李春蝶　王　亮（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院　成都　610065；2.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院　成都　610072；.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　綿陽　621010）

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區(qū)域型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)荷特征及匹配分析

李春蝶1,2王亮3
（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院成都610065；2.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院成都610072；3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院綿陽621010）

【摘要】為指導(dǎo)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型，選取某分布式能源項(xiàng)目中所有的公共建筑建立DeST模型，以計(jì)算冷熱負(fù)荷，根據(jù)建筑性質(zhì)按照逐時(shí)逐月分?jǐn)偙壤椒ㄓ?jì)算逐時(shí)生活熱水和電負(fù)荷，通過總結(jié)冷熱電負(fù)荷日變化、月變化以及熱（冷）電比，得出公共建筑群負(fù)荷匹配特征，以此優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備配置。

【關(guān)鍵詞】冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；區(qū)域供冷；負(fù)荷特征；負(fù)荷匹配

0　引言

分布式能源系統(tǒng)是一種新型的能量供應(yīng)概念，它被定義為基于用戶當(dāng)?shù)鼗蚋浇陌l(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)先提供本地用戶電能和熱能。其中，供能系統(tǒng)主要包括分布式供電和供熱，其中供電是直接安置在用戶近旁或大樓里面的功率從kW至MW級(jí)不等的中、小型模塊式獨(dú)立發(fā)電裝置，在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害情況下維持重要用戶的供電，可提高供電可靠性[1,2]。該供電裝置特別適合于分布式熱電聯(lián)供或冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成為了分布式供能系統(tǒng)的一種主要形式。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)就是指通過對(duì)多種一次能源（包括煤、天然氣等）轉(zhuǎn)換技術(shù)的集成運(yùn)用，對(duì)同一對(duì)象同時(shí)提供冷/熱、電、蒸汽、熱水等多種終端能源的系統(tǒng)，即對(duì)發(fā)電設(shè)備供電后的余熱進(jìn)行回收利用，轉(zhuǎn)換成供熱或空調(diào)供冷，該類系統(tǒng)多采用往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，微型燃?xì)廨啓C(jī)，斯特林機(jī)以及燃料電池等原動(dòng)機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)高效利用[3]。確定逐時(shí)冷熱電負(fù)荷模擬是區(qū)域型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化的必要前提[4,5]，且區(qū)域冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)荷有別于單體建筑的常規(guī)空調(diào)冷負(fù)荷的最大特征是建筑間存在同時(shí)使用系數(shù)和輸配冷損失不能忽略。因此本文選取夏熱冬暖地區(qū)某案例項(xiàng)目中涉及到的公共建筑建立DeST模型，以計(jì)算冷熱負(fù)荷，根據(jù)建筑性質(zhì)按照逐時(shí)逐月分?jǐn)偙壤椒ㄓ?jì)算逐時(shí)生活熱水和電負(fù)荷，通過總結(jié)冷熱電負(fù)荷日變化、月變化以及熱（冷）電比，得出公建群負(fù)荷匹配特征。

1　冷熱負(fù)荷特征

冷熱負(fù)荷變化主要呈現(xiàn)為季節(jié)變化和日變化，其中季節(jié)變化主要受冬夏季室外溫度變化大，日變化主要受建筑使用性質(zhì)和作息規(guī)律不同的影響。

1.1月變化

空調(diào)冷熱負(fù)荷月變化主要受室外溫差的影響：冷熱負(fù)荷可分為兩類，即物理冷熱負(fù)荷（physical cool/heat load）和社會(huì)冷熱負(fù)荷（social cool/heat load），由于天氣情況例如室外溫度和溫度波動(dòng)情況所引起的負(fù)荷就為物理負(fù)荷，輸配損失也同樣屬于物理負(fù)荷，其他的影響因素還有太陽輻射等，太陽輻射會(huì)增加外墻面和屋面的表面溫度，并通過導(dǎo)熱進(jìn)去至房間內(nèi)部從而增加冷負(fù)荷。社會(huì)負(fù)荷主要取決于人員習(xí)慣，例如夏季日間由于室外高溫不愿外出，過渡季節(jié)室外氣溫較舒適，外出的人員增多。生活熱水負(fù)荷變化也因室外氣溫的影響引起酒店入住人員用水習(xí)慣變化，使得冬季熱水使用量較夏季的大。

