緩沖水蓄能冷熱電聯供系統運行策略及性能分析

馬漢

中南大學能源科學與工程學院

0 引言

冷熱電聯供系統具有能源綜合利用效率高， 排放低， 環境和經濟效益好等優點， 近年來得到了快速發展。如何提高系統能源效率， 供能穩定性和運行經濟性是冷熱電聯供領域研究的主要方向。蓄能技術可以有效緩解冷熱電聯供系統和建筑用戶間能量供需不平衡， 減少裝機容量， 提高系統運行效率和供能穩定性，獲得了廣泛應用和研究。水蓄能是冷熱電聯供系統可行的蓄能技術形式之一， 其具備可以蓄冷和蓄熱，吸收式和常規制冷設備均可使用， 技術要求低和維修方便等特點。然而，關于新型水蓄能裝置及其在冷熱電聯供系統中的應用研究仍不充分。

本文提出了以緩沖水蓄能(冷、 熱)模塊為蓄能設備的緩沖水蓄能冷熱電聯供系統。采用 “以熱定電” 方式選擇系統配置， 分析了緩沖水蓄能冷熱電聯供系統和無水蓄能冷熱電聯供系統冷熱電聯供運行策略。基于冷熱電聯供運行策略， 對緩沖水蓄能冷熱電聯供系統和無蓄能冷熱電聯供系統的能源， 環境和運行經濟性指標 [1] 進行對比分析。

1 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統

緩沖水蓄能冷熱電聯供系統由聯供模塊和緩沖水蓄能模塊組成， 如圖1。

圖1 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統示意圖

聯供模塊由燃氣發電機組 （PGU）， 煙氣型雙效吸收式一體化機組 （AM）， 燃氣熱水鍋爐 （GB）， 電制冷機組 （EC）， 電控制柜和相關管線等組成。聯供模塊運行時， 燃氣發電機組消耗天然氣發電， 排放的高溫煙氣驅動煙氣型吸收式一體化機組制冷或制熱。電制冷機組、 燃氣熱水鍋爐作為輔助制冷和制熱設備。電控制柜根據燃氣發電機組發電量和建筑用戶電負荷變化，通過向公共電網購電和售電方式， 實時調節聯供模塊供電量以滿足建筑用戶用電需求。

緩沖水蓄能模塊由蓄能水箱 （ST1～STn）， 緩沖水蓄能水箱 （ST g ，ST h ）， 水泵， 閥門和連接管路等組成。 蓄能（冷或熱）過程為依次將 ST2～STn中存儲回水經聯供模塊獲取能量轉化為冷凍水或供暖熱水蓄存到 ST 1 ～STn-1中，而釋能過程則是依次將 ST n-1 ～ST1中蓄存冷凍水或供暖熱水經建筑用戶釋能轉化為回水存儲到ST1～STn-1中。在 STg和STh的緩沖作用下， 緩沖水蓄能模塊可以實現蓄， 釋能狀態延時平穩轉換和無極蓄存或補充聯供模塊與建筑用戶間動態不匹配冷熱量，增強了聯供系統的穩定性和可靠性。

2 數學方法

為簡化計算， 提出以下假設：

1） 忽略氣象環境條件變化對設備性能的影響。

2） 蓄能水箱采用有效保溫措施， 散熱量忽略不計，且內部水溫分布均勻。

3） 燃氣內燃機發電機組變工況的計算參考王曉紅等[2]， 煙氣型雙效吸收式一體化機組變工況計算參考鄭劍橋等 [3] 和陳強等 [4] ， 電制冷機組參考王嘉等 [5] 。

2.1 運行計算及能耗分析

基于燃氣發電機組、 煙氣型吸收式一體化機組、 緩沖水蓄能模塊、 電制冷機組、 燃氣熱水鍋爐可行性組合， 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統逐小時供冷， 供熱和供電運行計算方法如式 （1）、 式 （2） 和式 （3） 所示。

