復(fù)合式區(qū)域能源項目系統(tǒng)設(shè)計與性能評價

文_張向榮 顏將林 楊智勇

北京金茂綠建科技有限公司

1 項目基本情況

1.1 項目背景

項目區(qū)域總建筑面積約337 萬m2，包含百貨、餐飲、辦公、酒店、醫(yī)院等各種業(yè)態(tài)，各建筑業(yè)態(tài)面積統(tǒng)計見表1。建筑區(qū)域公建占比高，冷、熱負(fù)荷需求大，適宜集中供能。

表1 各業(yè)態(tài)建筑面積統(tǒng)計表 單位：m2

1.2 建設(shè)條件及可再生資源條件分析

項目2km 范圍內(nèi)有3 個110kV 變電站，電力容量充足，接入條件良好。該項目電力采用一般工商業(yè)電價，為單一制電價。項目周圍有城市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)，燃?xì)夤?yīng)充足，天然氣價格約為2.5 元/m3。

項目緊鄰污水提升泵站，設(shè)計規(guī)模為31.39 萬m3/d，夏季最高水溫24℃，冬季最低水溫12℃。污水提升泵站至本能源站取水點小于30m，具備良好的污水源熱泵實施條件。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 負(fù)荷分析

方案設(shè)計階段，冷熱負(fù)荷計算采用面積指標(biāo)法。綜合考慮區(qū)域用戶的接入率和達產(chǎn)率，確定實際供能面積。由于供能區(qū)域內(nèi)業(yè)態(tài)較為綜合，選取一定同時使用系數(shù)，公共建筑取0.65，住宅取0.4。項目根據(jù)區(qū)域負(fù)荷成長情況分三期實施，分期冷熱負(fù)荷計算結(jié)果見表2。

表2 項目冷熱負(fù)荷計算 單位：MW

2.2 技術(shù)路線分析

2.2.1 總體技術(shù)路線

項目所在地燃?xì)鈨r格較低，且當(dāng)?shù)貙θ細(xì)馊?lián)供系統(tǒng)有財政補貼（按發(fā)電功率計2000 元/kW，最高1500 萬元），優(yōu)先選擇燃?xì)馊?lián)供技術(shù)路線。項目周圍有豐富的污水資源，可以選擇采用污水源熱泵技術(shù)供冷供熱。同時，設(shè)置一定的燃?xì)忮仩t和冷水機組作為調(diào)峰和備用冷熱源。

最終，選用基于能源梯級利用的天然氣冷熱電三聯(lián)供分布式能源技術(shù)、污水源熱泵制冷制熱技術(shù)，離心式高效冷水機組技術(shù)以及冷凝式燃?xì)忮仩t技術(shù)組成的復(fù)合式供能技術(shù)。項目原則性系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 項目原則性系統(tǒng)流程圖

2.2.2 三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計與分析

設(shè)計原則：①分布式供能系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計考慮“以電定熱”，供電比例為系統(tǒng)總用電負(fù)荷的20%～30%，并網(wǎng)不上網(wǎng)，確保分布式供能系統(tǒng)年利用小時數(shù)大于2500h，充分利用發(fā)電余熱。②分布式供能及污水源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基本負(fù)荷，離心式冷水機組承擔(dān)調(diào)節(jié)負(fù)荷，確保分布式能源穩(wěn)定運行，燃?xì)饫淠裏崴仩t作為備用及調(diào)峰使用。

2.2.3 發(fā)電機組容量及類型選擇

天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)除了具有能量梯級利用的優(yōu)勢外，也有明顯缺點，初投資高（5000 ～6000 元/kW），運行維護成本較高。按照單純按照冷水機組+水源熱泵方案（機房綜合系統(tǒng)能效比夏季4，冬季3），能源站各期裝機容量見表3。

表3 項目用電負(fù)荷估算表 單位：kW

根據(jù)表3 來估算初步發(fā)電機容量，一期考慮發(fā)電機容量2M～3MW，二期發(fā)電容量2M～3MW，三期考慮發(fā)電容量3M～4MW。

參考項目所在地節(jié)能補貼政策，發(fā)電總裝機容量控制在6M～8MW。

2.2.4 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與分析

項目平均污水量按 1.3 萬m3/h 計算，考慮污水安全利用量及污水換熱后參數(shù)，夏季污水可提取冷量為49.5MW；冬季污水可提取熱量為61.6MW。

按照冬季制熱來選取污水源熱泵機組。擬采用3 臺制熱量為9.5MW 的離心式水源熱泵機組+2 臺制熱量為6MW 的離心式水源熱泵機組搭配，作為基礎(chǔ)和調(diào)節(jié)冷熱源。

