某綜合區(qū)域燃?xì)夥植际侥茉瘩詈峡稍偕茉垂┠芊桨秆芯?/h1>
2021-03-09 07:12:12
節(jié)能與環(huán)保 2021年2期
區(qū)域能源可通過向終端用戶提供或回收過剩的、低品位的熱量和冷量，整合區(qū)域內(nèi)各類資源，使得區(qū)域內(nèi)能源系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)配置。同時由于區(qū)域能源系統(tǒng)內(nèi)建筑業(yè)態(tài)相對豐富，有利于負(fù)荷的優(yōu)化，從而降低總體設(shè)備投資，提高設(shè)備利用效率，減少能源成本，降低用戶能源使用價格。
以燃?xì)夥植际侥茉醋鳛橹?，可以克服可再生能源不穩(wěn)定，不連續(xù)等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，探討燃?xì)夥植际侥茉瘩詈峡稍偕茉吹募夹g(shù)路線，驗(yàn)證技術(shù)路線的可行性和經(jīng)濟(jì)性，為同類項(xiàng)目研究與建設(shè)提供參考。
1 項(xiàng)目概要及負(fù)荷分析
該項(xiàng)目總供能面積22.6 萬m2，由數(shù)據(jù)中心、辦公、廠房、宿舍組成。數(shù)據(jù)中心需全年24h 不間斷供冷供電；其他建筑冷、熱負(fù)荷供能時間為夏季5月15 日至9月15 日，冬季11 月15 日至3月15 日，每天8：00～21：00。
結(jié)合設(shè)計院建議值、公司類似項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行值及規(guī)范，綜合計算項(xiàng)目冷負(fù)荷18024kW，熱負(fù)荷9814kW。其中數(shù)據(jù)中心3.39萬m2，冷負(fù)荷8996kW；其他建筑19.2 萬m2，冷負(fù)荷9028kW，熱負(fù)荷9814kW。
數(shù)據(jù)中心用電包括IT、精密空調(diào)等，合計電負(fù)荷9157kW。
2 項(xiàng)目技術(shù)路線確定
為進(jìn)一步提高項(xiàng)目節(jié)能環(huán)保特性，本項(xiàng)目采用燃?xì)夥植际侥茉磁c熱源熱泵耦合的方式，原因如下：
①數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷與電負(fù)荷需求比例基本為1：1，能量密度大，且穩(wěn)定，而燃?xì)夥植际侥茉吹膬?nèi)燃發(fā)電機(jī)熱電比也基本為1：1，負(fù)荷匹配性好。
②數(shù)據(jù)中心全年不間斷冷負(fù)荷需求，使燃?xì)夥植际侥茉窗l(fā)電的余熱可充分利用，利用小時數(shù)增加，可以顯著提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和能源利用率。
③地源熱泵與燃?xì)夥植际侥茉聪囫詈?，?shí)現(xiàn)了運(yùn)營模式上的互補(bǔ)。分布式能源發(fā)電可直接供應(yīng)地源熱泵用電，余熱可有效解決地源熱泵冬夏季取放熱不平衡對地層溫度和系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性、能效和經(jīng)濟(jì)性均有所提高。
裝機(jī)方案為：4 臺2300kW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)及配套余熱機(jī)，1臺制冷功率2650kW制熱功率2450kW的地源熱泵機(jī)組和2 臺3850kW 的電制冷機(jī)組。
3 項(xiàng)目運(yùn)行策略分析
本項(xiàng)目采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則、以熱定電的策略運(yùn)行，保證余熱充分利用。項(xiàng)目所在地實(shí)施峰谷電價，在用電尖峰、高峰、平段和低谷時價格分別為1.4167、1.2884、0.7697 和0.3023 元/kWh。發(fā)電氣價為2.57 元/Nm3，發(fā)電天然氣成本為0.625 元/kWh，故夜間數(shù)據(jù)中心所有負(fù)荷由電網(wǎng)承擔(dān)更具經(jīng)濟(jì)效益。
項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷和電負(fù)荷為全年性的穩(wěn)定負(fù)荷，因此本文主要討論其他功能建筑在不同負(fù)荷率時項(xiàng)目的整體供應(yīng)策略。
3.1 夏季工況運(yùn)行策略