式中：Qusers_c、Qusers_h分別為建筑用戶冷負荷和熱負荷，kWh；Q AM_c、QAM_h分別為煙氣型雙效吸收式一體化機組制冷量和制熱量，kWh；Qst_c、Qst_h分別為緩沖水蓄能模塊已蓄存冷量和熱量， kWh，上標 -1 代表上一小時；Q st_cs、Qst_cr分別為緩沖水蓄能模塊蓄冷量和釋放冷量，kWh；Q st_hs、Qst_hr分別為緩沖水蓄能模塊蓄熱量和釋放熱量，kWh；QCCHP_c、QCCHP_h分別為緩沖水蓄能冷熱電聯供系統制冷量和制熱量， kWh；QEC為電制冷機組制冷量，kWh；QGB為燃氣熱水鍋爐制熱量，kWh；Eusers為建筑用戶電負荷， kWh；EPGU為燃氣發電機組發電量，kWh；ES為向公共電網售電量，kWh；Egrid為從公共電網購電量， kWh。

緩沖水蓄能冷熱電聯供系統耗氣量（m3）、 耗電量（kWh） 計算方法如式 （4） 和 （5） 所示。

式中：FPGU、FGB分別為燃氣發電機組和燃氣熱水鍋爐耗氣量，m3；ηPGU為燃氣發電機組發電效率；ηGB為燃氣熱水鍋爐熱效率；HLng為天然氣低位熱值，kJ/m3；COPEC為電制冷機組制冷效率。

無蓄能冷熱電聯供系統基于設備全工況模型的供冷、 供熱和供電運行計算方法即在式 （1）， 式 （2） 和式（3） 中去除蓄能相關項。常規分產系統供冷、 供熱和供電運行計算方法則是在式 （1）， 式 （2） 和式 （3） 中去除蓄能、 燃氣發電機組和煙氣型雙效吸收式一體化機組等相關項。無蓄能冷熱電聯供系統和常規分產系統耗氣量和耗電量計算方法與緩沖水蓄能冷熱電聯供系統相同。

2.2 評價指標

常規分產系統耗電量Esp，一次能源消耗PEsp， 二氧化碳排放當量CE sp，運行費用OCsp計算方法如式（6）， 式 （7）， 式 （8） 和式 （9） 所示。

式中：ηgrid為公共電網綜合效率；pecrelec為電力一次能源轉換系數；cerelec為電力二氧化碳當量系數，g/kWh；pelec為電價， 元 /kWh。

無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯供系統一次能源消耗PECCHP、一次能源節約率PERR計算方法如式（10） 和式 （11） 所示； 二氧化碳排放量CE CCHP、 二氧化碳當量減少率CERR的計算方法如式 （12） 和式 （13） 所示； 運行費用OC CCHP、 運行費用節省率OCRR計算方法如式 （14） 和式 （15） 所示[1]。

其中，pecrng是天然氣一次能源轉換系數。

其中，cerng為天然氣二氧化碳當量系數，g/kWh。

其中，png為天然氣價格，元 /kWh；ps_elec為上網售電電價，元 /kWh。

3 案例研究

3.1 案例描述

本文以某飯店建筑為分析對象， 其設計工況最大冷負荷為872 kW， 最大熱負荷為510 kW， 最大電負荷375 kW， 夏季供冷期和冬季供暖期各120 天。圖 2 為該飯店季典型日冷， 電負荷及冬季典型日熱， 電負荷。飯店緩沖水蓄能冷熱電聯供系統采用圖 1 組織結構。夏季供冷時， 閥門②、 ④、 ⑦關閉， 煙氣型吸收式一體化機組和電制冷機組聯合供冷， 緩沖水蓄能模塊蓄存或補充聯供模塊相比建筑用戶冷負荷供冷剩余或不足的冷量。 冬季供暖時， 閥門①、 ③、 ⑥、 ⑩關閉， 煙氣型吸收式一體化機組和燃氣熱水鍋爐聯合供熱， 緩沖水蓄能模塊蓄存或補充聯供模塊相比建筑用戶熱負荷過量或不足的熱量。

圖2 飯店夏季典型日冷，電負荷及冬季典型日熱，電負荷

3.2 系統配置

本文采用 “以熱定電” 方式確定緩沖水蓄能冷熱電聯供系統設備配置。先根據飯店夏季典型日冷負荷，同時考慮蓄能空間盡量小， 選取煙氣型吸收式一體化機組制冷容量， 然后選擇與之匹配的燃氣發電機組、 電制冷機組和燃氣熱水鍋爐。 鑒于飯店最大電負荷較小，本文選擇燃氣內燃機發電機組 （ICE） 作為聯供系統燃氣發電機組。飯店緩沖水蓄能冷熱電聯供系統主要設備及其參數見表1。

