樓宇型分布式能源與電空調供能方式對比

應笑笑 許紅勝 王少寧

1 東南大學能源與環境學院

2 東南大學電力設計院

3 江蘇省電力設計院

0 引言

天然氣分布式能源[1-4]與天然氣燃氣-蒸汽聯合循環[5-6]均涉及到了天然氣的利用問題，在天然氣對外依存度逐年提高、價格劇烈波動[7]的背景下，對于同時有冷、熱、電需求的用戶而言，選擇最經濟可行的供能方式已成為當下亟需解決的問題。

為探究天然氣最佳供能方式，本文針對天然氣冷熱電聯供與燃氣蒸汽聯合循環這兩種不同的天然氣利用方式，綜合考慮能源、環境、經濟等因素的影響，利用層次分析法確定各因素的權重，以避免人為給定權重存在的主觀影響，通過多目標評價準則來優化評估基于這兩種利用方式的供能系統的性能，從而獲得天然氣最佳利用方式與供能方式的相關結論，以期為今后天然氣的利用與發展提供參考與指導。

1 系統介紹

在以內燃機為原動機的天然氣冷熱電聯供系統中，內燃機缸套水余熱與煙氣余熱被充分回收利用，系統能源利用效率大大提高。該系統的具體流程如圖1 所示。用戶所需電負荷由內燃機發電及電網共同承擔，當內燃機發電量無法滿足用戶電負荷需求時，則需從電網購電以補充電負荷。在以冷熱定電這一運行策略下運行時，內燃機產生的多余電量將輸送給電網。在夏季制冷期，內燃機煙氣與缸套水分別作為高壓發生器的熱源與低壓發生器的熱源來驅動溴化鋰吸收式制冷機組，為用戶提供冷負荷，而溴化鋰機組排煙則進入換熱器內，為用戶提供生活熱水。當冷負荷無法滿足用戶需求時，由電制冷機、補燃器（對帶補燃的溴冷機而言）或直燃型溴化鋰機組產生的冷量來補充。在冬季采暖期，內燃機煙氣余熱與缸套水余熱通過煙氣熱水型溴化鋰機組為用戶提供熱負荷，不足部分由直燃型溴化鋰機組或鍋爐補充。

圖1 以內燃機為原動機的天然氣冷熱電聯供系統流程圖

2 系統經濟性模型

本文建立了方案經濟性數學模型以便于研究比較系統的性能，并假定方案中各設備在變工況下運行時其效率不發生變化。

內燃機天然氣耗量VICE(d,h)為：

式中：VICE(d,h)指天然氣耗量，m3；d 指制冷采暖季d 月典型日，d=6、7、8、9、12、1、2、3；h 指典型日的第h 時，為正整數；t1、t2分別指典型日第h 時的上一個運行時刻與下一個運行時刻；ηICE指內燃機的發電效率；EICE(d,h) 指內燃機d 月典型日第h 時的發電量，kWh；HV指天然氣低位發熱量。

以內燃機排煙及缸套水為驅動熱源的煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機產生的冷量Qyrc(d,h)及熱量Qyrh(d,h)分別為：

式中：ηrec指內燃機余熱回收效率；COPxlbc、COPxlbh分別指煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機的制冷系數、制熱系數。

對于帶補燃的余熱吸收型溴化鋰機組即煙氣熱水直燃型溴化鋰吸收式制冷機，其制冷天然氣補燃耗量Vxlb（cd,h）與制熱天然氣補燃耗量Vxlb（hd,h）分別為：

式中：Qcuser（d,h）指d 月典型日第h 時的用戶冷負荷，kWh；ηxlbr指煙氣熱水直燃型溴化鋰吸收式制冷機的補燃效率；Qhuse（rd,h）指d 月典型日第h 時的用戶熱負荷，kWh。

對于直燃型溴化鋰吸收式制冷機，其制冷耗氣量Vzr（cd,h）及制熱耗氣量Vzr（hd,h）分別為：

式中：COPzrc指直燃型溴化鋰吸收式制冷機的制冷系數；COPzrh指直燃型溴化鋰吸收式制冷機的制熱系數；指余熱吸收型溴化鋰機組d 月典型日第h 時產生的冷量，kWh；Qa（hd,h）余熱吸收型溴化鋰機組d 月典型日第h 時產生的熱量，kWh。

對于電制冷機，其產生的制冷量Qe（cd,h）為：

式中：Qa（lcd,h）指溴化鋰吸收式制冷機d 月典型日第h時產生的制冷量，kWh。

電制冷機消耗的電量Ee（cd,h）為：

式中：COPec指電制冷機的性能系數。

對于燃氣鍋爐，其制熱量Qb（hd,h）為：

式中：Qa（lhd,h）指溴化鋰吸收式制冷機d 月典型日第h時產生的制熱量，kWh。

對兩種系統來說，由于在運行中沒有效益可言，故考慮系統費用現值（Present Value Cost，PC）。費用現值[8]是指按基準折現率，將系統計算期內各個不同時間點的現金流出折算到計算期初的累計值，其計算公式如下所示。

