構.世界能源展望2011報告[R]. 2011.

[2]華賁.區域型分布式冷熱電聯供能源系統的規劃設計[J].中外能源，2011，3（16）：13-20.

[3]Anna Monis Shipley，R.Neal Elliott.Distributed Energy Resources and Combined Heat&Power：A Declaration of Terms.April 2000//WADE（World Alliance of Decentralized Energy，www.localpower.org）.Guide To Decentralized Energy Technologies，2002.

[4]李春蝶.區域型CCHP耦合系統配置及運行優化研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[5]金紅光，徐建中，鄭丹星.分布式冷熱電聯供系統裝置及應用[M].北京：電力工業出版社，2009.

[6]張歆輝，盧軍，李春蝶，等.區域供冷系統能耗模型及能效分析[J].煤氣與熱力，2013，33（3）：29-32.

[7]壽青云，陳汝東.借鑒國外經驗積極發展我國的區域供冷供熱[J].流體機械，2003，11（31）：47-50.

[8]Brent Griffith，DariushArasteh.Advanced insulations for refrigerator/freezers：the Potential of new shell designs incorporatingpolymer barrier construction，Energy and Buildings[J].1995（22）：219-231

[9]李春蝶，盧軍，黃光勤，等.基于動態負荷的區域冷熱電聯供系統冷價制定[J].煤氣與熱力，2013，33（5）：23-28.

責任編輯：孫蘇

Discussion on Optimization Design and Planning of Regional Energy Project

Based on the relevantissues of load prediction,system form,hotand cold source configuration,cold loss ofdistribution and cold and hotprice determination and,combined with the optimization objective of 3E,the optimization design and planning of regionalenergy projectare analyzed and discussed.

regionalenergy；planning；distributed energy resource；numericalsimulation；3E；optimization objective

TK01+9

A

1671-9107（2014）10-0005-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.005

2014-07-18

盧軍（1966-），男，四川渠縣人，博士，教授，主要從事建筑節能研究工作。