能源規劃中區塊化供能方案及運行策略分析

金海魁，王 健*，阮應君，金馮梁

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092；3.浙江浙能能源服務有限公司，杭州 310013)

能源的低碳、綠色、智慧成為21世紀很重要的詞匯之一，被多頻次、多場合提及。在此前提下，國際上主要發達國家紛紛提出建立低碳綠色的能源示范區，其中美國提出2030 年建立凈零能耗能源體系，英國2019 年公共建筑達到零碳，德國2020 年新建建筑達到近零能耗，芬蘭計劃率先打造全球第一個零碳城市等。

中國已確定了6 個低碳試點省區，36 個低碳試點城市，至今大陸31 個省市自治區當中除湖南、寧夏、西藏和青海以外，每個地區至少有一個低碳試點城市[1]，“十三五”期間國家將組織創建100 個國家低碳示范社區，將低碳理念融入社區規劃、建設、管理和居民生活之中，推動城鄉社區低碳化發展。盡管如此，如何在能源示范區建立高效互聯的能源系統仍需要持續研究和創新。

總結了近幾年國內外學者在區域綜合能源規劃方面的研究，其中易文飛等[2]以冷熱供應為基礎研究了區域綜合能源站選址及能源傳輸管網路徑優化布局問題；劉迪等[3]對綜合能源中的電、冷、熱等多能協同分配問題做了優化研究；龍惟定[4-5]基于需求側提出了能源總線的概念，并在中國多個項目上有所應用；雷雨[6]以京津城市群為例，對多元不確定區域能量系統進行了柔性隨機規劃方法的研究；洪博文[7]對雙層總線結構的模塊化區域用戶級能源系統進行規劃研究。

圖1 居住建筑和公共建筑區位

基于對區域綜合能源領域文獻的分析，國內外學者對于能源系統從源網荷儲等方面都進行過相關研究，從可再生能源與傳統能源的耦合配比優化到能源系統微網的打造，再到需求側的特性匹配，最后到儲能系統的研究。本文的區塊化供能是在具有共同特性的地塊打造高效精確的能源系統，其供能方式具有靈活化、精確化、高效化、自治性的特點，并結合區塊化能源系統用能時間的不同特征，可打造區塊化能源總線模式，實現能源系統之間的匹配互聯。

以某區域能源規劃實際項目為基礎，從區域能源需求的預測分析入手，結合系統側和儲能側，力求打造源網荷儲綜合考量的高效節能的區塊化能源系統。根據各片區周邊可再生資源稟賦，打造海水源熱泵能源總線系統，并進一步闡述該系統的相關適用性和運行策略，對于區域能源項目中的系統運行具有一定的必要性和指導意義。

在能源系統方案選型和能源總線的應用上具有一定的創新性和借鑒性。能源方案利用混合整數線性規劃對系統進行優化設計，以最小年化成本為目標函數，確定能源系統最佳配置方案；結合兩個地塊的用能時間特性打造能源總線系統，提高整體能源效率，對于能源總線系統在實際項目中的應用具有一定的實踐意義。

1 項目概況

項目建筑分為公共建筑和居住建筑兩類，公共建筑又分為商業、商辦混合和研發辦公等類型；居住建筑總面積為130.31×104m2，公共建筑總面積為153.60×104m2。能源系統也將分建筑類型打造居住建筑區塊化能源系統和公共建筑區塊化能源系統；由于各類型建筑在用能方面的互補性，打造區塊化能源微網將有助于實現區域能源的互聯互通、互補互濟，并提高綜合能源效率。

2 負荷預測

居住建筑及公共建筑的負荷由DesignBuilder 軟件進行模擬預測，軟件利用具有代表性的標準建筑進行建筑冷熱電負荷模擬，得到建筑冷熱電負荷的逐時動態特性[8]。

Design Builder軟件中的參數設置主要包括建筑外形參數、圍護結構熱工參數、內擾參數和室內外設計參數等[9]。上述參數均按《浙江省居住建筑節能設計標準》(DB 33—1015—2015)和《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2015)規范選擇。

區域能源規劃中大部分建筑為未建建筑，建筑外形參數經簡化原則，建筑底面形狀統一為矩形；其他的建筑外形幾何參數在模型樣本量確定過程中基本確定，可以在 DesignBuilder 軟件里建立簡化的計算模型[10]，圖2為標準建筑模型及分區情況。

圖2 標準建筑模型及分區

2.1 居住建筑負荷預測

居住建筑標準模型面積為12 527 m2，單層建筑面積約為750 m2，共18層，屬于多層住宅建筑。根據標準居住建筑負荷預測結果和居住建筑總面積，得到區塊內居住建筑總的典型日冷、熱、電負荷，如圖3所示。

由圖3(a)、圖3(b)可知，居住建筑的典型日冷熱負荷曲線的趨勢是一致的，但由于地域問題，居住建筑的冷負荷需求大于熱負荷需求，冷熱負荷需求峰值均出現在晚上21:00左右。該片區居住建筑總面積為130.31萬m2，其冷、熱、電負荷峰值和年總負荷詳如表1所示。

圖3 居住建筑典型日負荷曲線

表1 居住建筑負荷

2.2 公共建筑負荷預測

辦公建筑標準模型面積為33 940 m2，單層建筑面積約為1 500 m2，共20 層；商業建筑標準模型面積為56 916 m2，單層建筑面積約為7 500 m2，共8 層；根據標準公共建筑負荷預測結果和不同類型建筑總面積，得到區塊內公共建筑總的典型日冷、熱、電負荷，如圖4所示。