表1 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統主要設備及其參數

為了對緩沖水蓄能冷熱電聯供系統進行能源， 環境和經濟性分析，選取常規分產系統為基準系統， 無蓄能冷熱電聯供系統作為對比系統。常規分產系統和無蓄能冷熱電聯供系統制冷容量和制熱容量均按照飯店設計工況最大冷負荷、 最大熱負荷選取。其中， 無蓄能冷熱電聯供系統中燃氣內燃機發電機組和煙氣型吸收式一體化機組與緩沖水蓄能冷熱電聯供系統相同。電制冷機組選取為兩臺制冷功率 275 kW的微型離心式電制冷機 （EC1、 EC2）。燃氣熱水鍋爐選取與緩沖水蓄能冷熱電聯供系統同樣類型，制熱功率為280kW （GB1）。常規分產系統由電制冷機組和燃氣熱水鍋爐組成， 電制冷機組制冷系數取 4， 燃氣熱水鍋爐熱效率取0.9。由以上配置可知， 緩沖水蓄能模冷熱電聯產系統相比常規分產系統，制冷容量減少 36.81%，制熱容量減少31.17%。

緩沖水蓄能冷熱電聯供系統性能分析中， 涉及計算參數見表2 [1、 6-9] 。

表2 計算參數

4 結果與討論

4.1 運行策略

4.1.1 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統運行策略

圖 3 為夏季典型日緩沖水蓄能冷熱電聯供系統供能運行策略。燃氣內燃機全天處于額定工況運行發電狀態，煙 氣型雙效吸收式一體化機組全天處于額定工況運行制冷狀態。詳細的供冷運行策略如下。

1）22:00 至次日 8:00，煙氣型吸收式一體化機組制冷量大于飯店冷負荷，多 余制冷量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。燃氣內燃機發電量大于飯店電負荷，多 余電量售于公共電網。電制冷機組處于停機狀態。

2）9:00至11:00及 21:00，煙 氣型吸收式一體化機組制冷量小于飯店冷負荷，不 足的冷量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄冷量提供。電制冷機組處于停機狀態。

3）12:00 至 20:00，煙 氣型吸收式一體化機組和電制冷機組額定工況運行制冷，總 制冷量仍小于飯店冷負荷， 不足的冷量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄冷量提供。

圖3 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統夏季典型日供能運行策略

圖4 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統冬季典型日供能運行策略

圖4 為冬季典型日緩沖水蓄能冷熱電聯供系統供能運行策略。其中，燃氣內燃機全天處于額定工況運行發電狀態，煙 氣型吸收式一體化機組全天處于額定工況運行制熱狀態。具體供熱運行策略如下：

1）20:00至0:00及4:00至7:00，煙氣型吸收式一體化機組額定工況運行制熱，制 熱量大于飯店熱負荷，多余制熱量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。燃氣熱水鍋爐（GB）處 于停機狀態。

2）1:00至 3:00，煙 氣型吸收式一體化機組額定工況運行制熱，制 熱量小于飯店熱負荷，不 足熱量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄熱量提供。燃氣熱水鍋爐處于停機狀態。

3）7:00，9:00，11:00，12:00 及 14:00，煙 氣型吸收式一體化機組和燃氣熱水鍋爐額定工況運行制熱，制 熱量大于飯店熱負荷，多 余制熱量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。

4）8:00，10:00，13:00 及 15 至 19:00，煙氣型吸收式一體化機組和燃氣熱水鍋爐額定工況運行制熱，制熱量小于飯店熱負荷，不 足熱量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄熱量提供。

4.1.2 常規分產系統和無蓄能冷熱電聯供系統的運行策略

常規分產系統由定制冷系數的電制冷機組， 定熱效率的燃氣熱水鍋爐及公共電網組成， 其供冷策略為電制冷機組制冷量實時滿足飯店冷負荷， 供熱策略為燃氣熱水鍋爐制熱量實時滿足飯店熱負荷， 供電策略為公共電網購電量實時滿足飯店熱負荷。

