李金桃 楊雅鑫 李洋 雷艷 杜松 張林濤

（1 貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司 貴州貴陽 550006 2 北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100013）

0 引言

多能互補分布式能源系統(tǒng)是指多種能源資源輸入，并形成多種產(chǎn)出功能和輸運形式的以區(qū)域為中心的能源服務(wù)系統(tǒng)。多能互補分布式能源系統(tǒng)是傳統(tǒng)分布式能源應(yīng)用的拓展，是一體化整合的物理概念，將燃?xì)狻L(fēng)電、光伏、光熱、儲熱等技術(shù)進(jìn)行融合，實現(xiàn)多種能源的協(xié)同優(yōu)化［1-2］。多能互補系統(tǒng)并不是多種能源的簡單疊加，而是從系統(tǒng)角度將不同品階上的能量進(jìn)行階梯利用，將系統(tǒng)能源的利用效率綜合互補利用，并統(tǒng)籌安排好各種能量之間的配合關(guān)系與轉(zhuǎn)換使用，以取得最合理能源利用效果與效益。以分布式供能系統(tǒng)為核心的多能互補供能系統(tǒng)興起時間較短，研究成果相對較少。關(guān)于節(jié)能效果的相關(guān)研究多集中在分布式供能系統(tǒng)，多個研究人員根據(jù)分布式能源系統(tǒng)的特點分別提出了不同的節(jié)能效果評估方法，并給出了案例進(jìn)行論證［3-8］。文獻(xiàn)［9］以某醫(yī)院的地源熱泵耦合分布式供能系統(tǒng)為例，計算了該項目常規(guī)能源節(jié)約量；文獻(xiàn)［10］則分析了影響多能互補分布式供能系統(tǒng)能效水平的影響因素，并定義了綜合能效的定義；文獻(xiàn)［11］則在上述研究基礎(chǔ)之上，提出節(jié)能率計算時應(yīng)考慮輸入能源的品質(zhì)，并考慮可再生能源系統(tǒng)輸入的低品位能源對系統(tǒng)節(jié)能率的影響；文獻(xiàn)［12］則提出了一種用于測試供冷、供暖和過渡季能耗和評價能效水平的計算方法。文獻(xiàn)［13］構(gòu)建了一個同時考慮經(jīng)濟性、一次能耗和碳排放量的多目標(biāo)超結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并基于實際案例給予驗證。文獻(xiàn)［14］基于典型工業(yè)園區(qū)供能需要，研究并設(shè)計了多能互補分布式綜合供能系統(tǒng)典型方案。綜合以上研究可知，針對多能互補分布式供能系統(tǒng)的節(jié)能效果評估研究較少，而多能互補分布式能源系統(tǒng)作為一種全新的能源供給形態(tài)，節(jié)能效果是評價系統(tǒng)成功與否的重要指標(biāo)，因此有必要針對該類型供能系統(tǒng)的節(jié)能效果評價進(jìn)行研究。

1 評估方法

在參考相關(guān)的研究基礎(chǔ)之上，本文提出一種適用于多能互補分布式供能系統(tǒng)的節(jié)能效果評估方法。該方法將供能系統(tǒng)視為閉式系統(tǒng)，以全年能耗模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)供能系統(tǒng)的運行策略，計算不同負(fù)荷區(qū)間、不同工況下系統(tǒng)輸入和輸出的能量，并將輸入和輸出系統(tǒng)的能源（含太陽能、淺層地?zé)崮艿龋┱酆铣蓸?biāo)準(zhǔn)煤計算一次能源替代量。

為簡化計算，在保證系統(tǒng)節(jié)能效果評估計算數(shù)值準(zhǔn)確的前提下，評估方法進(jìn)行了如下假設(shè)：不考慮供能系統(tǒng)內(nèi)的供能設(shè)備部分負(fù)荷狀態(tài)，設(shè)備運行功率能源耗量等參數(shù)取額定值；不考慮供能系統(tǒng)內(nèi)輸配系統(tǒng)水泵、風(fēng)機等設(shè)備變頻運行對節(jié)能效果的影響，水泵、風(fēng)機等設(shè)備的運行功率取額定功率。該評估計算方法的具體操作方法如下：

