帶蓄能裝置冷熱電聯產系統的多目標評價研究

馬愛純 孫瑋 李力 胡日骍

中南大學能源科學與工程學院

冷熱電聯產（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統是一種建立在能量梯級利用原理基礎上，將供冷、供熱及供電過程一體化的多聯產供能系統。將冷熱電聯供技術應用于大型辦公建筑，對降低建筑能耗及減少二氧化碳排放具有重要意義。CCHP系統一般按照以熱定電或以電定熱的模式來設計系統容量，這兩種方式都可能導致系統能源供需不匹配，使原動機經常變工況運行，余熱利用率低。引入蓄能裝置可以調節系統熱電比，優化機組運行工況，解決聯產系統負荷缺口問題。目前關于無蓄能裝置聯產系統的配置及運行策略研究較多，且越來越多的研究者們從多目標角度來評價系統[1-4]。在帶蓄能裝置聯產系統的研究方面，大多研究者們都從系統經濟性或一次能源節約率等單方面因素來評價分析系統優劣[5-9]，關于多目標綜合評價系統的研究較少，且主要集中在系統運行策略的方面，文獻[10-11]考慮能源、環境、經濟三個方面對帶蓄能裝置聯產系統的運行策略進行了研究。由于建筑物類型不同，若僅考慮單一的評價指標，則不能全面地評價蓄能型聯產系統，得到該建筑物最佳的配置方案。本研究以長沙地區某50000m2辦公樓為對象，設計不同的CCHP方案，運用層次分析法對帶蓄能裝置的方案的經濟性、環境性、節能性進行綜合評價，并與無蓄能裝置的方案比較，最終得到該辦公樓最佳的配置方案。

1 CCHP系統方案設計

1.1 系統配置型式

辦公建筑具有負荷間歇性變化大的特點，適合蓄能裝置發揮削峰填谷的作用。對于帶蓄能裝置聯產系統，當系統制冷（熱）負荷高于用戶需求時，將多余的冷（熱）負荷儲存在蓄能裝置中。當制冷（熱）負荷不能滿足用戶冷(熱)負荷需求時，再由蓄能裝置補充供應，調節了系統熱電比，解決了無蓄能裝置聯產系統能源供需不匹配、余熱利用效率低的問題。辦公建筑采用的帶蓄能裝置的冷熱電聯產配置型式如圖1所示。其中原動機為燃氣輪機，余熱回收裝置為煙氣型吸收式制冷機，調峰設備包括電動壓縮機和蓄能裝置。

圖1 帶蓄能裝置的冷熱電聯產系統

1.2 系統方案設計

以長沙地區某50000m2辦公樓為研究對象，通過DeST軟件模擬出其全年逐時冷熱電負荷情況。該辦公樓工作時段電負荷穩定在1250kW左右，夏季典型日峰值冷負荷約為4300kW，冬季典型日峰值熱負荷約為2800kW。該辦公樓的冷熱負荷遠大于電負荷，若采用以冷熱負荷確定機組配置的方法，聯產系統可滿足辦公樓冷熱負荷，無需配置蓄能裝置，且原動機容量過大，在并網不上網的政策下，造成電能的浪費，所以應以電負荷為基準進行配置選型，原動機可長時間處于額定工況下運行，并配合蓄能裝置，充分利用系統產生的余熱，實現冷（熱）的轉移，調節系統熱電比。具體配置方案如表1所示，其中方案七為分供方案。

表1 辦公樓CCHP配置方案

辦公樓工作日工作時間為8:00-19:00，周末不工作，且過渡季無需供冷、供熱，所以聯產系統只在冬季和夏季運行，過渡季不運行，年運行時間如表2所示。

表2 聯產系統年運行時間

2 CCHP系統多目標評價

為了全方面地評價系統的優劣，綜合考慮能源、環境、經濟三個方面的影響因素，將聯產系統與分供方案比較，以一次能源節約率（PESR），二氧化碳減排率（ESR），年費用節約率（CSR）[12]分別作為能源目標，環境目標和經濟目標對CCHP系統進行綜合評價分析。

