綜合能源系統運行策略研究

羅正意, 邵雪奎

(1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410083)

1 引言

在全球化石能源的枯竭和氣候變暖的大背景下，綜合能源系統(Integrated energy systems,IES))由于其綠色高效的特點而受到廣泛的關注。綜合能源系統被認為是未來社會能源的主要承載形式，特指在規劃、建設、運行和管理等過程中，通過對能源的產生、輸配、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化后形成的能源產供銷一體化系統。

科學合理地選擇綜合能源系統的運行策略對發揮系統的節能減排效果至關重要。當前，對綜合能源系統基本運行策略的研究主要集中在以下3種：(1)以電定熱(Following the Electric Load，FEL)[1]，也可稱之為電跟隨模式(Electric Demand Management，EDM)，聯供系統動力發電機組發電優先滿足用戶電負荷需求，發電產生的余熱滿足用戶熱負荷需求，若余熱供熱量不足，則由輔助鍋爐補充，而過剩的熱量存儲或排空。(2)以熱定電(Following the Thermal Load，FTL)[2]，又叫熱跟隨模式(Thermal Demand Management，TDM)，聯供系統優先滿足系統熱負荷需求，不足電量從公共電網購電，對于多余電量按目前政策一般進行存儲或排空，而不能接入公共電網。(3)近些年國內外學者對聯供系統的運行策略進一步研究，提出了一種混合運行策略(Following a Hybrid Electric—thermal Load, FHL)[3-4]，根據不同工況下用戶熱負荷和電負荷的相對大小關系，系統選擇以熱定電或以電定熱的策略運行，不足的電能則從電網補充，不足的熱量由輔助鍋爐提供，避免了單一運行方式下電能或熱能的浪費。然而，對于不包含冷熱電聯供系統的綜合能源系統而言，FEL、FTL、FHL等運行策略并不適用。大量的研究[5-6]表明傳統的化石能源與太陽能、地熱能等可再生能源之間具有互補性，可以很好地彌補各自單獨應用的缺陷。隨著可再生能源在綜合能源系統中大規模的應用[7-8]，針對不包含冷熱電聯供系統的綜合系統提出一種多能互補的運行策略迫在眉睫。

本文以長沙市某室內游泳館綜合能源系統為工程案例，基于系統的各種輸入能源之間的互補特性，提出一種多能互補的運行策略，分別在傳統的運行策略和多能互補運行策略下，對系統的經濟、環保和能效性能進行了對比分析。

2 工程概述

表1 游泳館四個季節典型日負荷需求 單位：kWh

表2 長沙市四個季節典型日室外環境參數

3 綜合能源系統

3.1 能量樞紐模型

游泳館的綜合能源系統以太陽能、地熱、空氣能、天然氣和電網購電為能量來源，聯合使用太陽能光伏電池板、平板太陽能集熱器、土壤源熱泵、空氣源熱泵、燃氣鍋爐、蓄電池、儲熱水箱、板式換熱器等設備，以滿足其電負荷、空調冷負荷、空調熱負荷和熱水負荷需求。基于“能量樞紐(Energy Hub, EH)”的概念[9]，構建的系統EH模型如圖1所示，清楚地描述了系統內部能量的流動關系及耦合機制。系統各設備的容量、經濟參數如表3所示。

圖1 游泳館綜合能源系統EH模型結構圖

表3 游泳館綜合能源系統各設備參數

3.2 設備數學模型

為了提高設備建模的精度，獲取更準確的計算結果，本文在對游泳館綜合能源系統的設備建模時，充分考慮設備的變工況特性，具體建模過程如下。

(1)光伏電池板。光伏發電系統受天氣影響較大，其發電功率除了跟光伏電池板的安裝面積有關，還取決于外界太陽輻射強度和光伏電池板的能量轉化效率，可以表示為式(1)，其中電池板的能量轉化效率隨外界太陽輻射強度和室外環境溫度的變化而變化，可由式(2)計算得到[10]。

(1)

(2)

(2)平板太陽能集熱器。與光伏電池板類似，平板太陽能集熱器的輸出功率取決于太陽能集熱器的安裝面積、外界太陽輻射強度和集熱器的能量轉化效率。其中，集熱器的效率跟太陽輻射以及集熱器本身的參數有關[11]。

(3)

(4)

(3)土壤源熱泵。土壤源熱泵的輸出功率取決于性能系數和負荷情況，如式(5)所示，而性能系數取決于土壤源熱泵自身的變工況特性，游泳館的綜合能源系統采用的是垂直單U埋管的土壤源熱泵，其變工況特性可以用式(6)描述[12]。

(5)

FPL=0.8337+0.1967RPL-0.03778RPL2+0.0073RPL3

(6)

(7)

(8)

(4)空氣源熱泵。類似的，游泳館的綜合能源系統采用的空氣源熱泵是變速空氣-水熱泵，其數學模型如公式(9)所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

(5)燃氣鍋爐。燃氣鍋爐的輸出功率跟其制熱效率和負荷情況有關，如式(13)所示，而制熱效率取決于鍋爐自身的變工況特性，其變工況特性可以用式(14)描述，燃氣鍋爐的模型如下式所示[13]：

