崔夢然，郭健翔，2，*，田雪沁，王 娜，孫晉飛，2(.青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 2660；2.山東省余熱利用與節(jié)能裝備技術重點實驗室，青島 2660；.國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司，北京 02209)

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的典型代表，其綜合能源利用效率可高達90%[1-4].但是單一的燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性受氣價影響較大，且當冷熱電負荷需求相差較大時系統(tǒng)將面臨供需兩側(cè)熱電平衡問題.高文忠等[5]構建了一種燃氣輪機+電制冷+蓄冷裝置系統(tǒng)，分析了設計日工況和過渡日工況下系統(tǒng)在不同運行模式下的性能，結果表明系統(tǒng)的經(jīng)濟性和節(jié)能性往往不能同時兼?zhèn)?；孟金英等[6]分別以系統(tǒng)的一次能源消耗量最小、運行成本最小和二氧化碳排放量最小為目標,對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式進行了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)不同目標函數(shù)下系統(tǒng)的最優(yōu)運行模式不同；劉媛媛[7]根據(jù)滿足用戶冷(熱)、電負荷的優(yōu)先級不同,探討了“以熱定電”“以電定熱”及“混合模式”這三種運行原則下系統(tǒng)設備的最優(yōu)容量、冬夏及過渡季典型日的最優(yōu)運行方案.

上述研究表明，不同的負荷條件和運行方式會對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響，供需兩側(cè)熱電不平衡是影響系統(tǒng)經(jīng)濟性的關鍵因素，多能耦合聯(lián)供系統(tǒng)成為解決這一關鍵問題的有效途徑.本文結合北京某商業(yè)綜合體案例，構建了一種天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)耦合地源熱泵系統(tǒng)，同時，考慮到負荷變化和氣象條件的變化對機組性能的影響，提出基于供需動態(tài)平衡的多能聯(lián)供系統(tǒng)計算模型，在TRNSYS平臺上進行了瞬態(tài)模擬.通過設置不同的控制條件，分別分析了熱跟隨、電跟隨和混合運行模式下系統(tǒng)的性能，為多能耦合聯(lián)供系統(tǒng)的構建、瞬態(tài)模擬以及運行方式優(yōu)化提供了理論分析基礎.

1 系統(tǒng)構建

本文構建了一種天然氣冷熱電聯(lián)供耦合土壤源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)包含燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽型吸收式溴化鋰機組、煙氣/熱水換熱器、熱泵等設備.在熱跟隨模式下，燃氣輪機煙氣余熱承擔全部熱負荷，夏季溴化鋰制冷量不滿足冷負荷需求時開啟土壤源熱泵補充，燃氣輪機發(fā)電先供系統(tǒng)和用戶使用，多余電量上網(wǎng)，不足時從網(wǎng)上取電；電跟隨模式下，將用戶的電負荷需求作為系統(tǒng)的輸入，換熱器換熱量和溴化鋰制冷

量不滿足冷熱負荷需求時開啟土壤源熱泵進行補充，多余熱量則浪費；為了避免以熱跟隨運行模式下系統(tǒng)有電量剩余帶來上網(wǎng)不便或者上網(wǎng)后對電網(wǎng)造成沖擊以及以電跟隨模式下造成的熱量浪費問題，可以使系統(tǒng)在混合模式下運行，本文將混合模式定義為系統(tǒng)運行中不存在電量上網(wǎng)和熱量浪費.為保證系統(tǒng)的供能與用戶負荷需求逐時匹配，同時充分考慮氣象參數(shù)對系統(tǒng)的影響，本文構建了瞬態(tài)仿真計算模型，在TRNYS平臺上對耦合系統(tǒng)全年運行情況進行了逐時模擬.系統(tǒng)原理及由TRNSYS構建的燃氣輪機耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)如圖1和圖2所示

圖1 系統(tǒng)原理

圖2 燃氣輪機耦合土壤源CCHP系統(tǒng)TRNSYS模型

2 系統(tǒng)關鍵設備數(shù)學模型

2.1 燃氣輪機

任意時刻燃氣輪機的發(fā)電量和排熱量與輸入燃料熱量之間的關系式如下：

EGE，i=GGE，iηGE，i

(1)

(2)

根據(jù)某典型品牌的燃氣輪機數(shù)據(jù)，擬合得到燃氣輪機的發(fā)電量與室外空氣溫度和煙氣余量之間的關系為

(3)

2.2 吸收式溴化鋰機組

溴化鋰吸收式制冷機消耗熱能提供冷能，任意時刻消耗的熱能與產(chǎn)生的冷能關系可由下式表示：

(4)

2.3 土壤源熱泵機組

土壤源熱泵機組在任意時刻消耗電能與產(chǎn)生的冷量/熱量的關系由下式表示：

(5)

(6)

3 系統(tǒng)仿真模擬計算條件

3.1 建筑概況

北京某商業(yè)綜合體面積9600 m2，其中空調(diào)面積9500 m2.該商業(yè)建筑綜合體內(nèi)部包括大堂、餐廳、客房、健身房等功能分區(qū)，各部分的參數(shù)見表1.計算得到的逐時電負荷和由DeST模擬得到的逐時冷熱負荷如圖3所示.

