天然氣分布式供能系統在上海城市中心商務區的適用性

朱寅康上海市節能減排中心有限公司

?

天然氣分布式供能系統在上海城市中心商務區的適用性

朱寅康
上海市節能減排中心有限公司

通過分析上海城市中心商務區冷、熱負荷特點，建立了區域天然氣分布式供能系統模型，并分析了其經濟性和節能效益，最終得出以燃氣內燃機為主動力源的天然氣分布式供能系統不是很適用于城市中心商務區的結論。

中心商務區；分布式供能系統；模型；經濟；節能

當前，上海已規劃有虹橋商務區核心區、前灘地區、世博A片區、世博B片區等多個城市中心商務區，為融合城市低碳發展要求，這些城市商務區已或擬建設區域天然氣分布式供能系統，為商務區建筑群供應冷、熱等能源，多余的電量向電網出售。筆者通過調研，發現該類天然氣分布式供能系統尚存在較多問題，因此，擬根據城市中心商務區熱負荷特點建立相應的天然氣分布式供能系統模型，并計算其經濟性和節能效益，解析天然氣分布式供能系統在上海城市中心商務區的適用性，以作拋磚引玉之效。

1 中心商務區特點及其典型天然氣分布式供能系統

1.1 中心商務區特點

上海城市中心商務區根據其發展定位的不同，分為金融、服務業、商務辦公等聚集區，各集聚區建筑功能雖有所不同，但有3個典型特征，一是具有大量的金融、商務辦公、酒店、公寓以及完善的交通、通信等現代化基礎設施，二是建筑高密度、現代化，三是建筑功能分布中，寫字樓約占區域總建筑面積的50%左右，商業、餐飲業及商住建筑約占40%，其它服務設施以及必要的配套設施約占10%。

1.2 典型區域天然氣分布式供能系統

目前，上海已或擬建的各個中心商務區天然氣分布式供能系統按照其供能區域特點略有不同，但都無外乎由燃氣內燃機、燃氣鍋爐、溴化鋰吸收式冷熱水機、離心式冷水機組、熱泵、蓄冷（熱）罐等幾部分組成，如圖1所示。從這樣的組成結構來看，區域天然氣分布式供能系統由兩部分組成，一部分為真正的天然氣分布式供能系統，由燃氣內燃機、溴化鋰吸收式制冷機組成；另一部分實際上為傳統供能系統，由離心式冷水機組、熱泵、鍋爐、蓄冷（熱）罐組成。其三聯供能過程為：夏季供冷時，天然氣進入內燃機中發電并產生余熱，余熱進入溴化鋰吸收式冷熱水機制冷，當冷量不足時，采用內燃機所發的電帶動離心式制冷機制冷，余電上網；夜間利用谷電蓄冷，白天由蓄冷罐與溴化鋰吸收式冷熱水機、離心式制冷機聯合供冷。

冬季供暖時，天然氣進入內燃機中發電并產生余熱，余熱進入溴化鋰吸收式冷熱水機制熱，當熱量不足時，則內燃機所發的電帶動熱泵制熱，余電上網；夜間利用谷電蓄熱，白天由蓄熱罐與溴化鋰吸收式冷熱水機、熱泵聯合供熱；燃氣鍋爐供應尖峰熱負荷。

為使本文的分析內容更有針對性，筆者將虛構出一個具有典型特征的中心商務區，并按照圖1所示的分布式供能系統組成進行相關取舍后建立模型。

2 虛構的中心商務區及其冷、熱負荷

2.1 中心商務區建筑功能分布

設某中心商務區總建筑面積為2.1×106 m2，建筑功能分布及空調供能面積為表1所示。

圖1 典型中心商務區天然氣分布式供能系統

表1 某中心商務區建筑功能分布及空調供能面積

2.2 全年冷、熱負荷曲線

用eQuest 3.64對該中心商務區每幢樓單獨建模計算得到該區域年冷、熱負荷曲線如圖2所示。計算過程中，采用了2012 ASHRAE Handbook中上海氣象參數，各建筑熱工及供暖、通風、空調設計參數均按照《公共建筑節能設計標準》（DGJ-08-107-2012）相關規定取值。