（1）計算供能區(qū)域全年供冷、供熱能耗時，對各棟建筑的全年建筑能耗進(jìn)行模擬計算，并統(tǒng)計出各建筑全年各時間段的建筑能耗；

（2）根據(jù)多能互補分布式供能系統(tǒng)和對比系統(tǒng)分供式供能系統(tǒng)的供能設(shè)備配置情況，并結(jié)合供能系統(tǒng)運行策略，制定不同工況、不同負(fù)荷區(qū)間的供能系統(tǒng)運行策略。

（3）根據(jù)不同工況下的設(shè)備運行情況，統(tǒng)計該運行模式下末端所需的總負(fù)荷以及系統(tǒng)設(shè)備自身耗能量，在滿足系統(tǒng)自身和末端能源需求基礎(chǔ)上，計算該運行工況下供能系統(tǒng)輸入和輸出的能源類型和能量，并將輸入和輸出的能源換算成標(biāo)準(zhǔn)煤。

（4）按照公式（1）～（3）計算多能互補分布式供能系統(tǒng)和分供式供能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量、以及節(jié)能量：式中：Gce為全年累計標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，kgce；α 為天然氣折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，取值為1.2143 kgce/m3［15］；Ggas.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，供能系統(tǒng)輸入的天然氣耗量，m3；Ti為第i 類供冷/供暖的累計運行時間，h；Qepin.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，市政電網(wǎng)累計輸入的電量，kWh；β 為電煤折算系數(shù)，本文取值為0.311 kgce/kWh；η 為電網(wǎng)綜合線損率，本文取值為3.99%。

式中：ΔGce為全年累計節(jié)能量，kgce；Gcef.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，分供式供能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，kgce；Gced.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，多能互補分布式供能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，kgce；Gced.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，可再生能源系統(tǒng)輸入能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤量，kgce；Gepout為儲能裝置累計儲存電量轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)煤量，kgce；Gepout.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，儲能系統(tǒng)儲電量轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)煤量，kgce；Qepout.i為第i 類供冷/供暖運行模式下，系統(tǒng)向儲能裝置輸出的電量，kWh。

2 供能及對比系統(tǒng)

2.1 多能互補分布式供能系統(tǒng)方案

本文以貴州某多能互補分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用項目為例，詳解該節(jié)能效果評估計算方法。計算項目位于貴州省貴安新區(qū)，項目占地面積207 055.60 m2，總建筑面積508 764.60 m2，為集居住、商業(yè)、辦公等功能為一體的大型城市綜合體項目。項目設(shè)計總冷負(fù)荷為14 591.37 kW，設(shè)計總熱負(fù)荷11 802.05 kW，采用由燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機組、煙氣吸收式溴化鋰機組、直燃型溴化鋰機組、水源熱泵機組、空氣儲能裝置等多種供能設(shè)備組成的多能互補分布式供能系統(tǒng)，為項目提供所需冷、熱負(fù)荷以及生活熱水負(fù)荷。上述各子供能系統(tǒng)采用并聯(lián)方式聯(lián)網(wǎng)，由智能微網(wǎng)控制系統(tǒng)對供能系統(tǒng)的運行進(jìn)行調(diào)控，確保在不同負(fù)荷工況下，可實現(xiàn)單一子系統(tǒng)供能或多個子系統(tǒng)耦合供能。

該系統(tǒng)采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”模式運行，即多能互補分布式能源系統(tǒng)接入大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，所產(chǎn)生的電力自發(fā)自用，如有富余發(fā)電量則利用空氣儲能技術(shù)儲能以供系統(tǒng)使用，不向電網(wǎng)反向送電。在空氣儲能電量不足或系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備不啟用、檢修或者故障時，由市政電網(wǎng)向供能系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)能夠長期安全穩(wěn)定地運行。該供能系統(tǒng)原理及主要設(shè)備分別如圖1和表1 所示。