式中：（CO）t指第t 年的現金流出；n 指計算期；i0指基準折現率；P/F 指復利現值系數。

系統費用現值的計算涉及系統的運行成本及建設成本，運行成本C 包括燃料費、電費、材料費、工資及福利費、折舊費、其他費用[9]即

式中：Cf指系統年燃料費用；Ce指系統年購電費用；Cm指材料費；Cs指工資及福利費；Cd指折舊費；Co指其他費用；Nd指制冷季d 月的天數，Md指采暖季d 月的天數；ygas指天然氣價格，單位，元/m3；yve指谷電時段電價；yre指峰電時段電價；yfe指平段電價。

3 評價優化準則

3.1 多目標評價準則

為了便于研究比較基于內燃機余熱回收利用的天然氣冷熱電聯供系統相較電空調系統的優劣，本文取電空調系統為參比系統。在電空調系統中，用戶所需電負荷由電網提供，而電驅動的風冷熱泵所產生的冷量與熱量則用于滿足用戶冷熱負荷需求。本文擬提出三種評價準則，分別是：年一次能源節約率（即能源評價準則）、年當量二氧化碳減排率即（即環境評價準則）、年費用現值節約率（即經濟性評價準則）。

系統年一次能源節約率（Primary Energy Saving Ratio，PESR）是指天然氣冷熱電聯供系統與產生相同冷量、熱量、電量的電空調系統的天然氣耗量之差與電空調系統年天然氣耗量的比值，其計算式如下式所示。

式中：BECBCHP指冷熱電聯供系統年一次能源消耗量；BECES指電空調系統年一次能源消耗量。計算電方案消耗的年一次能源時，將消耗的電能轉化為燃氣-蒸汽聯合循環產生相同電量所消耗的一次能源量，如下式所示。

式中：Ees指電空調系統耗電量，kWh；ηe指燃氣-蒸汽聯合循環發電效率；ηs輸配電損失。

年當量二氧化碳排放量[10]是指將各主要氣體對溫室效應的影響等效為等量CO2的影響。在本文中，年當量二氧化碳減排率（CO2Equivalent Emission Reduction Ratio，CO2EERR）定義為：冷熱電聯供系統與產生相同冷量、熱量、電量的電空調系統的年當量CO2排放量之差與電空調系統年當量CO2排放量的比值，其計算式如式（23）所示。

式中：CDEES指冷熱電聯供系統年當量CO2排放量；CDEBCHP指電空調系統年當量CO2排放量；μe為燃氣蒸汽聯合循環發電單位耗氣量所對應的二氧化碳排放量的轉換系數，2541 g/m3；μf為聯供系統每千瓦時能量的天然氣所對應的二氧化碳排放量的轉換系數，220 g/kWh。

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系統年費用現值節約率（Present value cost ratio，PCR）是指天然氣冷熱電聯供系統與產生相同冷量、熱量、電量的電空調系統的費用現值之差與電空調系統的費用現值的比值，其計算式如式（23）所示。

式中：PCBCHP指冷熱電聯供系統的費用現值；PCES指電空調系統的費用現值。

為了綜合考慮系統的能源消耗，環境影響及經濟性，本文擬采用多目標評價準則來評估比較系統的性能優劣，如下式所示。

式中：w1、w2、w3分別為三個評價準則的權重系數。

3.2 層次分析法評價優化準則

由多目標評價準則表達式易知，評價準則的權重系數的確定至關重要，它將影響最終的評價結果。層次分析法[11（]Analytic Hierarchy Process,AHP）可以將半定性半定量問題轉化為定量問題進行計算，目前，已被廣泛運用于學科研究工作中，用層次分析法來確定各指標權重可以有效解決權重賦值問題。

層次分析法的流程如圖2 所示。

圖2 層次分析法流程圖

4 實例分析

為了探究最佳的供能方式與天然氣利用方式，本文選取南京某醫院建筑為研究對象，該醫院由主樓A及主樓B 構成，總建筑面積為166374.35 m2，擁有較大的冷、熱、電負荷需求，且需求較為集中。利用eQUEST軟件對該建筑進行負荷預測，得到制冷采暖季典型日冷熱電負荷預測結果分別如圖3、圖4、圖5 所示。南京市不同時段電價以及天然氣價格如表1 所示。