其中，最大冷負荷為155 MW，最小冷負荷為0.15 MW，最大熱負荷為95 MW，最小熱負荷為0.6MW。

2.3 冷、熱負荷特點

圖2 中心商務區年冷、熱負荷曲線（為便于區分，圖中熱負荷取負值）

從圖2可以看出曲線有3個較為顯著的特點：一是不管是冷負荷還是熱負荷，其峰谷差較大；二是中心商務區辦公樓較多，冷、熱負荷曲線均表現為鋸齒狀；三是由于建筑體量較大，且一般為全封閉式樓宇，因此，建筑存在內區熱負荷，冬季需要供冷，但該冷負荷很小。以上三個特點表明該中心商務區的冷、熱負荷特性較差。

2.4 全年延時熱負荷曲線

全年延時熱負荷曲線是天然氣分布式供能系統主動力設備的選型依據之一。將冷負荷折算到熱負荷后（按照雙效吸收式制冷機COP=1.3計算）可進一步得到中心商務區全年延時熱負荷曲線，如圖3所示。

圖3 中心商務區全年延時熱負荷曲線

從圖3可以更加直觀地看出，中心商務區熱負荷從122MW處（最大熱負荷）陡降，直到30MW以后才相對平緩（此時工作小時數為1805h）， 到 達25 MW時的為2 408 h。

3 建立天然氣分布式供能系統模型

3.1 建模前的基本容量判斷

根據《分布式供能系統工程技術規程》（DG/TJ08-115-2008）相關規定，天然氣分布式供能系統應當按照“以熱定電”的原則進行設備配置。從圖3可知，天然氣分布式供能系統余熱利用部分如果滿足122MW的熱負荷，則大部分時間以“發電+較少供熱”的方式運行，這種運行方式已經多個研究機構證明，既不經濟，也不節能。因此，對于中心商務區的天然氣分布式供能系統，其設備配置過程應該是在一個基本容量區間對系統反復進行優化的過程，該過程需要做到“兩個平衡”，即在全年延時熱負荷曲線上找到最佳負荷點，再按照該負荷大小按照“以熱定電”的原則進行設備選型，做到熱電平衡、一次能源利用效率和經濟性相互平衡。

根據全年延時熱負荷曲線初步判斷，天然氣分布式供能系統供應熱負荷的區間應在15 MW～30 MW之間。

3.2 建立天然氣分布式供能系統仿真模型

根據圖1所示，結合天然氣分布式供能系統供應熱負荷的區間，筆者利用區域供能系統仿真軟件TFlex23+Peace23軟件建立了中心商務區分布式供能系統模型，如圖4和圖5所示，并經過反復優化求得最佳容量配置，如表2所示。計算過程中，冷水溫度取7/15℃，熱水溫度取60～45℃；由于上海使用燃氣鍋爐進行供熱的成本較高，因此，模型中取消了燃氣鍋爐；由于夜間蓄冷（熱）使用電網電力，需單獨建模計算，因此，模型中未含蓄冷（熱）系統。

3.3 仿真運行結果

從圖4、圖5可知，當中心商務區分布式供能系統滿負荷運行時，其發電容量為20.5 MW，供冷容量為75.7 MW，供熱容量為36 MW，加上蓄冷（熱）罐的供應能力，能夠滿足該中心商務區的最大冷負荷、熱負荷。其中，分布式供能系統余熱利用容量占全部總容量的25.4%。

圖4 中心商務區分布式供能系統供冷模

圖5 中心商務區分布式供能系統供熱模型

4 經濟性分析

4.1 經濟性分析的邊界條件

分布式供能系統的經濟性與分布式供能系統造價、年利用小時數、天然氣價格、電價、熱（冷）價等因素有關。其中，分布式供能系統設備及管網造價采用當前市場價格，土建參照當前上海市類似地下空間開發造價水平，設備安裝費、人工費、調試費均按照上海市當前有關電氣、設備安裝標準計算；經統計，該分布式供能系統供冷年利用小時數為2 237 h，供熱年利用小時數為1 481 h；氣價采用當前氣價，為2.72元/m3；電價采用天然氣分布式供能系統上網電價0.726元/kWh；根據對上海高端樓宇自建的傳統供能系統使用成本來看，熱（冷）價應不超過0.55元/kWh，換算為熱量為153元/GJ；修理費、人員工資、材料費等其它相關經濟性分析數據參照現有分布式供能系統經濟性分析數據取值；土地成本取分布式供能系統造價的30%。