由于該項(xiàng)目在夏季和過渡季夜間數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷均由電制冷和地源熱泵承擔(dān)，且冷負(fù)荷高于熱負(fù)荷，因此若在夏季和過渡季優(yōu)先利用地源熱泵供冷會造成地源側(cè)取放不平衡；且制冷工況下地源熱泵機(jī)組與電制冷機(jī)組相比并無明顯優(yōu)勢，因此在夜間低谷電價時，供冷優(yōu)先選用電制冷機(jī)組，不足部分由地源熱泵機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充。
圖1 是項(xiàng)目夏季100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的運(yùn)行策略示意圖。夜間低谷電價時，發(fā)電機(jī)停機(jī)無余熱，其他地塊無冷負(fù)荷需求，數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷由電制冷機(jī)組及地源熱泵機(jī)組共同承擔(dān)，且優(yōu)先利用電制冷機(jī)組供冷，地源熱泵機(jī)組補(bǔ)充供冷。在非低谷電時段，4 臺發(fā)電機(jī)組全部開機(jī)運(yùn)行，余熱制冷供應(yīng)數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷；其他地塊冷負(fù)荷由電制冷機(jī)組及熱源熱泵機(jī)組共同承擔(dān)并參與調(diào)峰，且優(yōu)先使用電制冷機(jī)組，不足時用地源熱泵補(bǔ)充調(diào)峰。如圖1b、1c、1d 所示，當(dāng)白天電制冷機(jī)組滿足非數(shù)據(jù)中心用戶所有供冷需求時，地源熱泵機(jī)組不開機(jī)。
圖1 夏季工況運(yùn)行策略示意圖
3.2 冬季工況運(yùn)行策略
冬季工況時，數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷全部由冷卻塔承擔(dān)且負(fù)荷穩(wěn)定，因此冬季工況僅討論對其他功能建筑供熱的運(yùn)行策略。具不同負(fù)荷下的運(yùn)行策略見圖2。
如圖2 所示，夜間低谷電價時，發(fā)電機(jī)停機(jī)無余熱，用戶熱負(fù)荷主要由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，不足部分啟動余熱冷溫水機(jī)組的補(bǔ)燃功能進(jìn)行補(bǔ)充。非低谷電時段，用戶熱負(fù)荷主要由發(fā)電機(jī)余熱承擔(dān)，不足部分由地源熱泵補(bǔ)充并調(diào)峰。
圖2 是項(xiàng)目冬季100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的運(yùn)行策略示意圖?；凇耙詿岫姡酂岢浞掷谩钡脑瓌t，冬季100%負(fù)荷工況下開啟3 臺發(fā)電機(jī)，75%負(fù)荷工況開啟2 臺發(fā)電機(jī)，50%負(fù)荷和25%負(fù)荷工況開啟1 臺發(fā)電機(jī)，不足熱量由地源熱泵提供。
圖2 冬季工況運(yùn)行策略示意圖
3.3 運(yùn)行策略校核
根據(jù)上述運(yùn)行策略，計算地源熱泵冬季取熱量1.24 萬GJ，夏季放熱量1.19 萬GJ，則地源熱泵取、放熱量不平衡率為4.3%。在運(yùn)行階段可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)行有效控制，因此以上運(yùn)行策略基本合理。
4 經(jīng)濟(jì)效益分析
該項(xiàng)目運(yùn)行成本由燃?xì)赓M(fèi)、電費(fèi)、水費(fèi)、人工費(fèi)、修理費(fèi)、管理費(fèi)等構(gòu)成。該方案與常規(guī)市電、鍋爐、電制冷方案相比，在同樣供應(yīng)4342 萬kWh 電、3.8 萬GJ 熱及31 萬GJ 冷情況下，每年可節(jié)約運(yùn)行成本1000 余萬元，效益顯著。
5 結(jié)語
燃?xì)夥植际侥茉磁c可再生能源地源熱泵的耦合是未來能源領(lǐng)域發(fā)展的方向，兩類技術(shù)的耦合可同時提高項(xiàng)目的安全性、經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)能效，同時數(shù)據(jù)中心類項(xiàng)目是燃?xì)夥植际侥茉吹睦硐雽?shí)施項(xiàng)目，其負(fù)荷特性決定該類項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，燃?xì)夥植际侥茉磁c地源熱泵的耦合方案、運(yùn)行策略，較常規(guī)鍋爐、電制冷系統(tǒng)，可以大幅度降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，對于能源服務(wù)公司具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)予以推廣。
