某醫院建筑燃氣分布式能源系統運行能效分析與節能評估

呂海濤 張華玲

某醫院建筑燃氣分布式能源系統運行能效分析與節能評估

呂海濤 張華玲

（重慶大學 重慶 400000）

通過監測某醫院燃氣分布式冷熱電聯供（CCHP）系統冬夏運行工況，獲得冬夏季系統運行數據，并以運行數據為基準，分析系統運行狀況，計算系統各設備運行效率及系統綜合能源利用效率，以國家相關標準為依據，評價系統節能性。結果顯示：由于建筑實際負荷需求波動較大，CCHP系統內燃機全年折算滿負荷運行小時數僅1508小時，未能達到國家標準要求，系統年平均能源利用效率為84.5%，但節能率僅為-29.0%，CCHP系統在監測時段并不節能。

冷熱電三聯供；負荷需求；運行數據；綜合能源利用效率

0 引言

我國建筑能耗持續上升，2017年我國建筑能耗達到9.47億噸標煤，占全社會能耗量的21%，其中公共建筑能耗占38%。燃氣分布式冷熱電聯供（CCHP）系統能夠實現能源梯級利用，能源利用效率高、綠色環保、安全性強等優勢，一次能源利用效率可高達90%以上[1]，適用于有穩定冷熱負荷需求的單體建筑或區域建筑，如酒店、醫院及其他綜合類建筑群。我國《能源發展“十三五”規劃》中明確提出提高天然氣和非化石能源消費比重[2]，借此契機，我國燃氣冷熱電聯供系統在近年來得到了大力的發展，到2020年，我國分布式能源裝機容量將達到34.36GW[3]。CCHP系統中發電設備容量大小直接影響到系統節能效果，發電設備容量過大或者過小都無法使能源得到充分的梯級利用，部分CCHP系統實際運行效果并不理想[4,5]。

本文以某醫院建筑冬夏季CCHP系統監測數據為依據，分析系統運行狀況，計算系統各設備運行效率、發電設備年折算滿負荷運行小時數、年平均能源利用效率及節能率，并與國家現行標準進行比對。

1 項目概況及運行數據

1.1 項目概況

項目總建筑面積約17022m2，圖1為冬夏典型日設計冷熱電負荷，其中夏季最大冷負荷為2731.4kW，冬季最大熱負荷為1480.8kW，夏季最大小時電負荷為986.8kW，冬季最大小時電負荷為911.4kW。建筑供能系統為CCHP與螺桿機組，發電設備為內燃機，發電量僅能供建筑使用，不能上傳至電網。表1為該醫院建筑供能系統選用的主要設備性能參數，內燃機日滿負荷發電量為9.6MWh。

表1 建筑供能系統主要設備性能參數

圖1 冬夏典型日冷熱電負荷

1.2 系統冬夏季產能情況

通過監測該醫院建筑供能系統運行狀況，得到內燃機發電量、內燃機耗氣量、螺桿機耗電量、溴化鋰機組產熱/冷量和溴化鋰機組耗氣量等日運行數據。

圖2為CCHP系統12月至次年2月的內燃機日發電量及溴化鋰機組日產熱量情況，日最高產熱量約13MWh，接近典型日設計熱負荷需求總量15.5MWh。由圖2（a）可見，內燃機日最高發電量約為2.92MWh，出現在1月，遠低于內燃機滿載日發電量為9.6MWh，12月開機時數低，冬季折算滿負荷運行小時數僅440h。根據實地調研得知，醫院建筑冬季電負荷需求低，在電負荷需求較低的時段，內燃機停機，系統不能充分發揮天然氣資源梯級利用的優勢。

圖3為建筑供能系統2019年夏季7月至9月的系統日產能情況，由圖可知，7月下旬至9月上旬，CCHP系統內燃機運行狀況較冬季有改善，日發電量均能穩定在5MWh以上，其中日最高發電量約8MWh，出現在８月，夏季內燃機折算滿負荷運行小時數約1035h。內燃機余熱驅動吸收式制冷機所生產的冷量不能滿足的建筑冷負荷需求，系統優先通過吸收式制冷機直燃工況制冷，而非采用螺桿機制冷，僅8月冷負荷需求較大時才開啟螺桿機輔助供冷。