圖1 多能互補分布式供能系統(tǒng)原理圖

表1 多能互補分布式供能系統(tǒng)設(shè)備性能參數(shù)

為充分回收燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機組發(fā)電過程中產(chǎn)生的可利用廢熱，最大限度提高供能系統(tǒng)的用能效率，同時保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，供能系統(tǒng)的運行需遵循優(yōu)先開啟水源熱泵系統(tǒng)提供制冷制熱，當(dāng)負(fù)荷不足以滿足末端需求時，開啟冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)和燃?xì)庵比紮C系統(tǒng)的原則。不同工況及不同負(fù)荷區(qū)間的主要供能設(shè)備開啟情況如表2 所示。

表2 多能互補分布式供能系統(tǒng)運行模式及設(shè)備啟停情況

2.2 分供式供能系統(tǒng)方案

分供式供能系統(tǒng)是相對于多能互補分布式供能系統(tǒng)而言。即供能系統(tǒng)所需的電量由市政電網(wǎng)提供，冷量由電制冷冷水機組提供，而熱量則由燃煤或燃?xì)忮仩t提供。根據(jù)項目的可行性研究報告，分供式供能系統(tǒng)的冷量由4 臺離心式冷水機組提供，供暖以及全年生活熱水熱負(fù)荷則由3 臺常壓燃?xì)忮仩t提供，設(shè)備運轉(zhuǎn)所需要的電量則有市政電網(wǎng)供給。運行模式根據(jù)負(fù)荷區(qū)間段開啟供能設(shè)備。分供式供能系統(tǒng)設(shè)備性能參數(shù)如表3 所示。

表3 分供式供能系統(tǒng)設(shè)備性能參數(shù)

3 評估結(jié)果及分析

采用PKPM-CHEC 能耗模擬軟件，計算項目各建筑的全年能耗，統(tǒng)計多能互補分布式供能系統(tǒng)和分供式供能系統(tǒng)不同運行模式下的全年運行時數(shù)，并根據(jù)不同運行模式下燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機組啟動的差異，統(tǒng)計該模式下由市政電網(wǎng)輸入或向儲能裝置輸出的電量。多能互補分布式供能系統(tǒng)和分供式供能系統(tǒng)的統(tǒng)計結(jié)果分別如表4 和表5 所示。

表4 多能互補分布式供能系統(tǒng)用能情況統(tǒng)計

表5 分供式供能系統(tǒng)用能情況統(tǒng)計

上述結(jié)果代入公式（1）～（3）中計算可得到，多能互補分布式能源系統(tǒng)以及與之對比的分供式供能系統(tǒng)的全年供熱、供冷、供電以及生活熱水的全年標(biāo)準(zhǔn)煤耗量以及節(jié)能量，計算結(jié)果如表6 所示。

表6 供能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤耗量計算表 單位：tce

4 結(jié)論及建議

本文提供了一種適用于多能互補分布式供能系統(tǒng)全年耗能量評估的計算方法，并以貴州某應(yīng)用工程為案例進(jìn)行了全年耗能量的評估計算，得出的結(jié)論如下：

（1）計算案例的多能互補分布式供能系統(tǒng)全年能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤的量為6 766.5 t，對比的分供式供能系統(tǒng)全年能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤的量為9 526.6 t，相較于對比系統(tǒng)全年節(jié)能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為2 760.1 t。

（2）計算案例的供能系統(tǒng)在全年運行過程中存在較長時間的低負(fù)荷運行工況，方案階段、實際運行過程中應(yīng)重點關(guān)注該階段的運行能耗。尤其是低負(fù)荷供暖工況運行時，采用能效比較高的水源熱泵機組標(biāo)準(zhǔn)煤耗量顯著低于直接燃燒天然氣的燃?xì)忮仩t標(biāo)準(zhǔn)煤耗量。

（3）本文提供的多能互補分布式供能系統(tǒng)全年耗能量評估計算方法可用于不同供能方案運行效果的評估，為多能互補分布式供能系統(tǒng)的運行和推廣提供依據(jù)。