2.1 多目標評價模型建立

采用層次分析法[13]對不同CCHP系統配置方案進行綜合評價。CCHP系統評價框架由三層評價體系構成，第一層為方案層，第二層為準則層，第三層為目標層。本研究中的評價流程圖如圖2所示。

圖2 CCHP系統評價流程圖

2.1.1 準則層

采用Santy的1～9標度方法，對辦公樓構建關于能源、環境、經濟的成對比較陣，滿足一致性檢驗校核后，得到相應的權向量。辦公建筑應著重考慮節能因素[14]，則辦公建筑關于能源、環境、經濟評價指標的權重向量ω=[0.55；0.24；0.21]。

2.1.2 方案層

根據各方案的能源、環境、經濟目標值，結合式（1），計算出基于三個標準的備選方案的成對比較陣，滿足一致性檢驗校核后，從而求得各方案關于每個標準的權重向量。

式中：Pi,j為成對比較陣的元素；Roundup為向負方向取整的函數；Ci、Cj為同一準則下任意兩個方案i和j的標準數值；Cmax為標準數值中的最大值；Cmin為標準數值中的最小值；N為最大標度值，根據Santy的層次分析法理論，N=9。

2.1.3 目標層

將準則層的權重與方案層的權重進行矩陣計算，得到系統的最終權重，從而選出最佳方案。

2.2 多目標評價計算

長沙地區售電單價采取分時電價政策，天然氣價格采取季節性差價政策，電、天然氣價格參數如表4、表5所示。

表4 電的價格參數

表5 天然氣的價格參數

根據系統配置方案，計算各方案初始指標值如表6所示。根據表6中的六個方案的能源（PESR）、環境（ESR）、經濟（CSR）的標準數值，計算出六個方案關于每個評價標準的成對比較陣及相應的權重，并結合準則層中評價標準的權重，求出各方案的最終權重如表7所示。

表6 各方案初始指標值

表7 各方案關于評價指標的權重因子及最終權重

2.3 系統評價結果分析

從表7中可見，同燃氣輪機容量下，方案四與方案一，方案五與方案二，方案六與方案三相比，通過引入蓄能裝置，其節能性、環境性、經濟性均有提高。在帶蓄能裝置的方案中，方案五的節能性最好。方案四的環境性最優，方案五低于方案四，但方案四的經濟性較差，主要原因是其設備初投資成本很高，折算的年總費用相對較高，降低了其經濟性。方案六的經濟性最佳，但其環境性卻很差，主要原因是方案六的設備容量較小，系統發電量和可利用的余熱較小，需從電網補足電量缺額很大，而電廠單位發電量排放的CO2較大，綜合考慮三個方面，方案五最佳。由表6計算可得，方案五與分供方案相比，其年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費用分別減少11.0%，30.9%，11.0%。與方案二相比，同燃氣輪機容量下，系統的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費用分別減少了0.9%、1.8%、1.6%。由于該辦公樓夏季冷負荷需求較大，蓄能裝置主要利用夜間低價電制冷蓄冷，白天放冷調峰來降低系統運行成本，但總節能量較小。冬季熱負荷波動較大，蓄能裝置主要通過回收系統余熱來減少能源消耗量，但冬季系統運行時間較短。所以對辦公樓，蓄能裝置的引入節能效果仍不明顯。對于醫院、火車站等全天均需冷（熱）負荷且晝夜負荷變化較大的建筑，引入蓄能裝置將有更好的前景。

3 結論

為長沙地區某50000m2辦公樓設計了六種CCHP系統方案，基于能源、環境、經濟評價標準，結合層次分析法進行了綜合評價。六種方案中，MakilaTI型燃氣輪機配合蓄能裝置的方案五最佳，與分供方案相比，其節能性、環境性、經濟性分別提高了11.0%，30.9%，11.0%。與方案二相比，同燃氣輪機容量下，蓄能裝置的引入使得系統的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費用分別減少了0.9%、1.8%、1.6%。