圖3 系統7-9月產能情況

1.3 系統冬夏季能耗情況

圖4為12-2月每日的能耗數據，可見，由于內燃機多數時間僅低負載運行，甚至未能達到開機條件，發電余熱不足以滿足建筑熱負荷需求，還需通過直接燃燒天然氣補充，系統未能充分發揮天然氣資源梯級利用的優勢。

圖4 系統12-2月能耗情況

圖5為7-9月每日耗氣量數據，可見，夏季系統運行狀況較冬季有改善，除7月上旬內燃機有停機時段，CCHP系統其余時段均能發揮天然氣能源梯級利用的優勢，系統生產的冷量中，僅有少量由溴化鋰機組直燃工況運行提供。

圖5 系統7-9月耗氣情況

2 系統及設備運行效率分析

本文選取冬夏季負荷需求比較穩定的月份的運行數據分析內燃機日平均運行效率及CCHP系統日平均綜合能源利用效率；選擇內燃機停機較多月份的運行數據分析溴化鋰機組直燃工況的日平均效率。

2.1 系統冬季運行效率分析

圖6 溴化鋰機組直燃工況的日平均制熱效率

內燃機12月上旬多數時間處于停機狀態，由溴化鋰機組直接燃燒天然氣供熱，以這部分運行數據為依據，計算溴化鋰機組日均實際運行效率，其實際運行效率為0.8~0.9，如圖6所示，略低于GB 50189-2015能效限值[6]。

選取負荷需求比較穩定的1月份運行數據，計算內燃機日均發電效率，其實際運行效率在0.33~0.37范圍，如圖7所示，未能達到內燃機額定發電效率。

圖7 內燃機日平均發電效率

依據圖6與圖7給出的實際運行效率，取溴化鋰機組熱效率0.85，內燃機發電效率0.35，計算得內燃機日平均熱效率為0.35~0.55范圍以及系統日平均綜合能源利用效率為0.8~0.9，圖8（a）與圖8（b）所示，可見冬季實際運行效率高于DL/T 5508-2015[7]中規定的系統年綜合能源利用效率不應小于70％的限值。

圖8 內燃機熱效率及系統日平均綜合能源利用率

2.2 系統夏季運行效率分析

圖9 溴化鋰機組直燃工況時的日平均制冷效率

內燃機7月上旬基本處于停運狀態，選取7月上半月內燃機停運時的運行數據，計算溴化鋰機組實際日均制冷效率在0.8~1.05范圍，如圖9所示，略低于GB 50189-2015[6]中規定的能效限值。

夏季選擇負荷需求比較穩定的8月運行數據，計算螺桿機組日平均制冷效率為3.5~4.5，CCHP系統綜合能源利用效率為0.7~1.1，如圖10（a）與圖10（b）所示，螺桿機組效率低于GB 50189-2015[6]規定的能效限值；其中，８月15日至27日系統日平均綜合能源利用率較高，分析運行策略發現，這一階段建筑冷負荷主要由余熱驅動吸收式制冷機組供給，冷量不足部分由螺桿機輔助產冷，而非溴化鋰機組直燃供冷，天然氣資源有較好的梯級利用。

圖10 螺桿機運行效率及CCHP系統日平均綜合能源利用率

綜上所述，該醫院建筑CCHP系統在檢測時段冬夏季實際運行負荷需求波動大，溴化鋰機組直燃工況及螺桿機實際運行效率均未達到國家標準規定得能效限值，系統日平均綜合能源利用效率能滿足國家標準。

3 系統節能性評估

為了進一步評價CCHP系統運行情況，本文以系統年平均能源綜合利用率、系統發電設備設計最大利用小時數以及系統節能率為評價指標，分析對比系統運行狀況。

3.1 系統年平均能源利用效率

分布式冷熱電能源系統年平均能源綜合利用率可由下式計算[8]：

式中：為年平均余熱利用率，%；為年凈輸出電量，kWh；1為年余熱供熱總量，MJ；2為年余熱供冷總量，MJ；為年天然氣總耗量，m3；Q為燃氣低位發熱量，取38.931MJ/m3。

