摘要：結(jié)合中新天津生態(tài)城動(dòng)漫園的燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，采用Energyplus模擬計(jì)算了建筑全年冷熱電負(fù)荷，以壽命周期成本(LCC)最小為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案和運(yùn)行策略進(jìn)行了探討。根據(jù)優(yōu)化模型確定的燃?xì)饫錈犭娐?lián)產(chǎn)方案具有更好的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞： 燃?xì)饫錈犭娐?lián)供；優(yōu)化模型；設(shè)備配置；運(yùn)行策略
Optimization of Combined Cooling，Heating and Power System for Animation Park in Sino-Singapore Tianjin Eco-city
Abstract：Combined with the gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system for Animation Park in Sino-Singapore Tianjin Eco-city，the annual building cooling，heating and power loads are simulated and calculated by Energyplus，an optimization model is established using the minimal lifecycle cost(LCC)as an object function，and the equipment configuration scheme and operation strategy
of the system are discussed．The gas-fired CCHP scheme determined by the optimization model has better energy-saving and economy．
Key words： gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)； optimization model； equipment configuration； operation strategy
1 概述
中新天津生態(tài)城是中國(guó)與新加坡兩國(guó)政府應(yīng)對(duì)全球氣候變化、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源的戰(zhàn)略性合作項(xiàng)目，是國(guó)家間合作開(kāi)發(fā)建設(shè)的生態(tài)城市。其指導(dǎo)思想為探索“能復(fù)制、能實(shí)行、能推廣”的城市發(fā)展模式。中新天津生態(tài)城動(dòng)漫園由文化部與天津市合作共建，是文化部確認(rèn)的第一個(gè)國(guó)家級(jí)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)園。
燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)供系統(tǒng))是以天然氣為一次能源，產(chǎn)生電和可用冷熱能的能源系統(tǒng)[1]。利用燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等發(fā)電機(jī)組與溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化組合，可實(shí)現(xiàn)終端能源的梯級(jí)利用和高效轉(zhuǎn)換，避免遠(yuǎn)距離輸電損失，提高能源利用效率，降低能耗。[2-12]。
然而聯(lián)供系統(tǒng)只有在合理的設(shè)備配置與運(yùn)行策略下才能充分發(fā)揮節(jié)能、環(huán)保、綜合效率高的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于聯(lián)供項(xiàng)目的可行性研究往往只進(jìn)行方案對(duì)比，且僅考慮以熱、冷定電或以電定熱、冷，孤立了設(shè)備配置與運(yùn)行策略，經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性也無(wú)法保證。因此，尋求合理的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)的最佳配置，是聯(lián)供項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。
本文采用Designbuilder軟件建立了建筑模型，結(jié)合能耗分析軟件Energyplus進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)設(shè)定，獲取動(dòng)漫園全年(8 760 h)的動(dòng)態(tài)冷熱電負(fù)荷，以及聯(lián)供系統(tǒng)的能耗。以壽命周期成本LCC(Life Cycle Costs，LCC)最小為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化評(píng)價(jià)模型，對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案和運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化評(píng)價(jià)，確定最佳方案。
2 項(xiàng)目概況
①建筑基本情況
動(dòng)漫園位于中新天津生態(tài)城，占地面積為l km2，總建筑面積約77×
②聯(lián)供系統(tǒng)流程
