馬愛(ài)純 孫瑋 李力 胡日骍

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

冷熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統(tǒng)是一種建立在能量梯級(jí)利用原理基礎(chǔ)上，將供冷、供熱及供電過(guò)程一體化的多聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)。將冷熱電聯(lián)供技術(shù)應(yīng)用于大型辦公建筑，對(duì)降低建筑能耗及減少二氧化碳排放具有重要意義。CCHP系統(tǒng)一般按照以熱定電或以電定熱的模式來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)容量，這兩種方式都可能導(dǎo)致系統(tǒng)能源供需不匹配，使原動(dòng)機(jī)經(jīng)常變工況運(yùn)行，余熱利用率低。引入蓄能裝置可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱電比，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，解決聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷缺口問(wèn)題。目前關(guān)于無(wú)蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的配置及運(yùn)行策略研究較多，且越來(lái)越多的研究者們從多目標(biāo)角度來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[1-4]。在帶蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究方面，大多研究者們都從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性或一次能源節(jié)約率等單方面因素來(lái)評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)優(yōu)劣[5-9]，關(guān)于多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究較少，且主要集中在系統(tǒng)運(yùn)行策略的方面，文獻(xiàn)[10-11]考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面對(duì)帶蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行了研究。由于建筑物類(lèi)型不同，若僅考慮單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，則不能全面地評(píng)價(jià)蓄能型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，得到該建筑物最佳的配置方案。本研究以長(zhǎng)沙地區(qū)某50000m2辦公樓為對(duì)象，設(shè)計(jì)不同的CCHP方案，運(yùn)用層次分析法對(duì)帶蓄能裝置的方案的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性、節(jié)能性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并與無(wú)蓄能裝置的方案比較，最終得到該辦公樓最佳的配置方案。

1 CCHP系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)配置型式

辦公建筑具有負(fù)荷間歇性變化大的特點(diǎn)，適合蓄能裝置發(fā)揮削峰填谷的作用。對(duì)于帶蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)制冷（熱）負(fù)荷高于用戶(hù)需求時(shí)，將多余的冷（熱）負(fù)荷儲(chǔ)存在蓄能裝置中。當(dāng)制冷（熱）負(fù)荷不能滿(mǎn)足用戶(hù)冷(熱)負(fù)荷需求時(shí)，再由蓄能裝置補(bǔ)充供應(yīng)，調(diào)節(jié)了系統(tǒng)熱電比，解決了無(wú)蓄能裝置聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源供需不匹配、余熱利用效率低的問(wèn)題。辦公建筑采用的帶蓄能裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)配置型式如圖1所示。其中原動(dòng)機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)，余熱回收裝置為煙氣型吸收式制冷機(jī)，調(diào)峰設(shè)備包括電動(dòng)壓縮機(jī)和蓄能裝置。

圖1 帶蓄能裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

以長(zhǎng)沙地區(qū)某50000m2辦公樓為研究對(duì)象，通過(guò)DeST軟件模擬出其全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷情況。該辦公樓工作時(shí)段電負(fù)荷穩(wěn)定在1250kW左右，夏季典型日峰值冷負(fù)荷約為4300kW，冬季典型日峰值熱負(fù)荷約為2800kW。該辦公樓的冷熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于電負(fù)荷，若采用以冷熱負(fù)荷確定機(jī)組配置的方法，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可滿(mǎn)足辦公樓冷熱負(fù)荷，無(wú)需配置蓄能裝置，且原動(dòng)機(jī)容量過(guò)大，在并網(wǎng)不上網(wǎng)的政策下，造成電能的浪費(fèi)，所以應(yīng)以電負(fù)荷為基準(zhǔn)進(jìn)行配置選型，原動(dòng)機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間處于額定工況下運(yùn)行，并配合蓄能裝置，充分利用系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱，實(shí)現(xiàn)冷（熱）的轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱電比。具體配置方案如表1所示，其中方案七為分供方案。

表1 辦公樓CCHP配置方案

辦公樓工作日工作時(shí)間為8:00-19:00，周末不工作，且過(guò)渡季無(wú)需供冷、供熱，所以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)只在冬季和夏季運(yùn)行，過(guò)渡季不運(yùn)行，年運(yùn)行時(shí)間如表2所示。

表2 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間

2 CCHP系統(tǒng)多目標(biāo)評(píng)價(jià)

為了全方面地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)劣，綜合考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面的影響因素，將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分供方案比較，以一次能源節(jié)約率（PESR），二氧化碳減排率（ESR），年費(fèi)用節(jié)約率（CSR）[12]分別作為能源目標(biāo)，環(huán)境目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)對(duì)CCHP系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

2.1 多目標(biāo)評(píng)價(jià)模型建立

采用層次分析法[13]對(duì)不同CCHP系統(tǒng)配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。CCHP系統(tǒng)評(píng)價(jià)框架由三層評(píng)價(jià)體系構(gòu)成，第一層為方案層，第二層為準(zhǔn)則層，第三層為目標(biāo)層。本研究中的評(píng)價(jià)流程圖如圖2所示。