本文采用相對(duì)月變化率來表述季節(jié)冷熱負(fù)荷波動(dòng)情況，其公式如下：

式中：Vm為相對(duì)月變化率，%；pd、pm、pa分別為日、月、年負(fù)荷平均值，kW。

圖1　案例項(xiàng)目冷熱負(fù)荷相對(duì)月變化率Fig.1 Relative monthly variation of cooling/heating load in case study

從圖1可知，夏季負(fù)荷波動(dòng)高于冬季，但10月為供冷末期，10月下旬冷負(fù)荷驟降，因此該月變化率大，達(dá)到35%；冬季生活熱水負(fù)荷和供熱負(fù)荷變化率較小，都不超過2%。

1.2日變化

空調(diào)冷熱負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷及電負(fù)荷日變化主要是社會(huì)負(fù)荷變化，它與建筑性質(zhì)所對(duì)應(yīng)的作息規(guī)律有關(guān)，例如辦公建筑在上班時(shí)段空調(diào)及用電需求高，下班就幾乎不需要空調(diào)和用電，商業(yè)及物流建筑則在運(yùn)營時(shí)期一直需要空調(diào)和照明，非運(yùn)營時(shí)刻則都不需要，且周末人員較平時(shí)密集，冷負(fù)荷呈現(xiàn)出周末高于平時(shí)。酒店的生活熱水受人員用水習(xí)慣影響，一般中國人習(xí)慣夜間洗澡，因此夜間的生活熱水負(fù)荷高于白天。

本文采用相對(duì)日變化率來表述一天冷熱負(fù)荷波動(dòng)情況，其公式如下：

式中：Vd為相對(duì)日變化率，%；ph為負(fù)荷時(shí)均值，kW。

圖2　案例項(xiàng)目冷熱負(fù)荷相對(duì)日變化率Fig.2 Relative daily variation of cooling/heating load in case study

圖2表征了冷熱負(fù)荷日變化波動(dòng)情況，在非供冷期，熱負(fù)荷相對(duì)日變化率不大，即表明在冬季熱負(fù)荷變化不大；但在過渡期日變化率波動(dòng)較大，可從10%變至37%；夏季冷負(fù)荷變化較穩(wěn)定，變化率在27%-42%波動(dòng)。

1.3時(shí)變化

相對(duì)時(shí)變化率表征了冷熱負(fù)荷時(shí)均值與日均值的絕對(duì)差偏離年均值的程度，該變化率從用戶側(cè)反應(yīng)使用蓄冷或蓄熱裝置是否適宜。本文采用相對(duì)時(shí)變化率來表述一年8760個(gè)小時(shí)的冷熱負(fù)荷波動(dòng)情況，其公式如下：

式中：Vh為相對(duì)時(shí)變化率，%。

分別選取冬夏兩季典型日分析案例項(xiàng)目的冷熱負(fù)荷相對(duì)時(shí)變化率如圖3所示。冬季夜間負(fù)荷變化率較白天的高，最高是在夜間21:00，為4.48%，夏季負(fù)荷一天波動(dòng)大，波動(dòng)范圍可從10%變至85%，最大為白天15:00，相對(duì)變化率為84%。因此，夏季有必要采取蓄冷措施，但冬季不需要蓄熱。

圖3　案例項(xiàng)目冷熱負(fù)荷相對(duì)時(shí)變化率Fig.3 Relative hourly variation of cooling/heating load in case study

圖4　各類型建筑熱（冷）電比Fig.4 Various types ofbuilding heat(cold)/power ratio

2　冷熱電負(fù)荷匹配

冷（熱）電比將直接決定冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，冷（熱）電匹配優(yōu)良的系統(tǒng)能充分發(fā)揮余熱不浪費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，因此進(jìn)行冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行和配置優(yōu)化前需了解用戶的冷熱電負(fù)荷匹配特性。

