住宅分布式供能系統模型與運行策略研究

沈 軼 何 青

華北電力大學能源動力與機械工程學院

0 引言

分布式供能技術通過能量的梯級利用，使能源利用變得更高效和節能，同時減少了能源利用對環境的污染[1]。

分布式供能系統又稱為分布式冷、熱、電聯產系統，通過小規模、模塊化和分散式安裝在用戶端，同時提供冷、熱、電多種形式的能源[2,3]。美國、日本和英國等國家對分布式供能系統的經濟性和效率等方面進行了大量研究和應用[4-6]。我國對分布式供能系統應用的可行性、優化設計和運行策略等方面也已開始研究和試點應用[7-15]。如今的世界和社會發展迅速導致了人們對于生活環境和生活質量的要求也越來越高，各種以清潔能源為主的分布式供能系統正在向前發展[16]。但是，如何優化選擇分布式供能系統的運行策略顯得尤為重要。根據近年來國內外學者對分布式供能系統運行策略的研究可知，大部分僅對商用建筑進行了研究，對于住宅式建筑的研究卻很少。

本文針對住宅類建筑，模擬了全年的人員作息、空調作息、設備熱擾和燈光照明作息等條件并進行建筑負荷和內擾電耗的計算。以華南某高校宿舍為案例，對模擬所得到的兩種不同運行策略的理論結果進行對比，從經濟的角度為住宅式分布式供能系統的運行優化提供切實可行的建議。

1 住宅分布式供能系統模型

1.1 系統組成

分布式供能系統即分布式冷熱電聯供能源系統，包括制冷、制熱和發電3 個部分，可以為住宅建筑提供制冷負荷、熱水負荷和電負荷。圖1 系統由燃氣發電機組、輔助燃氣鍋爐、太陽能集熱器、蓄熱裝置以及溴化鋰吸收式制冷機組組成，可實現冷、熱、電三聯供。制冷負荷與熱水負荷均來自燃氣發電機組余熱以及燃氣鍋爐和太陽能集熱器產生的熱負荷。

圖1 住宅分布式供能系統圖

圖1中：

Ee—向電網購買的電量，W；

Eg—燃氣發電機組的輸出電量，W；

Qg—燃氣發電機組的輸出余熱，W；

Qb—燃氣鍋爐的輸出熱量，W；

Qs—太陽能集熱器的輸出熱量，W；

Qc0—溴化鋰吸收式制冷機組的輸入熱量，W；

Qc—建筑所需的冷負荷，W；

Qh——建筑所需的熱負荷，W。

1.2 系統組成

1.2.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器包括平板型集熱器和真空管集熱器。與真空管太陽能集熱器相比，平板型太陽能集熱器承壓性好，吸熱面大，結構簡單，操作方便，成本低，穩定性好，安全性高。本研究采用平板型太陽能集熱器。太陽能集熱器的效率hs如式（1）[16]。

式中，

h0—效率截距；

Us—太陽能集熱器熱損系數，W/(m2×K)；

Ts—太陽能集熱器工作溫度，K；

T0—環境溫度，K；

I—太陽輻射強度，W/m2。

太陽能集熱器所產生的熱量Qs如式（2）[16]。

式中，

S—太陽能集熱器面積，m2。

1.2.2 燃氣發電機組

本系統采用燃氣發電機組發電。當燃氣發電機組的發電量不能滿足整座建筑的日常用電需求時，系統從電網購電。燃氣發電機組燃燒天然氣后產生的余熱進入蓄熱裝置或直接用于熱水負荷。燃氣發電機組的發電量Eg如式（3）。

式中，Er—燃氣發電機組的額定發電量，W；fg——燃氣發電機組的負載率。

燃氣發電機組的發電效率hg如式（4）[17]。

燃氣發電機組運行過程中，天然氣燃燒產生的熱量Qg如式（5）。

燃氣發電機組運行過程中所需的天然氣體積Vg如式（6）。

式中，qg——天然氣燃燒的低位發熱量，J/m3。

購買天然氣所需費用Cg如式（7）。

式中，cg——天然氣價格，元/m3。

1.2.3 燃氣鍋爐

如果燃氣發電機組運行過程中所產生的余熱和太陽能集熱器吸收太陽輻射所產生的熱量不能滿足日常所需熱水負荷時，需要輔助鍋爐進行供熱。輔助鍋爐采用燃氣鍋爐。燃氣鍋爐的輸出熱量Qb如式（10）。