結合飯店負荷特點， 基于燃氣內燃機、 煙氣型吸收式一體化機組、 電制冷機組變工況數學模型， 計算得出無蓄能冷熱電聯供系統典型日供冷、 供熱、 供電策略。

圖5 無蓄能冷熱電聯供系統夏季典型日供能運行策略

圖5 為無蓄能冷熱電聯供系統夏季典型日供能運行策略。具體供冷、供 電運行策略如下：

1）22:00至次日 8:00，一 臺電制冷機組（ EC1）變 工況運行制冷。公 共電網提供EC1耗電量和飯店電負荷需求電量。燃氣內燃機和EC2處于停機狀態。

2）9:00 至11:00 及21:00，煙 氣型雙效吸收式一體化機組（ AM）和 EC1變工況運行制冷。ICE變工況運行發電，發 電量首先用于 EC1 耗電，剩 余電量提供飯店使用。公共電網提供飯店電負荷需求電量與ICE剩余發電量差額。EC2處于停機狀態。

3）12:00至20:00，A M，E C1和EC2變工況運行制冷。燃氣內燃機變工況運行發電，發電量首先用于EC1和EC2耗電，剩 余電量提供飯店使用。飯店電負荷需求電量與ICE剩余電量差額。

圖6為無蓄能冷熱電聯供系統冬季典型日供能運行策略。具體供熱、供 電運行策略如下：

1）22:00，飯店無熱負荷，ICE，A M 和 GB 均處于停機狀態。公共電網提供飯店電負荷需求電量。

2）23:00，0:00，4:00和 5:00，A M 變工況運行制熱。ICE變工況運行發電，發電量首先滿足飯店電負荷需求電量，剩 余電量售于公共電網。GB處于停機狀態。

3）1:00 至 3:00、6:00 至 19:00，A M 額定工況運行制熱。G B變工況運行制熱。ICE額定工況運行發電，發電量首先滿足飯店電負荷需求電量，剩 余電量售于公共電網。

4）20:00和21:00，G B變工況運行制熱。公共電網提供飯店電負荷需求電量。ICE和AM處于停機狀態。

圖6 無蓄能冷熱電聯供系統冬季典型日供能運行策略

4.2 能源，環境和經濟性分析

基于飯店供冷， 供熱和供電策略， 分產系統， 無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯供系統夏季及冬季典型日的一次能源消耗量， 二氧化碳排放量和運行費用的計算結果如圖7所示。可以看出，無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯供系統冬季或夏季典型日的一次能源消耗量、 二氧化碳排放量、 運行費用相對常規分產系統均有所降低， 且緩沖水蓄能冷熱電聯供系統降低力度大于無蓄能冷熱電聯供系統。

圖7 一次能源消耗量，二氧化碳排放當量和運行費用

表 3 為無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯供系統相對常規分產系統一次能源節約率， 二氧化碳排放當量減少率和運行費用節省率。從表中可以看出， 相比無蓄能冷熱電聯供系統， 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統夏季典型日一次能源節約率，二氧化碳排放當量減少率，運行費用節省率分別提高 15.56%，24.10%和13.02%，冬季典型日則分別提高 5.07%，6.25%和4.96%。

表3 一次能源節約率，二氧化碳排放當量減少率和運行費用節省率

5 結論

本文提出了以緩沖水蓄能 （冷、 熱） 模塊為蓄能設備的緩沖水蓄能冷熱電聯供系統。該系統實時滿足建筑用戶冷熱電負荷同時， 動力設備全時段額定工況運行， 降低了系統裝機制冷容量和制熱容量。以常規分產系統為基準， 對比分析了無蓄能型和緩沖水蓄能冷熱電聯供系統在飯店類型建筑夏季、 冬季典型日的運行策略及能源， 環境， 運行經濟性指標。 研究結果表明，無蓄能冷熱電聯供系統相比常規分產系統可以實現夏季典型日一次能源節約率 14.11%， 二氧化碳排放當量減少率22.69%和運行費用節省率27.9%， 冬季典型日一次能源節約率34.87%， 二氧化碳排放當量減少率63.75%和運行費用節省率22.34%。同時， 緩沖水蓄能冷熱電聯供系統相比無蓄能冷熱電聯供系統夏季典型日一次能源節約率提高了 15.56%， 二氧化碳排放當量減少率提高了24.10%， 運行費用節省率分別提高了13.02%， 冬季典型日一次能源節約率提高了5.07%， 二氧化碳排放當量減少率提高了 6.25%，運行費用節省率分別提高了4.96%。結果說明緩沖水蓄能冷熱電聯供系統具有很好的能源， 環境和運行經濟性指標， 為水蓄能技術在冷熱電聯供系統中的應用提供一種新的思路。

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