(13)

(14)

(15)

(16)

(6)儲能裝置。游泳館的綜合能源系統的儲能裝置采用鉛酸蓄電池和顯熱儲熱水箱。通過可逆的化學反應，蓄電池實現化學能和電能之間的相互轉換，其數學模型如公式(17)所示[14-15]：

(17)

類似的，顯熱儲熱水箱其數學模型如公式(18)所示[14-15]：

(18)

4 運行策略

綜合能源系統的運行策略主要包括啟發式運行策略和優化運行策略兩種類型，啟發式運行策略根據事先擬定的設備啟停優先級制定系統的運行規則；優化運行策略考慮一個調度周期內的運行成本，以調度周期內的總成本最低為目標，優化系統運行，獲取系統的運行策略。本文主要探討啟發式的運行策略。

4.1 傳統運行策略

傳統運行策略下，冷、熱、電等網絡彼此之間無耦合，運行相對獨立。游泳館綜合能源系統傳統運行策略下，電負荷由太陽能電池板、蓄電池和電網滿足，光伏電池板發電首先用于滿足用戶電負荷需求，富余的電能存儲在蓄電池中；當光伏電池板發電不足以滿足用戶電負荷需求時，蓄電池放電來提供電力短缺的部分，若蓄電池仍不能滿足剩余的電力需求，從電網中購電。空調冷、熱負荷由土壤源熱泵和空氣源熱泵共同提供，空調冷、熱負荷首先由土壤源熱泵滿足，當土壤源熱泵滿足時，開啟空氣源熱泵。熱水負荷由平板太陽能集熱器、儲熱水箱和燃氣鍋爐共同提供，平板太陽能集熱器首先用于滿足用戶熱水負荷需求，富余的熱水存儲在儲熱水箱中；當平板太陽能集熱器產生的熱身無法滿足用戶熱水負荷需求時，儲熱水箱放熱，若仍不能滿足，燃氣鍋爐開啟提供剩余所需的熱量。

4.2 多能互補運行策略

前文已提到，FEL、FTL、FHL等運行策略并不適用于不包含冷熱電聯供系統的綜合系統。基于不同能源之間的互補性制定綜合能源系統的運行策略，來提高能源系統的經濟性、能效性、穩定性和安全性，已經取得廣泛共識，并有了不少成功應用[15]。現有研究表明傳統的化石能源、太陽能、空氣能和地熱能等可再生能源之間具有互補性[16-19]。太陽能發電、太陽能低溫集熱、土壤源熱泵、空氣源熱泵、燃氣鍋爐等技術已發展成熟，可滿足用戶對熱水、區域供冷/供熱、電能的需求。然而，太陽能具有間歇性、波動性的特點，能量密度低，利用太陽能發電或集熱容易受到晝夜、天氣、季節等不利因素的制約，無法實現連續穩定的供能；空氣能利用技術受外界環境的影響較大；地熱能相對穩定，可以實現連續供能，能量密度同樣較低，但其開發利用又受到經濟性和場地空間的限制；天然氣能量密度高，可以滿足用戶沖擊負荷的需求，實現連續穩定的供能，但經濟性相對較低。由此可見，太陽能、地熱能、空氣能、天然氣在時間、空間和品位方面具有很好的互補性，充分利用這種互補性可以很好地彌補各自在單獨應用上的缺陷，實現連續穩定低成本的供能。

本文針對游泳館的綜合能源系統提出了一種啟發式的多能互補運行策略，具體介紹如下：

(1)電力供應策略。與傳統運行策略下的電力供應策略類似，光伏電池板發電首先用于滿足用戶電負荷需求，富余的電能存儲在蓄電池中，無法滿足用戶用電需求時，蓄電池放電，若仍不能滿足，則從電網中購電。

(2)冷量供應策略。游泳館的冷負荷需求為空調制冷所需的冷量。空調冷負荷首先由土壤源熱泵提供，當土壤源熱泵提供的冷量不足以滿足空調冷負荷需求時，空氣源熱泵開啟以滿足剩余部分空調冷負荷。需要注意的是，當平板太陽能集熱器和儲熱水箱提供的熱水不能滿足熱水負荷需求時，土壤源熱泵和空氣源熱泵中空余的容量用來生產熱水以滿足熱水負荷。

