區域分布式“多能互補”能源系統方案綜合評價

高 彬 劉 勇 劉育辰

（1. 中國華西企業有限公司，廣東 深圳 518034；2. 重慶大學，重慶 400045）

在我國能源體系中，煤炭仍是能源消費中的主要燃料；然而，煤炭的能源利用效率低、碳排放量高，因此，需要加快能源結構由煤炭向天然氣與可再生能源的轉變[1]。區域分布式“多能互補”能源系統在為區域建筑群供電的同時，可利用發電余熱為區域建筑群供冷供熱，實現能源的梯級利用以及多種能源互補利用、聯合運行；加強了冷、熱、電、氣等能源生產的耦合集成，大大提高了能源綜合利用效率，減少了污染物排放量。 因此， 近年來區域分布式“多能互補”能源系統在我國受到了越來越多的關注。

針對區域分布式“多能互補”能源系統的綜合效益評價、分析，是一個值得深入研究的熱點問題。近年來，已有學者[2～9]分別從經濟、能耗 （技術） 、環境等角度建立了分布式能源系統多指標評價體系，并通過層次分析法、AHP-熵權法、多屬性混合關聯層次綜合評價法、綜合賦權法等，對不同氣象條件、不同類型建筑、不同形式的分布式能源系統進行了綜合評價，并取得了較好的應用效果。

本文將以某區域能源規劃項目為案例，綜合考慮冷熱電三聯供系統與可再生能源系統的特點，從經濟效益、能源效益、環境效益、技術效益、社會效益五個方面，建立能源供給系統方案的綜合評價指標體系，利用層次分析法確定各指標權重，利用模糊綜合評價法建立模糊數學評價模型，對該區域能源規劃項目的能源供給初擬方案進行綜合評價，從而進一步優選出適宜于該項目的區域能源供給方案。

1 工程概況

本文案例項目位于貴州省貴陽市。項目區域有A、B、C三個片區，主要包含酒店、公寓、辦公、商業等建筑類型，總建筑面積37.7 m2。其中：A區，主要為酒店、公寓、辦公建筑，總建筑面積18.5 m2；B區，主要為商業建筑，總建筑面積5.2 m2；C區，主要為住宅、商業建筑，總建筑面積14 m2。

項目區域擬建設區域分布式“多能互補”能源站以滿足區域內各用戶的冷、熱、電及生活熱水需求。

2 區域建筑群能源需求特性分析

該項目集中能源需求主要包括：酒店、商業、部分住宅的全年空調冷熱供給，區域建筑全年電供給，以及區域建筑全年衛生熱水供給。

利用DeST能耗模擬軟件，可以對案例項目采用集中空調建筑的逐時冷、熱負荷進行模擬分析，從而得到該區域建筑群集中空調全年累計供熱量為5 546.11 MWh，全年累計供冷量為4 004.03 MWh。同時，由全年空調逐時冷、熱負荷模擬結果，還可以得到該項目集中空調全年冷、熱負荷的負荷率區間分布，如表1所示。由表1可知，該案例項目全年集中空調冷、熱負荷需求大部分時段處于低負荷率區間。區域能源供給方案選擇以及冷熱源設備容量、設備數量確定，應以此為依據并給予充分重視。

表1 冷熱負荷負荷率分布 /%

利用貴陽市既有建筑用電實地調研數據、建筑配電相關規范的電力負荷指標[10]、國外相關建筑生活熱水負荷估算指標[11]，可以粗略估算得到該區域建筑群全年累計耗電量18 706.6 MWh、全年累計生活熱水負荷2 917.08 MWh。

同時，根據該區域的逐時熱 （冷） 負荷、電力負荷分析，可以得到該區域建筑群的冬、夏逐時熱電比 （見圖1）。由圖1可知：該案例項目的區域建筑冬、夏熱電比普遍較小，熱電比小于1的總時段占比達到69.6%，熱電比小于0.5的總時段占比達到54%。

圖1 冬夏季逐時熱電比統計圖

3 區域可利用能源資源評估

天然氣資源方面，案例項目區域天然氣資源豐富，天然氣管線較多，具有較好的利用天然氣冷熱電三聯供技術的基礎條件[12]。

地表水資源方面，案例項目區域河水夏季平均水溫約在17～26 ℃，冬季平均水溫約在10～12 ℃；多年平均流量為0.667 m3/s，汛期 （5～10月） 多年平均流量為0.926 m3/s，枯水期多年平均流量為0.428 m3/s，水體水質指標可達到Ⅲ類水質標準。根據公式 （1） 、 （2），可以初步估算得到該項目區域地表水源熱泵系統夏季最大供冷量為19 571.46 kW，冬季最大供熱量為11 414.76 kW。

地熱資源方面，通過對案例項目區域的地下巖土熱響應測試結果，可以得到案例項目區域地下垂直埋管換熱器的換熱性能參數分別為：制冷工況下，豎直地埋管換熱器 （100 m雙U管） 換熱量約6.3 kW；供暖工況下，豎直地埋管換熱器（100 m雙U管） 換熱量約5.24 kW。案例項目區域有面積約1.8 m2地塊區域可以埋設地下換熱器，經過計算可以埋設約1 200口地下換熱器。根據公式 （3） 、 （4），可以估算得到該項目區域地下換熱器冬季最大供熱量為7 860 kW、夏季最大供冷量為6 510 kW。

式中：Qgshp-h——地埋管地源熱泵系統冬季供熱量（kW）；Qgshp-c——地埋管地源熱泵系統夏季供冷量（kW）；A——可埋管區域面積（m2）；qh、qc——冬夏季單位埋管管長換熱量（W/m）；l——單位埋管面積地埋管管長（m/m2）；COPh——地埋管地源熱泵系統的制熱性能系數；EERc——地埋管地源熱泵系統的制冷能效比。