式中，fb—燃氣鍋爐負荷率；

由于鍋爐負荷率低于85% 或高于100% 時會嚴重影響其運行效率，多余熱量存儲在蓄能裝置中。燃氣鍋爐的運行效率hb如式（11）[17]。

燃氣鍋爐所需的天然氣體積Vb如式（13）。

由此得到，燃氣鍋爐所需的天然氣費用Cb如式（14）。

1.2.4 溴化鋰吸收式制冷機組

冷負荷由溴化鋰吸收式制冷機組提供。溴化鋰吸收式制冷機組通過吸收來自燃氣鍋爐、太陽能集熱器吸收太陽輻射或者燃氣發電機組所產生的熱量和余熱給整座建筑提供冷負荷。溴化鋰吸收式制冷機組的吸收熱量Qc0如式（15）。

式中，

Qc—溴化鋰吸收式制冷機組輸出的制冷量，J；

COP——溴化鋰吸收式制冷機組的循環性能系數。

1.3 運行策略

1.3.1 以電定熱

系統的電負荷由燃氣輪機發電機組提供且優先滿足電負荷，可能的情況如下：

(1) 若當日所需電負荷需求小于燃氣輪機發電機組的最大功率時，此時不需要向電網買電。制冷熱負荷由太陽能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機以及燃氣輪機發電機組余熱提供，多余熱量進入蓄熱裝置，不足的則由燃氣鍋爐提供。

(2) 若當日所需電負荷需求大于燃氣輪機發電機組的最大功率時，此時需要向電網買電。冷熱負荷由太陽能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機以及燃氣輪機發電機組余熱提供，不足的則由燃氣鍋爐提供。

1.3.2 以熱定電

系統的制冷負荷和熱水負荷所需熱負荷先由燃氣輪機發電機組產生的余熱和太陽能集熱器提供且優先滿足熱負荷，可能的情況如下：

(1) 若當日所需熱負荷小于太陽能集熱器的熱量和燃氣發電機組的最大功率所產生的余熱，則不需要打開燃氣鍋爐。若當日所需電負荷需求小于燃氣輪機發電機組的發電量時，此時不需要向電網買電，多余電量上網。若當日所需電負荷需求大于燃氣輪機發電機組的發電量時，此時需要向電網買電。

(2) 若當日所需熱負荷大于或等于太陽能集熱器的熱量和燃氣發電機組的最大功率所產生的余熱，則需要打開燃氣鍋爐。若當日所需電負荷需求小于燃氣輪機發電機組的發電量時，此時不需要向電網買電，多余電量上網。若當日所需電負荷需求大于燃氣輪機發電機組的發電量時，此時需要向電網買電。

2 案例計算

2.1 計算參數

本文以華南某學生宿舍為研究對象。建筑共3層。每層有40 個房間，規格為4×5 m2，每個房間住6 人。電負荷主要為照明用電和設備用電。計算得到了全年逐時熱負荷和電負荷。建筑平面圖如圖2所示。全年的太陽輻射強度如圖3所示。設備參數和費用參數如表1和表2所示。作息時間如表3所示。

圖2 學生宿舍平面圖

圖3 全年逐時太陽輻射強度

表1 設備參數

表2 費用參數

表3 作息時間

熱水負荷根據《GB50015-2010 建筑給排水設計規范》，結合每人用水量及作息時間得到。供應熱水時間為19:00-23:00。加熱熱水的熱量Qh如式（16）。