(3)熱量供應策略。游泳館的熱負荷需求為空調制熱及恒溫泳池池水加熱所需的熱量。與電力供應策略類似，平板太陽能集熱器產生的熱水首先滿足熱負荷需求。如果平板太陽能集熱器提供的熱量有富余，富余的熱水存儲在儲熱水箱中；當平板太陽能集熱器無法同時滿足空調制熱及恒溫泳池池水加熱的熱負荷時，平板太陽能集熱器首先用來供應恒溫泳池池水加熱所需的熱量；如果平板太陽能集熱器可以滿足該部分負荷，那么平板太陽能集熱器中富余的熱水和儲熱水箱中儲存的熱水用于提供空調制熱所需的熱量，此時若不能滿足空調熱負荷，剩余的空調熱負荷將依次由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐提供，直至滿足為止；否則，剩余的池水加熱負荷和空調熱負荷由儲熱水箱、土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐共同承擔。若儲熱水箱可以滿足剩余的池水加熱熱負荷，儲熱水箱將繼續放熱以提供空調供熱需求，此時若儲熱水箱提供的熱量不足以滿足空調熱負荷，那么剩余部分的空調熱負荷依次由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐提供，直至滿足為止；若儲熱水箱無法滿足剩余的池水加熱熱負荷，則將由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐承擔空調熱負荷，其中未被利用的容量可用來滿足剩余的池水加熱負荷。

5 評價指標

5.1 經濟性指標

綜合能源系統的經濟性一直以來都是用戶比較關注的問題。本文采用年值法計算游泳館綜合能源系統的經濟性，系統年總費用( Annual Total Cost，ATC) 包括年運行費用和年維護費用兩部分，以公式(19)表示：

(19)

表4 長沙市天然氣和外購電價格

5.2 環保性指標

近年來，隨著全球氣候變化，世界各國越來越關注溫室氣體的排放，特別是CO2的排放。因此本文將CO2年排放量(Annual Total CO2Emissions, ATE)作為系統環保性評價指標，系統CO2年排放量越小，系統越環保。游泳館綜合能源系統的CO2年排放量可用公式(20)計算：

(20)

5.3能效性指標

在當前使用的多種評價能源系統的能效性的指標中，基于熱力學第一定律的一次能源利用率較為常見。一次能源利用率(Primary Energy Ratio,PER)指的是需求側系統輸出總能量與供給側一次能源消耗量的比值，系統一次能源利用率越高，說明系統的節能性越好。游泳館綜合能源系統的一次能源利用率可以用公式(21)計算：

(21)

6 結果與討論

根據建立的綜合能源系統的模型以及系統的運行策略，在MATLAB中模擬系統在春、夏、秋、冬四個季節典型日的運行情況，各典型日持續時間分別為77 d、102 d、61 d和125 d，據此計算分析系統在傳統運行策略和多能互補運行策略下的性能表現。

6.1 經濟性分析

根據四個季節典型日各時段系統的運行和維護費用，以及各典型日的天數計算得到的四個季節兩種運行策略下的運行和維護費用如圖2所示。在春季、秋季和冬季，多能互補運行策略的經濟性優于傳統運行策略，比傳統運行策略下的運行和維護費用分別低約21.5%、6.8%和24.8%，且在冬季尤為顯著；在夏季，兩種運行方式的經濟性一樣。在傳統運行策略和多能互補運行策略下，系統的年運行和維護費用分別為176 810元/a、147 420元/a，多能互補運行策略下的年運行和維護費用比傳統運行策略的減少了約16.7%。因此，多能互補運行策略比傳統的運行策略具有更好的經濟性。

圖2 兩種運行策略下不同季節系統的運行和維護費用

6.2 環保性分析

系統的環保性采用CO2年排放量指標來評價。如圖3所示，兩種運行策略下，四個季節CO2排放量的差距并不明顯，其中，多能互補運行策略下，春季、秋季和冬季的CO2排放量僅比傳統運行策略的增加了約17.4%、8.2%和3.7%，夏季二者的CO2排放量相同，均為55 799 kgCO2。傳統運行策略和多能互補運行策略下，系統的CO2年排放量分別為164 050、170 640 kg/a，多能互補運行策略下的CO2年排放量僅比傳統運行策略的增加了約4%。因此，多能互補運行策略的環保性僅略低于傳統的運行策略。

圖3 兩種運行策略下不同季節系統的CO2排放量

6.3 能效性分析

系統的能效性采用一次能源利用率指標來衡量。如圖4所示，兩種運行策略下，春季、秋季和冬季的一次能源利用率差距較為明顯，夏季的一次能源利用率相同。其中，多能互補運行策略下春季、秋季和冬季的一次能源利用率分別比傳統運行策略的增加了約260%、72.5%和192%，夏季二者的一次能源利用率均為5.1。傳統運行策略和多能互補運行策略下，系統的年平均一次能源利用率分別為1.8和3.9，多能互補運行策略下的年平均一次能源利用率比傳統運行策略增加約117%。因此，多能互補運行策略比傳統的運行策略具有更高的能效性。

圖4 兩種運行方式下不同季節系統的一次能源利用

7 結論

基于綜合能源系統輸入的不同能源在時間、空間和品位方面的互補性的多能互補運行策略比傳統策略更具有優勢。傳統運行策略和多能互補運行策略下系統的經濟性、環保性和能效性的分析表明：多能互補運行策略下系統的年運行和維護費用比傳統運行策略的減少了約16.7%，年平均一次能源利用率比傳統運行策略的增加約117%，但CO2年排放量僅比傳統運行策略的增加了4%，綜合考慮三因素，多能互補運行策略比傳統運行策略更具有優勢。