表1 南京市電價及天然氣價

圖3 夏季典型日冷負荷曲線

圖4 冬季典型日熱負荷曲線

圖5 制冷采暖季典型日電負荷曲線

基于“以冷熱定電”原則，本文提出了天然氣冷熱電聯供方案（即方案1）及電空調方案（即方案4），方案3 及方案2 分別為文獻[12]提出的方案及該項目可研報告提出的方案。表2 為4 種方案主要設備的配置信息。表3 示出了所提方案所涉及的有關參數值。

表2 四種供能方案設備配置

表3 系統相關參數值

在計算費用現值節約率時，需要計算各方案的建設成本，對于天然氣冷熱電聯供方案，取當前造價水平20000 元/kW 進行計算。而對于電空調方案即方案4，其建設成本考慮了設備購置費及安裝費，以當前同類工程費用水平計算，為802.87 萬元。

4.1 方案性能比較與分析

表4 評價準則權重系數

根據文中所建立的經濟性模型，可以得到四種方案3 項評價準則的具體數值，分別如圖6 至圖8 所示。圖9 為運用評價優化準則得到的各方案的評價數值。由圖6 可知，方案1 及方案2 均比電空調系統更耗能，而方案3 的能耗則略低于電空調系統（即方案4），因此方案3 是4 種方案中最為節能的。由圖7 可知，3 種天然氣冷熱電聯供方案的二氧化碳排放量均較電方案低。而圖8 表明，雖然電方案的建設成本顯著低于其他三種天然氣冷熱電聯供方案，但由于電方案每年電費較高，從而使得其費用現值仍舊可能高于天然氣冷熱電聯供方案，如方案1。由此可見，當考慮的因素不同時，最佳方案的選擇存在較大差異。由各方案的多目標評價準則的數值可知（如圖9 所示），方案1 為最佳供能方案。

圖6 各方案年一次能源節約率

圖7 各方案年二氧化碳減排率

圖8 各方案年費用現值節約率

圖9 各方案多目標評價準則值

5 敏感性分析

天然氣價格與電價作為影響天然氣冷熱電聯供項目成本的2 個重要因素，對用戶在供能方式的選擇方面起著重要的影響。因此，本文將主要研究天然氣價格、電價對方案費用現值節約率的影響。

圖10、圖11 分別為三種天然氣冷熱電聯供方案（方案1 至方案3）相對電方案的費用現值節約率與天然氣價格，電價變化率之間的關系圖。

圖10 各方案費用現值節約率與天然氣價格的關系

圖11 各方案費用現值節約率與電價變化率的關系

由圖10 可知，當三種天然氣冷熱電方案的費用節約率均為0 時，所對應的天然氣價格分別是3.056、2.769、2.325，并且方案2 對天然氣價格最為敏感，方案3 次之，方案1 最小。由此可見，隨著天然氣價格的提高，電方案的經濟優勢將逐步顯現出來。

圖11 反映了各方案費用現值節約率與電價變化率的關系。由于文中計算電價時使用的是分時電價，為簡化研究，此處電價變化率是指各時段電價以相同的變化率變化。從圖中數據可以知道，隨著電價的升高，天然氣冷熱電聯供方案的經濟優勢將逐步顯現出來。方案2 對電價變化最為敏感，方案3 次之，方案1最小。綜上可見，天然氣冷熱電聯供方案設備配置是否合理決定了其是否具有經濟優勢，以及對外部因素（如天然氣價格、電價等）的敏感度。

6 結論

本文以南京某醫院這一典型樓宇建筑為研究對象，利用eQUEST 軟件模擬建筑冷熱電負荷，根據天然氣燃氣-蒸汽聯合循環發電與天然氣冷熱電聯供這兩種不同的利用方式，提出了兩種不同的供能方案，即天然氣冷熱電聯供方案與電方案，并與該項目可研報告以及論文中所提出的方案進行比較，建立了系統經濟性模型，對比分析了各方案的經濟、能源、環境等方面的指標，并研究分析了天然氣價格、電價對系統經濟性能的影響，以評估最優的天然氣利用方式與供能方式。本文所得結論如下：

1）在“以冷熱定電”原則下，四種方案中，方案2 最差，方案1 為最佳供能方案，而電方案優勢并不明顯。

2）隨著電價的提高，天然氣冷熱電方案的經濟優勢將逐步顯現，當電價變化率大于16%時，三種天然氣冷熱電聯供方案（即方案1、方案2、方案3）的經濟性均將優于電方案。而隨著天然氣價格的提高，在目前電價水平下，電方案的經濟優勢將變得比較突出，并且只有當天然氣價格低于2.325 元/m3時，3 種天然氣冷熱電聯供方案的經濟性才會均高于電方案。

3）當天然氣冷熱電聯供設備選型配置較為合理時，將天然氣運用于天然氣冷熱電聯供的供能方式將優于將天然氣運用于燃氣蒸汽聯合循環，再通過供能設備將電能轉換為冷熱能的供能方式。