式中，

C=4.2×103J/(kg×K)，水的比熱容；

m—水的質量，kg；

Δt—水的溫差，K。

在房間加入制冷空調后，空調開啟溫度設定為tamax=30 ℃。在負荷模擬軟件中，冷負荷的計算公式如式（17）[18]。

式中，

qhvac—房間所需冷負荷，kJ；

ta—房間內空氣溫度，℃；

tbz—當前時刻房間不投入冷負荷時的溫度，℃。

其中：

式中，ψi,k，λi—表征房間熱特性系數。

當前時刻房間不投入冷負荷時的溫度tbz如式（20）。

式中uk—作用在各溫度節點上的熱擾。當tbz超過tamax時空調開啟。

其中房間空氣溫度的分量tai如式（21）。

室內房間溫度ta如式（22）。

溴化鋰吸收式制冷機組的循環性能系數COP取1.1[16]，蓄熱裝置的輸入輸出效率取0.9[12]。當燃氣輪機發電機組運行負荷小于50%時，機組熱效率顯著下降，所以燃氣輪機發電機組運行負荷不低于0.5[9]。

2.2 計算結果

全年負荷計算結果如表4 所示。該學生宿舍全年最大制冷負荷為865.2 kW，最大熱水負荷為73.5 kW，最大電負荷為147.6 kW。全年累計制冷負荷182.7 MW，累計熱水負荷98.3 MW，累計電負荷298.0 MW。由于華南地區天氣原因，空調開啟時間較長，從4 月中旬持續到9 月結束。圖4 和圖5 分別給出了春季、夏季、秋季和冬季4個典型日的負荷曲線和全年逐時制冷負荷、電負荷和熱水負荷。由于寒暑假原因，2 月、7 月和8月均無負荷。

表4 全年負荷

圖4 典型日冷熱電負荷

圖5 全年逐時冷熱電負荷

在圖5中，因為2月為寒假，7月和8月為暑假，所以功率為0。制冷主要集中在5 月、6 月和9 月，這三個月消耗的功率最多。整個圖形波動較大。進入5月日照充足，因此，5月、6月和9月相比其他月份照明用電明顯減少，電負荷也明顯減少。其他月份波動不大。熱水由學校統一在固定時間段供給，幾乎沒有波動。從整體看高校宿舍類建筑負荷較居民建筑負荷波動小。

3 能源成本分析

3.1 典型日能源成本計算

典型日的能源成本C計算式如式（23）。

式中，Ce——購電費用，￥。

根據式(23)計算得到對應的能源成本如表5所示。由表5 可以看出，春分、秋分和冬至3 個典型日的用能成本低于夏至的用能成本。采用以熱定電運行策略時用能成本低于以電定熱的用能成本。

表5 兩種運行策略下的典型日能源成本

2種運行策略下4個典型日的能源成本比較如圖6所示。

圖6 典型日的能源成本

3.2 典型日能源成本分析

3.2.1 春分

受燃氣發電機組的額定功率限制，19:00-23:00在燃氣發電機組滿負荷運行下還需向電網額外購電，故在以電定熱運行策略下天然氣成本和購電成本都比較高，天然氣成本為435元，購電費用為365 元。與以電定熱運行策略相比，在以熱定電運行策略下因熱水負荷較少故天然氣費用大幅降低，電量主要從電網購買，天然氣成本為118元，購電費用為540元。雖然購電費用增加但天然氣費用卻下降顯著，總成本與以電定熱相比更低。在電負荷遠多于所需熱水負荷的情況下，在以熱定電運行策略下運行花費成本更低，主要是滿足電負荷的花費較多，天然氣費用少。雖然熱水負荷需求少但燃氣發電機組運行工況需在50%以上，導致產熱過剩。在春季無制冷負荷需求，電負荷需求較大，熱水負荷需求少，采用以熱定電運行策略可減少天然氣費用，主要成本在于購電費用，但總成本仍小于在以電定熱運行策略下的總成本。

3.2.2 夏至

當天的電耗主要集中在18:00-23:00期間，峰值為143 kW，其余時刻的電耗很少，最高為24 kW。以電定熱情況下，在18:00 之前的熱負荷主要由燃氣輔助鍋爐提供。因所需熱負荷多，相比以熱定電，在以電定熱下燃氣輔助鍋爐消耗的天然氣更多。在以電定熱下燃氣輔助鍋爐的天然氣費用為424元，在以熱定電下燃氣輔助鍋爐的天然氣費用為371元。在以熱定電運行策略下，因熱負荷需求大，在18:00 以前燃氣輪機發電機組也處于運行狀態，會導致產電過剩，從而造成浪費。同時天然氣消耗相比以電定熱下也會更多。在以電定熱下燃氣發電機組的天然氣費用為350 元，在以熱定電下燃氣發電機組的天然氣費用為436元。在以電定熱下電量主要由燃氣輪機發電機組提供，故購電費用小于以熱定電。在以電定熱下的購電費用為230 元，在以熱定電下的購電費用為287 元。因此，在夏至這天制冷負荷很高，若采用以熱定電，在用電低峰運行會導致產電過剩，造成浪費，同時購電費用也會更高。采用以電定熱運行策略可以節約電量，降低購電成本。