太陽能資源方面，由統計資料發現，案例項目區域1961～2015年[13]地面的太陽輻射累年平均年總量為3 721.85 MJ/（m2·a）， 太陽能資源穩定度 （K值） 約為3.94[14]。根據《太陽能資源評估方法》，案例項目所在區域太陽能資源豐富程度一般，太陽能資源屬于“較穩定”級。為此，案例項目區域能源供給方案盡管不適宜以太陽能為主，但是可以考慮利用太陽能進行輔助熱供給。

4 區域能源供給初擬系統方案

根據前述分析，項目區域可利用的能源系統主要有冷熱電三聯供系統、地表水源熱泵系統、地埋管地源熱泵系統。結合項目區域能源價格體系，對三種系統進行對比分析可知，雖然冷熱電三聯供系統的初投資較高，但是在運行費用與節能減排方面，冷熱電三聯供系統效果仍具有較好的優勢。此外，冷熱電三聯供系統能夠大大提高用戶用電的安全性與穩定性，可以有效緩解電網負荷較重時的電網壓力、實現對燃氣和電力的雙重削峰填谷、保障區域能源系統的穩定可靠供應。因此，在該項目能源供給系統考慮中，優先考慮使用冷熱電三聯供系統。

結合項目區域能源儲備及需求分析，初步提出以下4種可行的能源供給方案：方案一，“天然氣冷熱電三聯供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統；方案二，“天然氣冷熱電三聯供+土壤源熱泵+太陽能集熱”系統；方案三，“冷熱電三聯供+常規冷水機組+燃氣鍋爐” 系統；方案四，“電網供電+常規冷水機組系統+燃氣鍋爐”系統。同時，考慮區域建筑群冷熱負荷逐時負荷率以及冬、夏熱電比，為了提高天然氣冷熱電三聯供系統的能源效率，在上述初選能源方案中均采用以基荷定熱 （35%） 的能源結構及系統運行模式。

5 綜合評價指標體系與數學模型的構建

根據已有文獻研究、工程項目經驗以及案例項目情況，可以從經濟效益、能源效益、環境效益、技術效益、社會效益五個方面建立該項目能源供給系統綜合評價指標體系。經濟效益包含：效率型指標內部收益率、價值型指標費用年值、時間型指標投資回收期；能源效益包含：一次能源利用率、相對節能率、可再生能源利用率；環境效益包含：CO2、NOX、SO2以及煙塵減排量，噪聲對環境影響；技術效益包含：技術成熟度、安全可靠性以及維護管理難度；社會效益包含：與國家政策的一致性、技術示范性、資源合理利用以及帶動相關產業與增加就業機會等。從而，可得該項目能源供給系統方案的綜合評價層次指標體系，如圖2所示。

在綜合評價層次指標體系確定的基礎上，利用模糊綜合評價法即可建立該項目能源供給系統各初擬方案的模糊評價數學模型[15]。

圖2 區域能源供給系統方案綜合評價指標體系

6 綜合評價

6.1 評價指標權重計算

利用層次分析法，可以確定綜合評價指標體系各指標的權重，其中一級指標的權重如表2所示[16]，二級指標的權重如表3所示。

6.2 定量指標隸屬度值

表2 一級指標相對重要性及權重

表3 二級指標權重

基于項目區域能源供需特性、初選方案的組合形式以及各定量指標的計算方法，可以對各定量指標進行計算，計算結果如表4所示。

根據已有文獻研究、案例項目資料以及各指標的計算結果，可以構建各評價指標對應的隸屬度函數，進而求得各定量指標的隸屬度值，如表5所示。

表4 初選方案各定量指標對比分析表

表5 初選方案各定量指標隸屬度值

6.3 定性指標隸屬度值

根據前述初擬能源供給方案的定性指標實際情況，設置對應的定性指標評判的評語級，由專業領域的專家結合案例項目區域情況對各初擬方案的相應定性評價指標進行評判，并利用模糊統計法可以得到各定性指標的隸屬度值，如表6所示。

表6 初選方案各定性指標隸屬度值

6.4 綜合效益評價

以各指標權重與隸屬度值，對案例項目的初選方案進行綜合評價，尋求適合案例項目的綜合效益最優的能源供給方案。

前述初擬能源供給系統方案的一級指標的評判矩陣如下：

由一級指標權重，可以得到各初擬方案的模糊綜合評價結果為：

根據模糊綜合評價結果，可以看出：方案一 （“冷熱電三聯供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統） 是該案例項目能源供給的綜合效益最優方案；其余能源供給方案依次分別為：方案二 （“冷熱電三聯供+地埋管地源熱泵+太陽能集熱”系統） 、方案三 （“冷熱電三聯供+常規冷水機組+燃氣鍋爐”系統） 、方案四 （“電網供電+常規冷水機組+燃氣鍋爐”系統）。

為此，對本案例項目而言，適宜于該項目能源資源及需求的綜合效益最優區域能源供給方案建議設計確定為“冷熱電三聯供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統。

7 結語

實際工程中，同一區域能源規劃項目的可利用能源供給系統方案通常并不唯一。在區域能源供給系統的最優化方案確定中，應結合區域能源需求特性、能源資源條件，采用科學、合理的評價方法進行科學評估、綜合考量。

對于某區域能源規劃項目而言，基于項目區域能源需求特性、能源資源條件分析，利用層次分析法與模糊綜合評價法對該區域能源供給系統初擬方案進行了綜合評價。根據綜合評價結果，適宜于該項目的綜合效益最優區域能源供給方案為“冷熱電三聯供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統。