動(dòng)漫園聯(lián)供系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。聯(lián)供系統(tǒng)由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)電機(jī)組)、溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)吸收式機(jī)組)、電制冷機(jī)組(離心式冷水機(jī)組)和燃?xì)忮仩t組成。發(fā)電機(jī)組發(fā)電和市政電網(wǎng)電用于滿足建筑的電負(fù)荷。電制冷機(jī)組所需電量?jī)?yōu)先采用發(fā)電機(jī)組發(fā)電，不足部分由市政電網(wǎng)補(bǔ)充。發(fā)電機(jī)組發(fā)電量作為自用，不上網(wǎng)銷(xiāo)售，發(fā)電余熱驅(qū)動(dòng)吸收式機(jī)組向建筑供熱或供冷。當(dāng)供熱量不足時(shí)由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充，制冷量不足時(shí)由電制冷機(jī)組補(bǔ)充。
3能耗模擬
能耗模擬軟件Energyplus在基本使用特性、計(jì)算能力和設(shè)備兼容性等方面較為突出[13-16]，但需要友好的用戶(hù)圖形界面與之配合[17]，Designbuilder是專(zhuān)門(mén)針對(duì)Energyplus開(kāi)發(fā)的用戶(hù)圖形界面軟件。利用Designbuilder軟件建立動(dòng)漫園建筑模型，見(jiàn)圖2。相關(guān)能耗模擬參數(shù)為：①?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)。外墻傳熱系數(shù)為0．52 W／(m2·K)；屋面、樓板傳熱系數(shù)為0．44W／(m2·K)；外窗傳熱系數(shù)為2．70 W／(m2·K)，自身遮陽(yáng)系數(shù)為0．70，可見(jiàn)光透射比(4個(gè)朝向相同)為0．40，建筑各朝向(含透明幕墻)窗墻比均小于0．70。②散熱量及人員密度。大廳：照明散熱量為13 W／m2，設(shè)備散熱量為13 W／m2，人員密度為0．3人／m2。走廊：照明散熱量為5 W／m2，人員密度為0．025人／m2。餐廳：照明散熱量為9 W／m2，設(shè)備散熱量為5 W／m2，人員密度為0．4人／m2。辦公室：照明散熱量為9 W／m2，設(shè)備散熱量為30 W／m2，人員密度為0．25人／m2。競(jìng)技廳：照明散熱量為18 W／m2，設(shè)備散熱量為30 W／m2，人員密度為0．6人／m2。③新風(fēng)量：大廳、餐廳、競(jìng)技廳大于等于
采用Energyplus模擬計(jì)算動(dòng)漫園建筑全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)冷熱電負(fù)荷。全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)冷熱負(fù)荷見(jiàn)圖3，圖中正值為熱負(fù)荷，負(fù)值為冷負(fù)荷。由圖3可知，全年最大冷負(fù)荷為20 532．8 kW，最大熱負(fù)荷為15 987．3kW。建筑全年各時(shí)段用電負(fù)荷(不含空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷)比較均衡，全年最大用電負(fù)荷為6 883．5 kW。
4 聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)價(jià)模型
①優(yōu)化日標(biāo)
本文采用壽命周期成本對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化評(píng)價(jià)[18-19]，優(yōu)化目標(biāo)為壽命周期成本最小。壽命周期成本最小，壽命周期成本CLCC的計(jì)算式為：
式中 CLCC——壽命周期成本，元／a
F——壽命內(nèi)設(shè)備造價(jià)的年度折算值，元/a
C——年運(yùn)行費(fèi)用，元／a
R——資金回收系數(shù)[20]
Ctur——發(fā)電機(jī)組造價(jià)，元
Cra——吸收式機(jī)組造價(jià)，元
Cre——電制冷機(jī)組造價(jià)，元
Cgb——燃?xì)忮仩t造價(jià)，元
Ci——其他相關(guān)費(fèi)用(包括輔助設(shè)備造價(jià))，元
i——年利率
n——聯(lián)供系統(tǒng)壽命，a，取l
②約束條件
約束條件主要包括設(shè)備性能約束、設(shè)備負(fù)荷率約束、能流平衡約束條件。
設(shè)備性能約束條件為：
式中 Ptur——發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率，kW
Фf——發(fā)電機(jī)組消耗燃?xì)鉄峁β剩?span lang="EN-US">kW
ηp,tur——發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率
X——設(shè)備的啟停狀態(tài)參數(shù)，為0或1，分別表示關(guān)閉和開(kāi)啟
Фtur——燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的余熱量，kW
ηtur——燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率
Фra,c——吸收式機(jī)組的制冷量，kW
Фrai——吸收式機(jī)組所需熱量，kW
ICOP,c——吸收式機(jī)組的制冷性能系數(shù)
Фra,b——吸收式機(jī)組的制熱量，kW
ICOP,b——吸收式機(jī)組的制熱性能系數(shù)
Фre——電制冷機(jī)組的制冷量，kW
Pre——電制冷機(jī)組的耗電功率，kW
ηre——電制冷機(jī)組的效率
設(shè)備負(fù)荷率約束條件為：
式中 Ptur,r——發(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電功率，kW
Фra,c,r——吸收式機(jī)組的額定制冷量，kW
Фre,r——電制冷機(jī)組的額定制冷量，kW
Фgb——燃?xì)忮仩t的供熱量，kW
Фgb,r——燃?xì)忮仩t的額定供熱量，kW
能流平衡約束條件為：
式中 Фc——冷負(fù)荷，kW
Фh——熱負(fù)荷，kW
Pe——市電功率，kW
PL——除空調(diào)系統(tǒng)外的用電負(fù)荷，kW
Фdisp——燃?xì)廨啓C(jī)排除的剩余熱量，kW
③輸人參數(shù)