計算得到冬夏季CCHP系統平均能源利用效率分別為86.7%和84.5%，年平均能源效率為85.4%，滿足國家標準中不小于70%的要求。

3.2 發電設備折合滿負荷運行小時數

分布式冷熱電能源系統發電設備折合滿負荷運行小時數可按下式計算[8]：

式中：為發電設備設計最大利用小時數，h；W為發電設備全年發電總量，kWh；Cap為所有發電設備的總裝機容量，kW。

計算得到系統發電設備實際全年折合滿負荷運行小時數為1508h，小于規范應大于2000h的要求。

3.3 系統節能率

分布式冷熱電能源系統節能率由以下公式計算[8]：

式中：為節能率，%；為年天然氣總耗量，m3；Q為燃氣低位發熱量，取38.931MJ/m3；為年凈輸出電量，kWh；1為年余熱供熱總量，MJ；2為年余熱供冷總量，MJ；e0為常規供電方式的平均供電效率，%；0為燃氣鍋爐平均熱效率，%，按GB 50189取值，本文取0.9；0為電制冷平均性能系數，按GB 50189取值，本文取5.6；122.9為計算系數，g/kWh，取自GB/T2589；為電廠供電標準煤耗，307g/kWh，取2018年全國統計數據；為供電線路損失率，6.21%，取自全國統計數據。

系統節能率僅為-29.0%，相比常規電動制冷與燃氣鍋爐方式，該系統不節能，主要是該CCHP系統目前還未能充分發揮天然氣能源梯級利用的優勢。

4 結論

通過分析了某醫院建筑供能系統的運行狀況，得到以下研究結論：

（1）醫院建筑實際使用中冷熱電負荷需求波動大，其中電負荷下降導致內燃機無法按設計工況開機運行，內燃機全年滿負荷運行小數數僅1508h，未能達到規范GB 36160.1-2018的要求。

（2）內燃機在運行過程中發電效率接近額定效率，內燃機熱效率高于額定效率，溴化鋰機組直燃工況及螺桿機組實際運行效率均低于GB 50189-2015規定的能效限值。CCHP系統年平均能源利用效率為84.5%，達到規范GB 36160.1-2018的要求。

（3）該CCHP系統天然氣能源未能充分發揮梯級的優勢，系統不節能，節能率為-29.0%。運行策略也應做調整，夏季應避免溴化鋰機組直燃工況供冷，內燃機余熱產冷不足部分應優先運行螺桿機，并由內燃機提供的電能。說明即使CCHP系統在冷熱負荷需求較穩定的醫院建筑中使用，內燃機容量確定合理并配合良好的運行策略才能取得預期的節能效果。

[1] 冼靜江,林梓榮,詹寧華,等.分布式天然氣CCHP系統在廣東地區的發展現狀與應用前景[J].城市燃氣,2018, (6):7-10.

[2] 國家發展改革委,國家能源局.能源發展“十三”五規劃[R].2016.

[3] Han J, Ouyang L, Xu Y, et al. Current status of distributed energy system in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016,55:288-297.

[4] 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2018[M].北京:中國建筑工業出版社,2018.

[5] Feng L, Dai X, Mo J, et al. Comparison of capacity design modes and operation strategies and calculation of thermodynamic boundaries of energy-saving for CCHP systems in different energy supply scenarios[J]. Energy Conversion and Management, 2019,188:296-309.

[6] GB 50189-2015,公共建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2015.

[7] DL/T 5508-2015,燃氣分布式供能站設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[8] GBT 36160.1-2018,分布式冷熱電能源系統技術條件[S].北京:中國標準出版社,2018.

Energy Efficiency Analysis and Energy-saving Assessment of a Distributed Energy System in Hospital

Lv Haitao Zhang Hualing

( Chongqing university, Chongqing, 400000 )

In this paper, by monitoring the operating conditions of a combined cooling heating and power (CCHP) system in hospital, the system operation data is obtained in winter and summer. Based on the operation data, the system operation status is analyzed, and efficiency of each equipment and energy utilization ratio of the system are calculated. According to relevant national standards, the energy saving of the system is evaluated. The results show that due to the fluctuations in the actual load demand of the building, the full load operating hours of the internal combustion engine of the CCHP system is only 1508 hours, which is less than the national standard requirements. The energy utilization ratio of the system is 84.5%, but the energy saving ratio is only -29.0%. The system does not save energy during the monitoring period.

combined cooling heating and power; load demand; operation data; energy utilization ratio

TU8

B

1671-6612（2021）01-070-08

呂海濤（1995.5-），男，在讀碩士研究生，E-mail：540299838@qq.com

張華玲（1968.11-），女，博士，教授，E-mail：hlzhang@cqu.edu.cn

2020-05-07