表2 某中心商務區分布式供能系統選型

4.2 經濟性分析結果

利用上述建立的分布式供能系統模型計算得到，分布式供能系統造價21 760元/kW，處于上海市目前各中心商務區分布式供能系統中下游水平，加上土地成本后，約為28 288元/kW；分布式供能系統年上網電量為4.21×107 kWh，年購入電量為1.51×107 kWh，年供熱量389.62 TJ，年供冷量532.38 TJ，穩定工況下年用氣量為742.6 TJ（按上海市目前燃氣低位35 564 kJ/Nm3計算，則年用氣量為2.09×107 Nm3），變工況下為870.4 TJ（2.45×107 Nm3），年補水量為7.61×106 t；總投資收益率6.709%，投資回收期12.15年。

由上可知，即便經反復優化后的分布式供能系統總的年運行小時數達到了3 718 h，高于現有上海市絕大多數中心商務區分布式供能系統年運行小時數，但總投資收益率仍只有6.709%，投資回收期較長。

5 節能效益分析

5.1 節能效益對比方法

目前，分布式供能系統節能減排效益尚無統一的對比標準，有兩種方法比較流行但都有一定缺陷：一是與燃煤電廠+傳統供能系統比，由于天然氣是寶貴的清潔能源，因此，用燃煤電廠與分布式供能系統相比未體現天然氣的價值；二是與燃氣電廠+傳統供能系統比，由于燃氣電廠一般均采用燃氣-蒸汽聯合循環系統，其發電效率高達55%以上，因此，分布式供能系統與其相比無任何優勢。筆者在反復斟酌后，認為中心商務區的分布式供能系統與傳統供能系統有一定可比性，主要原因是中心商務區能源供應系統中只是增加了一套分布式供能系統，并將原來由傳統供能系統供應的能量集中由分布式供能系統供應而已，因此，考察分布式供能系統的節能效益只需要進行“有無對比”即可。

5.2 傳統供能系統能耗

設傳統供能系統供冷時采用離心式冷水機組（綜合COP=4），采暖時采用熱泵（綜合COP=2.5），熱水供應系統采用燃氣鍋爐（綜合利用效率80%）。則中心商務區采用傳統供能系統時，其年用電量約為5.33×107 kWh，年用氣量約為3.78×106 Nm3，折合11 141 tce（電力折標系數采用當量值，天然氣折標系數取12.143tce/104 kWh）。

5.3 分布式供能系統能耗

采用分布式供能系統時，利用TFlex23計算的數據，繪制分布式供能系統變工況下的能源平衡圖如圖6所示。為與傳統供能系統同口徑比較，能源平衡圖繪制過程中離心式制冷機、離心式熱泵全部按COP值折算到用電數據。

圖6中，當燃氣內燃機運行在變工況下，其發電效率比設計值（45.74%）要低3.14%，綜合利用效率約為83.62%；由于溴化鋰吸收式冷熱水機將高品質能量（焓值為410.2 kJ/kg）轉換到低品質能量（冷：焓值為29.54 kJ/kg，熱：焓值為251.2 kJ/kg），因此，熱損失較大；由于離心式制冷機、熱泵大部分時間工作在50%以下負荷區間，導致其COP實際上只有4.2左右，因此，離心式制冷機、熱泵需消耗更高的電量來制取冷量、熱量。

圖6 分布式供能系統能源平衡圖

經計算，該中心商務區分布式供能系統能耗約為14 454 tce，高于傳統供能系統能耗。

6 結語

受冷、熱負荷特性較差影響，中心商務區分布式供能系統經濟性不好、總的能耗水平也高于傳統供能系統，如果單從節能角度出發，則以燃氣內燃機為主動力源的天然氣分布式供能系統并不是十分適用于中心商務區，當然，實際工作中尚需具體情況具體對待。建議從燃氣、電力削峰填谷的角度考慮，在熱負荷相對穩定的區域建設分布式供能系統，并在設備配置、運行策略上下足功夫，提高上海天然氣分布式供能系統的應用水平。

Natural Gas Distributed Power Supply System Applicability in Shanghai Downtown CBD

Zhu Yinkang
Shanghai Energy Saving and Emission Reducing Co.，Ltd

Through analyzing Shanghai downtown CBD cooling and heating load characteristics，the article introduces regional natural gas distributed power supply system model and analyzes it's economic benefits and energy saving effect. The author suggests that natural gas distributed power supply system based on gas-fired internal combustion engine as prime mover doesn't suit urban downtown CBD.

CBD Central Business District， Distributed Power Supply System， Mode， Economic，Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.009