3.2.3 秋分

在9:00-23:00 都有電負荷需求。但電負荷需求依舊少于熱負荷需求，故燃氣發電機組消耗的天然氣小于以熱定電下燃氣發電機組消耗的天然氣。在以電定熱下燃氣發電機組的天然氣費用為396 元，以熱定電下燃氣發電機組的天然氣費用為493 元。9:00-23:00 燃氣發電機組都在運行，所產生的余熱會比較多，燃氣輔助鍋爐的運行時間明顯縮短，所消耗的天然氣變少。在以熱定電下燃氣輔助鍋爐僅在20:00 和22:00 需要啟動。以電定熱下燃氣輔助鍋爐在0:00、2:00、5:00 和22:00 啟動，運行時長多于以熱定電，天然氣消耗量會更多。在以電定熱下燃氣輔助鍋爐消耗的天然氣費用為212元，以熱定電下燃氣輔助鍋爐消耗的天然氣費用為106元。以電定熱下的購電費用依舊少于以熱定電下的購電費用。以電定熱下購電費用為238 元，以熱定電下的購電費用為293元。在秋分這天與夏至相似，若采用以熱定電，在用電低峰運行會導致產電過剩，造成浪費，同時購電費用也會更高。采用以電定熱運行策略可以節約電量，降低購電成本。

3.2.4 冬至

冬至的情況與春分類似，但冬至這天的太陽輻射強度較春分更高，太陽能集熱器可生成熱量266 kW。在以電定熱運行策略下燃氣發電機組所消耗的天然氣量會較多，同時造成生成的余熱過剩，過剩的余熱存儲在蓄熱裝置中，此時無需打開燃氣鍋爐。在以熱定電下，因為當天熱負荷需求少，燃氣發電機組消耗的天然氣少，但同時發電量不能滿足電負荷需求，購買電量的費用會更多。以電定熱下燃氣發電機組的天然氣費用為548 元，以熱定電下燃氣發電機組的天然氣費用為68 元。以電定熱下的購電費用為320 元，以熱定電下的購電費用為578 元。在冬至這天無制冷負荷需求，電負荷需求較大，熱水負荷需求少，采用以熱定電運行策略可減少天然氣花費，主要成本在于購電費用，但總成本仍小于在以電定熱運行策略下的總成本。

4 結論

1)建立了以燃氣輪機發電機組、太陽能集熱器、燃氣輔助鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機等為主要設備的分布式供能系統。模擬并計算出了目標建筑所需的制冷、熱水、電負荷，分別運用了以電定熱與以熱定電的運行策略對全年的4個典型日的購電和燃料成本進行了計算和分析。

2)通過模擬和計算，得到全年累計制冷負荷182.7 MW，全年累計熱水負荷98.3 MW，全年累計電負荷298.0 MW。以熱定電下春分和冬至的總成本為1 316 元，以電定熱下為1 669 元。以熱定電下夏至和秋分的總成本為1 988 元，以電定熱下為1 851元。對于類似于春分和冬至以電負荷為最大需求的節氣而言，采用以熱定電的購電和燃料費用更低；對于類似于夏至和秋分以制冷負荷為最大需求的節氣而言，采用以電定熱的購電和燃料費用更低。

3) 在以電定熱下典型日總成本為3 520 元，以熱定電下為3 305元。在相同總負荷的前提下，4個典型日采用以熱定電運行策略的購電和燃料成本少于以電定熱運行策略。因此，應用本文建立的住宅分布式供能系統模型，對不同運行策略下的供能成本進行計算分析，可以得到優化的住宅分布式供能系統方案及其運行策略。