區(qū)域能源可通過向終端用戶提供或回收過剩的、低品位的熱量和冷量，整合區(qū)域內(nèi)各類資源，使得區(qū)域內(nèi)能源系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)配置。同時由于區(qū)域能源系統(tǒng)內(nèi)建筑業(yè)態(tài)相對豐富，有利于負(fù)荷的優(yōu)化，從而降低總體設(shè)備投資，提高設(shè)備利用效率，減少能源成本，降低用戶能源使用價格。
以燃?xì)夥植际侥茉醋鳛橹?，可以克服可再生能源不穩(wěn)定，不連續(xù)等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，探討燃?xì)夥植际侥茉瘩詈峡稍偕茉吹募夹g(shù)路線，驗(yàn)證技術(shù)路線的可行性和經(jīng)濟(jì)性，為同類項(xiàng)目研究與建設(shè)提供參考。
1 項(xiàng)目概要及負(fù)荷分析
該項(xiàng)目總供能面積22.6 萬m2，由數(shù)據(jù)中心、辦公、廠房、宿舍組成。數(shù)據(jù)中心需全年24h 不間斷供冷供電；其他建筑冷、熱負(fù)荷供能時間為夏季5月15 日至9月15 日，冬季11 月15 日至3月15 日，每天8：00～21：00。
結(jié)合設(shè)計院建議值、公司類似項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行值及規(guī)范，綜合計算項(xiàng)目冷負(fù)荷18024kW，熱負(fù)荷9814kW。其中數(shù)據(jù)中心3.39萬m2，冷負(fù)荷8996kW；其他建筑19.2 萬m2，冷負(fù)荷9028kW，熱負(fù)荷9814kW。
數(shù)據(jù)中心用電包括IT、精密空調(diào)等，合計電負(fù)荷9157kW。
2 項(xiàng)目技術(shù)路線確定
為進(jìn)一步提高項(xiàng)目節(jié)能環(huán)保特性，本項(xiàng)目采用燃?xì)夥植际侥茉磁c熱源熱泵耦合的方式，原因如下：
①數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷與電負(fù)荷需求比例基本為1：1，能量密度大，且穩(wěn)定，而燃?xì)夥植际侥茉吹膬?nèi)燃發(fā)電機(jī)熱電比也基本為1：1，負(fù)荷匹配性好。
②數(shù)據(jù)中心全年不間斷冷負(fù)荷需求，使燃?xì)夥植际侥茉窗l(fā)電的余熱可充分利用，利用小時數(shù)增加，可以顯著提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和能源利用率。
③地源熱泵與燃?xì)夥植际侥茉聪囫詈?，?shí)現(xiàn)了運(yùn)營模式上的互補(bǔ)。分布式能源發(fā)電可直接供應(yīng)地源熱泵用電，余熱可有效解決地源熱泵冬夏季取放熱不平衡對地層溫度和系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性、能效和經(jīng)濟(jì)性均有所提高。
裝機(jī)方案為：4 臺2300kW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)及配套余熱機(jī)，1臺制冷功率2650kW制熱功率2450kW的地源熱泵機(jī)組和2 臺3850kW 的電制冷機(jī)組。
3 項(xiàng)目運(yùn)行策略分析
本項(xiàng)目采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則、以熱定電的策略運(yùn)行，保證余熱充分利用。項(xiàng)目所在地實(shí)施峰谷電價，在用電尖峰、高峰、平段和低谷時價格分別為1.4167、1.2884、0.7697 和0.3023 元/kWh。發(fā)電氣價為2.57 元/Nm3，發(fā)電天然氣成本為0.625 元/kWh，故夜間數(shù)據(jù)中心所有負(fù)荷由電網(wǎng)承擔(dān)更具經(jīng)濟(jì)效益。
項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷和電負(fù)荷為全年性的穩(wěn)定負(fù)荷，因此本文主要討論其他功能建筑在不同負(fù)荷率時項(xiàng)目的整體供應(yīng)策略。
3.1 夏季工況運(yùn)行策略