表1 某綜合體各功能分區(qū)參數(shù)

由圖3可以看出，該建筑的逐時熱負荷峰值為753 kW,逐時冷負荷峰值為1744 kW.統(tǒng)計得到建筑全年累計熱負荷為3863 GJ，全年累計冷負荷為7403 GJ.

3.2 能源價格

3.2.1 天然氣

發(fā)電用天然氣價格為2.39元/m3，制暖供冷價格用氣價格為2.49元/m3[8].

3.2.2 電費

根據(jù)最新政策，北京地區(qū)非居民用電的分時電價見表2.

表2 分時電價

天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價為0.65元/(kW·h)[9].

3.3 設備選型及價格

以熱定電模式下根據(jù)熱負荷峰值和擬合公式反算出所需的燃氣輪機容量，以電定熱模式下根據(jù)電負荷峰值得到燃氣輪機容量，混合運行模式下，要保證燃氣輪機能滿足峰值冷/熱負荷和電負荷的需求，因此三種運行模式下設備的選型明細見表3.

由于冷熱負荷相差較大，所以需要合理選擇單臺設備容量及在供暖季和制冷季的開啟臺數(shù)，根據(jù)表3中所選的設備，在以熱定電模式下，冬季開啟1臺土壤源熱泵即可滿足熱負荷需求，夏季3臺土壤源熱泵全部開啟；混合模式下，冬季開啟1臺土壤源熱泵，夏季開啟3臺土壤源熱泵.

表3 設備選型

對本文所涉及到的設備，查得某典型品牌設備的單位熱量的價格見表4.

表4 設備價格

4 系統(tǒng)仿真模擬結果與分析

為了更直觀表現(xiàn)出不同運行模式下的系統(tǒng)性能，本文分別選取供暖季典型日和制冷季典型日進行能量平衡分析，并且根據(jù)全年的結果計算費用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量.供暖季典型日和制冷季典型日的氣象參數(shù)及逐時的冷熱電負荷需求如圖4所示.

4.1 系統(tǒng)能量流平衡

該系統(tǒng)的能量流平衡包括電量平衡、熱量平衡和冷量平衡.

4.1.1 電量平衡

熱跟隨模式和混合運行模式:

(7)

電跟隨模式：

(8)

式中：Ebuy，i為i時刻從電網(wǎng)的購電量，kJ/h；Euser,i為i時刻用戶的電負荷，kJ/h.

熱跟隨和混合模式下在供暖季典型日和制冷季典型日的發(fā)電量、用電量與購電量之間的具體關系如圖5—8所示.

4.1.2 熱量平衡

任意時刻煙氣/水換熱器的制熱量、土壤源熱泵機組的制熱量與熱負荷的關系如下：

熱跟隨模式：

(9)

電跟隨模式和混合模式：

(10)

電跟隨模式和混合運行模式下具體的熱量關系如圖9、圖10所示.

4.1.3 冷量平衡

任意時刻吸收式溴化鋰機組制冷量、土壤源熱泵機組的制冷量與用戶冷負荷的關系如下：

(11)

三種運行模式下的冷量平衡如圖11—13所示.燃氣輪機在不同季節(jié)和運行模式下的負載率變化如圖14所示.

根據(jù)全年運行結果得到的冷熱負荷承擔情況如圖15所示.

由圖5—15可以看出：

1) 在熱跟隨模式下，由于建筑的冷負荷比熱負荷偏大，因此在制冷季典型日的燃氣輪機負載率要高于供暖季典型日的燃氣輪機負荷率，在13:00-22:00期間，燃氣輪機負載率為90%以上，此時仍然無法滿足用戶冷負荷，此時間段內(nèi)需要開啟熱泵進行冷量補充，但是發(fā)電量已有剩余，典型日全天內(nèi)均有多余電量需要上網(wǎng)，上網(wǎng)電量約占全天發(fā)電量的41.4%；而在供暖季典型日，全天只有3 h的發(fā)電量多于需求電量，但是由于為匹配熱負荷需求，燃氣輪機一直處于負載率較低的工況下運行，多數(shù)情況下發(fā)電量不能滿足電負荷，需要從電網(wǎng)購電，全天的購電量約占總電量需求的36.8%.