圖2 CCHP系統(tǒng)評(píng)價(jià)流程圖

2.1.1 準(zhǔn)則層

采用Santy的1～9標(biāo)度方法，對(duì)辦公樓構(gòu)建關(guān)于能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的成對(duì)比較陣，滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)校核后，得到相應(yīng)的權(quán)向量。辦公建筑應(yīng)著重考慮節(jié)能因素[14]，則辦公建筑關(guān)于能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量ω=[0.55；0.24；0.21]。

2.1.2 方案層

根據(jù)各方案的能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)值，結(jié)合式（1），計(jì)算出基于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的備選方案的成對(duì)比較陣，滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)校核后，從而求得各方案關(guān)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重向量。

式中：Pi,j為成對(duì)比較陣的元素；Roundup為向負(fù)方向取整的函數(shù)；Ci、Cj為同一準(zhǔn)則下任意兩個(gè)方案i和j的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；Cmax為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值中的最大值；Cmin為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值中的最小值；N為最大標(biāo)度值，根據(jù)Santy的層次分析法理論，N=9。

2.1.3 目標(biāo)層

將準(zhǔn)則層的權(quán)重與方案層的權(quán)重進(jìn)行矩陣計(jì)算，得到系統(tǒng)的最終權(quán)重，從而選出最佳方案。

2.2 多目標(biāo)評(píng)價(jià)計(jì)算

長(zhǎng)沙地區(qū)售電單價(jià)采取分時(shí)電價(jià)政策，天然氣價(jià)格采取季節(jié)性差價(jià)政策，電、天然氣價(jià)格參數(shù)如表4、表5所示。

表4 電的價(jià)格參數(shù)

表5 天然氣的價(jià)格參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)配置方案，計(jì)算各方案初始指標(biāo)值如表6所示。根據(jù)表6中的六個(gè)方案的能源（PESR）、環(huán)境（ESR）、經(jīng)濟(jì)（CSR）的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，計(jì)算出六個(gè)方案關(guān)于每個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的成對(duì)比較陣及相應(yīng)的權(quán)重，并結(jié)合準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重，求出各方案的最終權(quán)重如表7所示。

表6 各方案初始指標(biāo)值

表7 各方案關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重因子及最終權(quán)重

2.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

從表7中可見(jiàn)，同燃?xì)廨啓C(jī)容量下，方案四與方案一，方案五與方案二，方案六與方案三相比，通過(guò)引入蓄能裝置，其節(jié)能性、環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性均有提高。在帶蓄能裝置的方案中，方案五的節(jié)能性最好。方案四的環(huán)境性最優(yōu)，方案五低于方案四，但方案四的經(jīng)濟(jì)性較差，主要原因是其設(shè)備初投資成本很高，折算的年總費(fèi)用相對(duì)較高，降低了其經(jīng)濟(jì)性。方案六的經(jīng)濟(jì)性最佳，但其環(huán)境性卻很差，主要原因是方案六的設(shè)備容量較小，系統(tǒng)發(fā)電量和可利用的余熱較小，需從電網(wǎng)補(bǔ)足電量缺額很大，而電廠(chǎng)單位發(fā)電量排放的CO2較大，綜合考慮三個(gè)方面，方案五最佳。由表6計(jì)算可得，方案五與分供方案相比，其年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費(fèi)用分別減少11.0%，30.9%，11.0%。與方案二相比，同燃?xì)廨啓C(jī)容量下，系統(tǒng)的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費(fèi)用分別減少了0.9%、1.8%、1.6%。由于該辦公樓夏季冷負(fù)荷需求較大，蓄能裝置主要利用夜間低價(jià)電制冷蓄冷，白天放冷調(diào)峰來(lái)降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，但總節(jié)能量較小。冬季熱負(fù)荷波動(dòng)較大，蓄能裝置主要通過(guò)回收系統(tǒng)余熱來(lái)減少能源消耗量，但冬季系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較短。所以對(duì)辦公樓，蓄能裝置的引入節(jié)能效果仍不明顯。對(duì)于醫(yī)院、火車(chē)站等全天均需冷（熱）負(fù)荷且晝夜負(fù)荷變化較大的建筑，引入蓄能裝置將有更好的前景。

3 結(jié)論

為長(zhǎng)沙地區(qū)某50000m2辦公樓設(shè)計(jì)了六種CCHP系統(tǒng)方案，基于能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合層次分析法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。六種方案中，MakilaTI型燃?xì)廨啓C(jī)配合蓄能裝置的方案五最佳，與分供方案相比，其節(jié)能性、環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性分別提高了11.0%，30.9%，11.0%。與方案二相比，同燃?xì)廨啓C(jī)容量下，蓄能裝置的引入使得系統(tǒng)的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年總費(fèi)用分別減少了0.9%、1.8%、1.6%。