圖4 公共建筑典型日負荷曲線

由圖4(a)、圖4(b)可知，公共建筑的典型日冷熱負荷曲線的趨勢基本也是一致的；公共建筑的冷負荷需求在9:00—17:00相對平衡，峰值達到290 MW左右；熱負荷峰值在10:00左右，大約123 MW，并且公共建筑中冷負荷需求遠大于熱負荷需求。該片區公共建筑總面積153.60萬m2,其冷、熱、電負荷峰值和年總負荷詳如表2所示。

表2 公共建筑負荷

3 區塊化能源系統供能方案

能源方案利用混合整數線性規劃對系統進行優化設計，結合源網荷儲四個方面，以最小年化成本為目標函數，能量平衡、環境低影響、設備生產能力為約束，確定能源系統最佳配置方案。

3.1 公共建筑能源系統供能方案及投資估算

當地冬、夏季海水水溫適宜用作熱泵冷熱源，可在公共建筑集中用能區域規劃較大規模海水源熱泵設施，結合發電系統、冷熱源系統和儲能系統打造復合式能源系統。并與另一居住建筑片區結合打造海水源熱泵能源總線系統。其能源系統形式如圖5所示。

圖5 公共建筑能源系統形式

該片區能源系統采用天然氣內燃機+吸收式制冷+電制冷+海水源熱泵+儲能罐。設備清單詳如表3所示。

在規劃區建設進程初期，負荷率不足50%的時候，建議優先配置3 MW內燃機1 臺、對應1 臺3 MW吸收式制冷機、1 臺5 MW海水源熱泵、離心

表3 公共建筑能源系統設備

式冷水機組10 000 RT和15 t·h-1的鍋爐。隨著建設進程完善，逐步配置全部機組。

冬、夏季能源系統運行策略示意如圖6所示。

圖6 冬、夏季能源系統運行策略示意圖

夏季供冷運行策略：①優先滿足內燃機使用10 h，吸收式制冷并通過蓄熱削峰填谷；②其次盡量使離心式冷水機組滿負荷運行；③剩余冷量由海水源熱泵提供。

冬季供熱運行策略：①優先滿足內燃機使用10 h；②其次通過蓄熱削峰填谷；③剩余使用海水源熱泵制熱，其中運行策略如表4所示，冬夏季各機組負荷分配如圖7所示。

表4 分布式能源站系統運行策略

圖7 冬、夏季各機組能源供給占比

公共建筑分布式能源站投資及運行費用估算如表5所示。公共建筑片區方案，系統初投資總計34 177萬元，運行費用總計4 631萬元，運行收入總計8 116萬元，投資回收期為9.81年。

表5 公共建筑分布式能源站投資及運行費用估算

3.2 居住建筑能源系統供能方案及投資估算

能源總線系統(energy bus system，EBS)是近年來被提出的一種可實現在區域范圍內冷、熱能量互通互融的新系統，是一種集成化規模化應用在區域內的低品位能源、可再生能源及未利用能源的低碳區域供冷供熱能源系統。能源總線系統半集中的末端系統形式不但可以規避區域供冷系統末端負荷率低導致的系統能效降低的問題，還可以在區域級別上集成應用多種天然冷熱源，同時回收熱量，提高系統能效比。

根據居住建筑片區的負荷預測結果，可知居住建筑總負荷需求相對較低，可以首選低品位熱源、可再生能源及熱回收的利用，并綜合考慮到收費及運行圍護管理因素，居住建筑適宜采用能源總線的方式進行供能，又由于居住建筑和公共建筑在冷熱需求時間上具有互補性，因此居住建筑冷熱負荷和公共建筑部分冷熱需求適宜采用能源總線進行供能。

能源總線系統方案中，系統消耗電能向用戶供冷供熱，主要投資為海水側站房及管線投資等，系統原理如圖8所示。

本方案中能源總線初投資根據建筑面積確定參考價為35元/m2，其相應投資及費用估算如表6所示。

圖8 居住建筑能源系統形式

表6 能源總線系統投資及運行費用估算

該區居住建筑方案系統初投資總計4 560萬元，運行費用總計2 516萬元，運行收入總計2 993萬元，投資回收期為9.56 年。

4 結論

旨在打造區塊化能源系統，通過對居住建筑和公共建筑地塊進行針對性負荷預測，并結合地塊周邊可再生資源稟賦，打造綠色高效的區塊化能源系統，從以上分析和計算中，得出如下結論。

(1)通過對居住建筑和公共建筑的用能需求分析，得到居住建筑和公共建筑典型日負荷曲線，利用居住建筑和公共建筑在用能時間上的互補性，規劃公共建筑能源系統組合為天然氣內燃機+吸收式制冷+電制冷+海水源熱泵+儲能罐，居住建筑利用海水源能源總線系統進行供能。

(2)通過對居住建筑和公共建筑能源系統初投資、運行費用、收益等的分析計算，得出居住建筑和公共建筑的動態回收期在9 年左右，相對合理。

(3)區塊化能源系統的打造有利于能源系統之間的互聯匹配，根據不同區塊用能需求時間上不同的特征，利用能源總線的方式實現能源系統之間的聯系，形成真正的能源微網互聯、互通、互濟。