2) 在電跟隨模式下，燃氣輪機依據(jù)電負荷需求運行，在供暖季典型日，多數(shù)情況下燃氣輪機的煙氣余熱大于用戶熱負荷，因此造成了一定的熱量浪費，浪費熱量約占熱負荷的21.8%，在6:00-10:00期間，需要開啟熱泵進行熱量補充，但補充熱量較少，因此購電量也較少；在制冷季典型日，全天有18 h需要開啟土壤源熱泵進行冷量補充，補充部分占全天冷負荷的31.6%，此時從電網(wǎng)的購電量也較多，由于冷負荷較大，所以在制冷季典型日沒有多余的熱量產(chǎn)生.

3) 在混合運行模式下，整個系統(tǒng)運行過程中均無多余熱量和電量產(chǎn)生，在供暖季典型日，燃氣輪機的煙氣余熱能滿足大部分時間的熱負荷，熱泵補充熱量僅占全天熱負荷的3.8%，但是由于燃氣輪機負載率較小，發(fā)電量較少，所以多數(shù)時間需要從電網(wǎng)購電，購電量占電負荷的33.9%；在制冷季典型日，熱泵的開啟時間比供暖季多，其承擔的負荷約占總負荷的33.9%，但是購電量有所減少，為10.4%.

4) 在三種運行模式下，燃氣輪機的煙氣余熱都承擔了大部分的冷熱負荷，其中承擔的熱負荷分別占100%，95.8%和96.5%，溴化鋰機組承擔的冷負荷分別占總冷負荷的81.3%，66.8%和65.2%.

4.2 不同運行模式對比分析

為了更加直觀表現(xiàn)出三種運行模式的優(yōu)劣，將從經(jīng)濟、能源消耗量和環(huán)境三個方面進行對比.本文分別計算了系統(tǒng)的費用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量.

4.2.1 經(jīng)濟指標

費用年值的計算公式如下：

C=CC+Cf+Cm

(12)

4.2.2 能源消耗量指標

(13)

式中：E為一次能源消耗量，kJ；ηgrid為電廠平均供電效率，取0.92；ηe為電網(wǎng)輸電效率，取0.35.

4.2.3 環(huán)境指標

系統(tǒng)產(chǎn)生的有害物的排放會對環(huán)境造成破壞，其中影響最大的兩種氣體是CO2,NOx，因此分別計算CO2和NOx排放量，作為評價該系統(tǒng)的環(huán)境指標.

系統(tǒng)的CO2年排放量(CDE)為[10]

(14)

式中：MCO2為系統(tǒng)二氧化碳的年排放量，t；VANG為年消耗的天然氣熱量，GJ/a ；CENG為天然氣排放系數(shù)，kg/GJ，取58.5；CMEF為甲烷排放系數(shù)，kg/TJ，取1.4；EGWPCH4為甲烷的增溫潛能，取21；CNEF為N2O排放系數(shù)，kg/TJ，取2.3；EGWPMN為N2O的全球增溫潛能，取310；CMLR為甲烷泄漏率，kg/GJ，取0.3；θ為電力線損，取8%；Cefy為電力排放因子，t/(MV·h)，取0.902 55；Qmax為制冷機組承擔的冷負荷峰值，kW；QFV0為制冷劑單位充注量，kg，取474.6；CER為制冷劑泄漏率，取5%.

系統(tǒng)的NOx排放量根據(jù)不同設備的排放因子計算，具體數(shù)據(jù)見表5.

表5 NOx排放因子[11-12]

計算得到的不同運行模式下的費用年值、一次能源消耗量和污染物排放量見表6.

表6 不同運行模式下參數(shù)對比

5 結論

1) 若采用電跟隨模式，電負荷較大時會造成較多熱量浪費；采用熱跟隨模式，熱負荷較大時上網(wǎng)電量增多，系統(tǒng)收入增加；如果冷熱負荷相差較大，則應該在冬夏季采取不同的運行模式以使系統(tǒng)達到較優(yōu)的運行狀態(tài).

2) 通過計算系統(tǒng)的費用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量發(fā)現(xiàn)，在本文所模擬的負荷條件下，電跟隨模式均具有明顯優(yōu)勢，熱跟隨模式次之，混合模式最差.