由于該項(xiàng)目在夏季和過渡季夜間數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷均由電制冷和地源熱泵承擔(dān)，且冷負(fù)荷高于熱負(fù)荷，因此若在夏季和過渡季優(yōu)先利用地源熱泵供冷會造成地源側(cè)取放不平衡；且制冷工況下地源熱泵機(jī)組與電制冷機(jī)組相比并無明顯優(yōu)勢，因此在夜間低谷電價時，供冷優(yōu)先選用電制冷機(jī)組，不足部分由地源熱泵機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充。
圖1 是項(xiàng)目夏季100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的運(yùn)行策略示意圖。夜間低谷電價時，發(fā)電機(jī)停機(jī)無余熱，其他地塊無冷負(fù)荷需求，數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷由電制冷機(jī)組及地源熱泵機(jī)組共同承擔(dān)，且優(yōu)先利用電制冷機(jī)組供冷，地源熱泵機(jī)組補(bǔ)充供冷。在非低谷電時段，4 臺發(fā)電機(jī)組全部開機(jī)運(yùn)行，余熱制冷供應(yīng)數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷；其他地塊冷負(fù)荷由電制冷機(jī)組及熱源熱泵機(jī)組共同承擔(dān)并參與調(diào)峰，且優(yōu)先使用電制冷機(jī)組，不足時用地源熱泵補(bǔ)充調(diào)峰。如圖1b、1c、1d 所示，當(dāng)白天電制冷機(jī)組滿足非數(shù)據(jù)中心用戶所有供冷需求時，地源熱泵機(jī)組不開機(jī)。
圖1 夏季工況運(yùn)行策略示意圖
3.2 冬季工況運(yùn)行策略
冬季工況時，數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷全部由冷卻塔承擔(dān)且負(fù)荷穩(wěn)定，因此冬季工況僅討論對其他功能建筑供熱的運(yùn)行策略。具不同負(fù)荷下的運(yùn)行策略見圖2。
如圖2 所示，夜間低谷電價時，發(fā)電機(jī)停機(jī)無余熱，用戶熱負(fù)荷主要由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，不足部分啟動余熱冷溫水機(jī)組的補(bǔ)燃功能進(jìn)行補(bǔ)充。非低谷電時段，用戶熱負(fù)荷主要由發(fā)電機(jī)余熱承擔(dān)，不足部分由地源熱泵補(bǔ)充并調(diào)峰。
圖2 是項(xiàng)目冬季100%、75%、50%和25%負(fù)荷下的運(yùn)行策略示意圖?；凇耙詿岫姡酂岢浞掷谩钡脑瓌t，冬季100%負(fù)荷工況下開啟3 臺發(fā)電機(jī)，75%負(fù)荷工況開啟2 臺發(fā)電機(jī)，50%負(fù)荷和25%負(fù)荷工況開啟1 臺發(fā)電機(jī)，不足熱量由地源熱泵提供。
圖2 冬季工況運(yùn)行策略示意圖
3.3 運(yùn)行策略校核
根據(jù)上述運(yùn)行策略，計算地源熱泵冬季取熱量1.24 萬GJ，夏季放熱量1.19 萬GJ，則地源熱泵取、放熱量不平衡率為4.3%。在運(yùn)行階段可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)行有效控制，因此以上運(yùn)行策略基本合理。
4 經(jīng)濟(jì)效益分析
該項(xiàng)目運(yùn)行成本由燃?xì)赓M(fèi)、電費(fèi)、水費(fèi)、人工費(fèi)、修理費(fèi)、管理費(fèi)等構(gòu)成。該方案與常規(guī)市電、鍋爐、電制冷方案相比，在同樣供應(yīng)4342 萬kWh 電、3.8 萬GJ 熱及31 萬GJ 冷情況下，每年可節(jié)約運(yùn)行成本1000 余萬元，效益顯著。
5 結(jié)語
燃?xì)夥植际侥茉磁c可再生能源地源熱泵的耦合是未來能源領(lǐng)域發(fā)展的方向，兩類技術(shù)的耦合可同時提高項(xiàng)目的安全性、經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)能效，同時數(shù)據(jù)中心類項(xiàng)目是燃?xì)夥植际侥茉吹睦硐雽?shí)施項(xiàng)目，其負(fù)荷特性決定該類項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，燃?xì)夥植际侥茉磁c地源熱泵的耦合方案、運(yùn)行策略，較常規(guī)鍋爐、電制冷系統(tǒng)，可以大幅度降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，對于能源服務(wù)公司具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)予以推廣。