2.2.5 調(diào)峰鍋爐與冷機設(shè)計與分析

為提高區(qū)域能源系統(tǒng)的供能穩(wěn)定性及可靠性，擬定鍋爐供熱量為系統(tǒng)總熱負(fù)荷的20%～25%，主要作為前期污水量不足情況下的備用熱源，以及調(diào)峰使用。選用2 臺5.6MW 燃?xì)饫淠裏崴仩t作為供熱調(diào)峰和備用熱源。

根據(jù)上述工藝供能設(shè)備的選擇及估算總冷負(fù)荷，水源熱泵供冷負(fù)荷不足部分由常規(guī)水冷機組來提供，選用6 臺10MW 的離心式冷水機組作為補充調(diào)峰冷源。

3 運行調(diào)節(jié)

3.1 供冷策略

一期制冷供能開始，負(fù)荷較低時，開啟能源站的離心式冷水機組；當(dāng)系統(tǒng)用電量＞2MW 時，開啟 2MW 天然氣分布式能源系統(tǒng)（能源價格合理情況下），余熱進入溴化鋰吸收式機組制冷，其余不足由離心式冷水機組和離心式污水源熱泵機組提供。

3.2 供熱策略

一期制熱供能開始后，低負(fù)荷情況下，開啟制熱量為 6MW 的離心式水源熱泵；當(dāng)系統(tǒng)用電量＞2MW 時，開啟2MW 天然氣分布式能源系統(tǒng)（能源價格合理情況下），余熱進入溴化鋰吸收式機組制熱，其余不足熱量由離心式污水源熱泵機組提供。

4 系統(tǒng)性能評價

4.1 評價指標(biāo)選擇

該復(fù)合式能源系統(tǒng)輸入電力、燃?xì)狻⑽鬯Y源，凈輸出為供熱量或供冷量。單一燃?xì)忮仩t效率、系統(tǒng)COP、燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)能源利用率都無法公允評價系統(tǒng)性能，必須對現(xiàn)有系統(tǒng)評價指標(biāo)進行修正和完善，對不同輸入資源進行合理折算。建議采用年一次能源利用率（PER）對系統(tǒng)進行評價和年系統(tǒng)綜合性能系數(shù)（ASCOP）。

年一次能源利用率指在一個完整的供能期內(nèi)，供能系統(tǒng)建筑物獲得的熱量或冷量與消耗的一次能源之比。即：

PER= 建筑得熱量（冷量）/(燃?xì)庀牧俊寥細(xì)鉄嶂?電力消耗量×電力等價折算系數(shù))×100%

電力參照大型燃煤發(fā)電機組供電煤耗計算，1kWh 電力折算310gce，標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為7000cal/kg，折算系數(shù)為9074kJ/kWh。

年系統(tǒng)綜合性能系數(shù)為在一個完整的供暖期（制冷期）內(nèi)，供能系統(tǒng)建筑物獲得的熱量（冷量）與冷熱源主機、水泵及其他耗能設(shè)備凈輸入電量之比。

ASCOP =建筑得熱量（冷量）/(燃?xì)庀牧俊寥細(xì)庹垭娤禂?shù)+電力消耗量)

燃?xì)庹垭娤禂?shù)按當(dāng)前大型燃?xì)怆姀S供電效率計，折算系數(shù)為5.5kWh/Nm3；

4.2 系統(tǒng)性能評價

根據(jù)上述性能評價指標(biāo)對該項目計算，結(jié)果見表4。可以看出，復(fù)合能源系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)性能（注：由于輸出產(chǎn)品為冷量和熱量，從污水源中吸熱和排熱未計入，因此系統(tǒng)一次能源利用率可以大于100%）。

表4 區(qū)域能源項目性能評價指標(biāo)

以供熱期年一次能源利用率為例，當(dāng)單獨采用燃?xì)忮仩t供熱時，實際一次能源利用率約85%；當(dāng)單獨采用污水源熱泵時，實際一次能源利用效率為139%；當(dāng)污水源熱泵和燃?xì)馊?lián)供聯(lián)合，污水源熱泵所需電力恰好由燃?xì)馊?lián)供供應(yīng)時，實際一次能源利用效率約為180%。本項目由于燃?xì)馊?lián)供僅供應(yīng)部分污水源熱泵電力，一次能源利用率介于二者之間。因此，采用一次能源利用率可以合理反映系統(tǒng)性能。

5 結(jié)論

本項目針對供冷供熱工況不同的能源輸入，選擇一次能源利用率和綜合性能系數(shù)作為系統(tǒng)評價指標(biāo)，并明確了燃?xì)夂碗娏Φ恼鬯惴椒ā７治霰砻鳎@兩個評價指標(biāo)可合理的反映復(fù)合式能源系統(tǒng)的性能。