從圖4可明顯看出，各類型建筑熱電比以1為界，兩側(cè)分布較不均衡，商業(yè)和物流建筑多處于冷電比小于1的狀態(tài)，而辦公和酒店則多處于冷（熱）電比大于1的狀態(tài)。在除冷熱源系統(tǒng)未開啟時(shí)段（即熱電比為0的時(shí)刻），商業(yè)、酒店、辦公和物流建筑分別有1655h、3802h、781h和1483h的熱電比小于1，分別有637h、4958h、1668h和845h的熱電比大于1。且各類型建筑的熱（冷）電比隨季節(jié)變化明顯，酒店建筑由于冬季供熱、夏季供冷和全年供生活熱水，因此呈現(xiàn)出熱（冷）電比在供熱季節(jié)大于1和小于1的時(shí)刻相當(dāng)，而在供冷季節(jié)幾乎都大于1，最大熱（冷）電比為4.5；商業(yè)、辦公和物流建筑僅需供冷，供冷季節(jié)冷電比呈現(xiàn)出部分時(shí)刻大于1，且最大冷電比分別為8.4、2.7和8.7。

冷（熱）電比較高的時(shí)刻大多是冷（熱）負(fù)荷不算高，但電負(fù)荷很小的時(shí)刻，通過逐時(shí)數(shù)據(jù)得知該時(shí)刻一般是早上7、8時(shí)。造成冷（熱）電比高的原因是制冷系統(tǒng)須在建筑正式運(yùn)行前開啟消除建筑內(nèi)余熱以保證人員進(jìn)入后的熱舒適，而此時(shí)建筑內(nèi)的電消耗還較少。

圖5為案例項(xiàng)目建筑群總冷熱電負(fù)荷逐時(shí)圖，次坐標(biāo)為熱負(fù)荷，從該圖可以看出全年熱負(fù)荷較少，多數(shù)時(shí)刻冷負(fù)荷高于電負(fù)荷；夏季為用能高峰期且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。全年有4605h冷（熱）電比小于1且集中在冬季和過渡季節(jié)，有4155h冷（熱）電比大于1且集中在夏季，最大值為5.85。

圖5　建筑群總冷熱電負(fù)荷逐時(shí)圖Fig.5 Hourly buildings total electrical, heating- cooling load

圖6　建筑群總熱（冷）電比Fig.6 Buildings total heat (cold) /power ratio

3　總結(jié)

（1）冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)荷特征表現(xiàn)為：季節(jié)變化主要受冬夏季室外溫度變化大影響，而日變化主要受建筑使用性質(zhì)和作息規(guī)律不同的影響，從案例項(xiàng)目得出夏季負(fù)荷波動(dòng)高于冬季，冬季夜間負(fù)荷變化率較白天高，夏季負(fù)荷一天波動(dòng)大，波動(dòng)范圍可從10%變至85%，因此夏季有必要采取蓄冷措施，但冬季不需要蓄熱。

（2）冷（熱）電比方面，商業(yè)和物流建筑多處于小于1的狀態(tài)，而辦公和酒店則多處于大于1的狀態(tài)。各類型建筑的熱（冷）電比隨季節(jié)變化明顯，酒店建筑的熱（冷）電比在供熱季節(jié)大于1和小于1的時(shí)刻相當(dāng)，而在供冷季節(jié)幾乎都大于1，最大熱（冷）電比為4.5；商業(yè)、辦公和物流建筑的最大冷電比分別為8.4、2.7和8.7?？偫錈犭娯?fù)荷逐時(shí)呈現(xiàn)出全年熱負(fù)荷較少，夏季為用能高峰期且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，全年有4605h冷（熱）電比小于1且集中在冬季和過渡季節(jié)，有4155h冷（熱）電比大于1且集中在夏季，最大值為5.85，說明公建群的冷（熱）電負(fù)荷差距大，可有效利用聯(lián)供系統(tǒng)余熱。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis of Load Characteristics and Matching in District CCHP System

Li Chundie1,2Wang Liang3
( 1.College of Architecture and environment, Sichuan University, Chengdu, 610065;
2.Chengdu Academy of environmental Sciences, Chengdu, 610072; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

【Abstract】In order to guide the configuration design of combined cooling-heating and power system(CCHPsystem), DeST models of the public buildings in a certain distributed energy project are established to calculate heat/cool loading of the public buildings. The living hot water and electricity load is also calculated by monthly/hourly proportion method based on the characteristics of buildings. At last, the load matching feature of the public buildings is obtained through summarizing the daily/monthly change of cold/heat/electricity load and heat(cold)power ratio, in order to optimize the system equipment configurations.

【Keywords】CCHP system; District Cooling; Load Characteristics; LoadMatching

中圖分類號(hào)TU831.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-005-04

通訊作者：李春蝶（1986.01-），女，工學(xué)博士，博士后，E-mail：lcdshiwo@126.com

收稿日期：2015-07-31