優(yōu)化模型需要輸入的參數(shù)包括動(dòng)漫園建筑冷熱電負(fù)荷的逐時(shí)值、天然氣及市電的售價(jià)、設(shè)備單位容量造價(jià)、各設(shè)備性能特性與負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系等。通過(guò)調(diào)查咨詢(xún)各設(shè)備廠家，得到以下設(shè)備的單位容量造價(jià)：主要設(shè)備：發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電功率造價(jià)為6 800元/kW，吸收式機(jī)組單位制冷量造價(jià)為l 200 元／kW，燃?xì)忮仩t單位熱功率造價(jià)為300元／kW，電制冷機(jī)組單位制冷量造價(jià)為970元/kW。輔助設(shè)備：冷卻塔、循環(huán)泵等設(shè)備造價(jià)取冷水機(jī)組造價(jià)的30％，電控設(shè)備取冷水機(jī)組造價(jià)的l0％。
燃?xì)鈨r(jià)格按照2．4 元／m3計(jì)算，中新天津生態(tài)城各時(shí)段電價(jià)見(jiàn)表l。此外，燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷率下降到0．5以下時(shí)熱效率下降嚴(yán)重，因此將燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷率≥0．5作為約束條件。將以上參數(shù)輸入到優(yōu)化評(píng)價(jià)模型就可得到聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備配置和運(yùn)行策略。
5優(yōu)化評(píng)價(jià)結(jié)果與分析
①方案比較
根據(jù)以壽命周期成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化評(píng)價(jià)模型，得到優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案，見(jiàn)表2。優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)與對(duì)比方案的經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表3，天然氣的低熱值取36．4 MJ／m3。對(duì)比方案為熱電冷分供系統(tǒng)、以熱定電聯(lián)供系統(tǒng)、以冷定電聯(lián)供系統(tǒng)。分供系統(tǒng)采取電制冷機(jī)+燃?xì)忮仩t，電力由市網(wǎng)供應(yīng)。
以熱定電聯(lián)供方案按照吸收式機(jī)組供熱量與熱負(fù)荷之比確定。經(jīng)模型優(yōu)化后，當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)壽命周期成本最小時(shí)，吸收式機(jī)組供熱量與熱負(fù)荷之比為0．4，即以熱定電聯(lián)供方案中吸收式機(jī)組的供熱量確定為熱負(fù)荷的40％，再根據(jù)吸收式機(jī)組的制熱性能系數(shù)確定所需熱量，從而確定以熱定電聯(lián)供系統(tǒng)的配置方案。以冷定電聯(lián)供方案的確定與以熱定電聯(lián)供系統(tǒng)方法基本一致，區(qū)別在于，經(jīng)模型優(yōu)化后，當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)壽命周期成本最小時(shí)，吸收式機(jī)組的供冷量與冷負(fù)荷之比為0．3。由表3可知，優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)壽命周期成本及能耗最低，這表明優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。
②運(yùn)行策略
在動(dòng)漫園實(shí)行峰谷電價(jià)的基礎(chǔ)上，冬夏季典型日聯(lián)供系統(tǒng)的供熱量、供冷量、供電功率的分布見(jiàn)圖4～7。由于在優(yōu)化模型中考慮了設(shè)備負(fù)荷率等實(shí)際因素的影響，因此對(duì)于根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行配置的方案，圖4～7即可反映全年典型目的各個(gè)設(shè)備啟停狀態(tài)，即優(yōu)化配置方案下的運(yùn)行策略。
由圖4～7可知，發(fā)電機(jī)組基本上不承擔(dān)電力低谷時(shí)段的熱電冷負(fù)荷。電負(fù)荷和冷熱負(fù)荷處于高峰時(shí)發(fā)電機(jī)組幾乎滿負(fù)荷運(yùn)行，燃?xì)忮仩t和電制冷機(jī)組作為補(bǔ)充。這使得以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)兼顧了節(jié)能性。
6 結(jié)論
①中新天津生態(tài)城高新技術(shù)密集并定位為建筑方式靈活多變、獨(dú)特新穎、充分體現(xiàn)綠色和低碳的生態(tài)城市，聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生態(tài)城動(dòng)漫園對(duì)能量的梯級(jí)利用，是經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)境友好的用能方式。
②沒(méi)備配置與運(yùn)行策略是聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能性的核心，應(yīng)根據(jù)準(zhǔn)確的冷熱電負(fù)荷和實(shí)際能源價(jià)格，以及可行的運(yùn)行策略確定聯(lián)供方案，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
③優(yōu)化的聯(lián)供系統(tǒng)不僅在經(jīng)濟(jì)性上相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且具有較好的節(jié)能性。
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本文作者：李瓊 陳冠益 鄭雪晶 顏蓓蓓
作者單位：天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
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