樓宇型分布式能源主要設備選型及經濟性分析

張 軍， 孫依帆， 陳 偉， 陳俊丞， 陸啟亮

(1. 國家電力投資集團有限公司海南分公司， 海口 570000； 2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

分布式能源作為一種新興的能源結構，與傳統的集中供能方式相比，具有節約能源、環保性好、啟停靈活等優點[1]。集中供能是城市基礎設施和公益事業，建立區域分布式能源站集中供能，符合國家的節能減排政策，能顯著提高能源綜合利用率，為節能減排、發展低碳經濟作出巨大貢獻。

樓宇型分布式能源是以“效益規模”為法則的第二代能源系統，以天然氣為燃料的分布式能源系統，實行熱電冷聯產，可以大幅度提高能源轉換效率和減少能源輸送損失[2]。目前樓宇型分布式能源普遍存在著系統配置不合理、投資和運行成本高等問題，導致其經濟性較差。針對該類系統用戶類型多、供能情況復雜、可選擇的供能設備種類多等特點，筆者以某樓宇型分布式能源為研究對象，分析其冷熱負荷變化，在此基礎上提出了兩種不同的裝機方案，并對兩種方案進行了經濟性對比分析，對樓宇型分布式能源的設計和優化具有一定的借鑒意義[3]。

1 冷熱負荷分析

樓宇型分布式能源冷熱負荷直接關系到系統配置、運行策略和經濟性，因此必須針對特定的邊界條件進行詳細的冷熱負荷分析，以確保后續研究工作的準確性。以某樓宇型分布式能源系統為例，其供能業態類型主要包含辦公、商業、酒店和醫院，各業態的建筑面積和冷熱指標等信息見表1，負荷同時使用系數取0.65，計算得到合計的冷負荷和熱負荷分別為15 015.708 5 kW、5 000.164 kW。

表1 業態的建筑面積和冷熱指標表

全年負荷預測采用DeST(Designer’s Simulation Toolkit)軟件進行模擬[3]，通過簡化建筑模型的方式進行推算。根據建筑業態類型分別建立模型，對圍護結構參數、內擾參數、房間作息進行設置，并加入通風模型模擬建筑實際運行情況。根據模型計算的全年負荷，對建筑面積進行等比例擴大，并考慮同時使用系數推算出各個供能區域內全年的冷熱負荷。

假定全年的供冷時間段為每年的4月15日至10月15日，供熱時間段為每年的11月15日至3月15日，其他時間為過渡季，通過仿真模擬可以得到該樓宇型分布式能源的全年逐時冷熱負荷曲線(見圖1)。

圖1 全年逐時冷熱負荷曲線

2 裝機方案

系統要求夏季空調供、回水溫度為6 ℃、13 ℃，冬季空調供、回水溫度為60 ℃、50 ℃。針對上述供回水溫度，夏季采用離心式冷水機組即可滿足要求；冬季供回水溫度高，普通的風冷螺桿式熱泵或者空氣源熱泵在室外溫度較低的情況下無法滿足出水溫度60 ℃的要求。此外，單一使用風冷螺桿式熱泵或者空氣源熱泵進行制熱，難以滿足溫差10 K的升溫要求。因此對于冬季采暖，筆者討論兩種裝機方案：方案一采用兩級熱泵制熱，即采用風冷螺桿式熱泵作為一級熱泵，向二級熱泵-離心式熱泵提供低溫熱源，其工藝流程圖見圖2；方案二采用常規天然氣鍋爐制熱，其工藝流程圖見圖3。

圖2 方案一工藝流程圖

圖3 方案二工藝流程圖

方案一和方案二的設備裝機對比見表2。

表2 設備裝機對比表

兩種方案中的內燃發電機發電僅在能源站內部供制冷制熱設備使用，不向外供電，當內燃發電機發電量不足時從電網購買電力。為了控制變量，兩種方案選擇了相同型號(SGE-36SL)的天然氣內燃發電機，其具體參數見表3。

表3 內燃發電機主要設備技術項目表

3 經濟性對比

3.1 技術指標

兩種方案全年主要技術經濟指標對比見表4。

表4 經濟指標對比表

3.2 經濟評價指標

各應用方案的經濟性分析，主要通過對比各種方案下邊界條件變化時的經濟評價指標，包括凈現值、內部收益率和投資回收期[4]。

3.2.1 凈現值

凈現值EFNPV是指用預定的基準收益率分別將整個計算期內各年所發生的凈現金流量都折現到技術方案開始實施時的現值之和。

(1)

式中：(ECI,t-ECO,t)為第t年的凈現金流量，ECI,t為流入現金，ECO,t為流出現金；ic為基準收益率；n為計算期。

EFNPV>0，技術方案可行；EFNPV=0，技術方案可以考慮接受；EFNPV<0，技術方案不可行。

3.2.2 內部收益率

內部收益率iFIRR是使技術方案在整個計算期內各年凈現金流量的現值累計等于0時的折現率。

(2)

iFIRR應與ic比較：iFIRR≥ic，技術方案可行；iFIRR

3.2.3 投資回收期

投資回收期為不考慮資金時間價值的靜態投資回收期Pt，是指以技術方案的凈收益回收其總投資或資本金所需要的時間。

(3)

Pt應與基準投資回收期Pc比較：Pt≤Pc，技術方案可以考慮接受；Pt>Pc，技術方案不可行。

3.3 應用分析

對兩種方案進行了經濟性指標的計算，方案測算邊界包括：供冷熱價格為0.65 元/(kW·h)，用戶接入費為140 元/m2，購電價格為0.756 元/(kW·h)，天然氣價格為2.27元/m3，補水價格為5元/t。經濟性指標的計算期為21 a，包含建設期1 a，主要計算結果匯總見表5。

表5 兩種方案經濟性指標

方案一在冬季制熱時采用兩級熱泵方式，而其電源來自內燃發電機發電和市電，因此內燃發電機的全年利用時間高，天然氣耗氣量高；方案二在冬季制熱時采用天然氣鍋爐方式，內燃發電機在冬季關閉，天然氣耗量低。方案一增加了設備投資，同時方案二中的天然氣鍋爐設備造價較低，因此方案二的總投資較方案一略低。

結合表4和表5 分析可知：方案二的購電成本較方案一略高，但方案二的天然氣耗量較低，天然氣成本低，同時方案二的總投資較低，從而導致其修理費、折舊費等固定成本較低，最終導致方案二的經營成本更低，因此收益率更好。兩種方案的經濟性差異不大，但如果系統規模變大，經濟性差別會更加明顯，因此在進行方案設計時須要結合業態類型、設備型式、資源價格等參數進行裝機方案的反復比選，選擇經濟性最優的技術方案，以此提高樓宇型分布式能源的整體經濟性。

4 結語

筆者針對某樓宇型分布式能源，進行了冷熱負荷分析，提出了兩種裝機方案，并進行了經濟性對比分析，主要得出以下結論：

(1) 針對冬季供暖供回水溫度較高的系統，傳統的單一風冷螺桿式熱泵或者空氣源熱泵無法滿足要求，須要采用兩級熱泵或者天然氣鍋爐供暖。

(2) 對比兩種設備選型方案，方案二的總投資和經營成本較方案一略低，收益率更好，盡管兩種方案經濟性差異不大，但放大規模后差異性會更加明顯。

(3) 樓宇型分布式能源用戶業態類型多、設備選擇方式多樣、邊界條件復雜，必須進行多種裝機方案的對比計算，選擇經濟性最優的方案。