摘要：結(jié)合北京某辦公建筑燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，采用eQUEST軟件計算了建筑全年動態(tài)冷熱電負(fù)荷。以壽命周期成本最小為目標(biāo)，建立了優(yōu)化模型，對優(yōu)化后的運行策略進(jìn)行了探討。分析了市網(wǎng)平均電價、燃?xì)鈨r格、冷熱價格對聯(lián)供系統(tǒng)投資回收期的影響。
關(guān)鍵詞： 辦公建筑； 燃?xì)饫錈犭娐?lián)供； 優(yōu)化模型； 運行策略； 投資回收期
Optimization Study on Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System
Abstract：The annual dynamic cooling，heat and power loads of all office building using gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system in Beijing City are calculated by eQUEST software．An optimized model is constructed using the minimum life cycle cost as the objective function and the optimized operation strategy is discussed．The effects of average net electricity price，gas price and cooling and heating prices on investment return period of CCHP system are analyzed．
Key words： office building； gas-fired combined coolin9，heating and power(CCHP)； optimized model； operation strategy； investment return period
燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)供系統(tǒng))利用天然氣發(fā)電，利用余熱制冷、制熱，不但降低了污染物排放，還使能源得到梯級利用，提高了能源利用效率[1-11]。由于聯(lián)供系統(tǒng)在夏天利用天然氣發(fā)電，而夏季往往是用氣的淡季，但是電力卻是高峰期，因此起到了電力削峰填谷的作用，也可以減少天然氣冬夏兩季巨大的季節(jié)性峰谷差。本文對辦公樓聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行研究。
1負(fù)荷分析及能源價格
1．1 負(fù)荷分析
以北京某辦公樓作為研究對象，建筑面積為4．35×
由圖l～3可知，夏季、過渡季、冬季的電負(fù)荷具有相同的特性。隨著上班時間的來臨，開始增長，在中午休息時，由于部分人員外出，出現(xiàn)一個小低谷，然后恢復(fù)到正常水平。隨著下班時間的來臨，開始下降，直到加班人員離開辦公樓。夏季電負(fù)荷的整體水平高于過渡季、冬季。
夏季。冷負(fù)荷在開始上班的時段出現(xiàn)一個小高峰，然后隨著人員的增多和室外溫度的上升而增大。午后冷負(fù)荷開始逐漸下降，直到加班人員離開辦公樓。基本沒有熱負(fù)荷。
過渡季。由于晨間室外溫度較低，因此在開始上班的時段熱負(fù)荷出現(xiàn)一個小高峰。隨著室外溫度的上升，冷負(fù)荷逐漸增大，基本沒有熱負(fù)荷。直到晚上天氣轉(zhuǎn)涼后熱負(fù)荷再次出現(xiàn)一個小高峰。
冬季。熱負(fù)荷在開始上班時段出現(xiàn)高峰，然后較平穩(wěn)運行。臨近下班時間，室外溫度較低，由于有部分加班人員仍在辦公樓內(nèi)，熱負(fù)荷出現(xiàn)上升趨勢，直到加班人員離開辦公樓。由于辦公樓存在內(nèi)區(qū)，因此冬季仍然存在冷負(fù)荷，其變化趨勢與夏季基本相同，只是整體水平較低。
1．2 能源價格
北京現(xiàn)行峰谷電價制度，對于1～10 kV的工商業(yè)用電，尖峰時段電價為1．345元／(kW·h)，高峰時段電價為1．231元／(kW·h)，平時段電價為0．766元／(kW·h)，低谷時段電價為0．326元／(kW·h)。具體分時辦法為：峰段(10：00-15：00，18：00-21：O0)，平段(7：00-10：00，15：00-18：00，21：00-23：00)，谷段(23：00-7：00)。夏季7-9月每天用電高峰(11：00-13：00、20：00-21：00)實施尖峰電價，在高峰時段電價基礎(chǔ)上上浮l0％。北京市發(fā)電(含供熱、供冷)用燃?xì)獾膬r格為2．28元／m3。
2 聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模型
2．1 系統(tǒng)流程
由于該辦公樓規(guī)模較小，岡此聯(lián)供系統(tǒng)采用燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組(包括燃?xì)鈨?nèi)燃機、發(fā)電機)+余熱型吸收式冷熱水機組(以下簡稱吸收式機組)，聯(lián)供系統(tǒng)流程見圖4。燃?xì)鈨?nèi)燃機燃燒天然氣發(fā)電，吸收式機組利用燃?xì)鈨?nèi)燃機排放煙氣、缸套冷卻水制冷、制熱，缸套冷卻水也可以通過換熱器直接供熱，不足冷、熱量由電制冷機組、燃?xì)忮仩t補充。電制冷機組優(yōu)先使用聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)電力，不足電量由市電網(wǎng)補充。
2．2優(yōu)化模型的建立
① 目標(biāo)函數(shù)
以壽命周期成本最小為日標(biāo)函數(shù)，壽命周期成本F的計算式為：
式中 F——壽命周期成本，元／a
Fb——壽命內(nèi)設(shè)備造價的年折算費用，元／a
Fr——年能耗費用，包括年耗燃?xì)赓M用、由市電網(wǎng)購電費用(包括電制冷機組以及照明、辦公等設(shè)備的市網(wǎng)電費)，元／a
R——投資回收系數(shù)
S——沒備年維修費占造價的比例，為0．03
Ctur——燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組造價，元
Cra——吸收式機組造價，元
Cre——電制冷機組造價，元
Cgb——燃?xì)忮仩t造價，元
i——年利率，為0．07
n——系統(tǒng)壽命，a，為l
②約束條件
考慮到當(dāng)燃?xì)鈨?nèi)燃機部分負(fù)荷率下降到0．5以下時熱效率下降嚴(yán)重，因此將燃?xì)鈨?nèi)燃機部分負(fù)荷率≥0．5作為約束條件。設(shè)備性能、設(shè)備負(fù)荷率、能流平衡約束條件與文獻(xiàn)[12]相近。
③輸入條件
燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組單位發(fā)電功率造價為6 000元／kW。吸收式機組單位制冷量造價為ll00元／kW，制冷性能系數(shù)為l．39，制熱性能系數(shù)為0．925。電制冷機組單位制冷量造價為970元／kW，制冷性能系數(shù)為5。燃?xì)忮仩t單位熱功率造價為600元／kW，熱效率為0．95。換熱器單位熱功率造價為900元／kW。輔助設(shè)備的耗電量取以上主要設(shè)備耗電量的3％。
3優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)以壽命周期成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案：燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電功率為1 000 kW。吸收式機組的制冷量為1 385 kW。電制冷機組、燃?xì)忮仩t以保證在燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組停運期間仍能滿足冷熱負(fù)荷為原則，電制冷機組的制冷能力為5 340 kW，燃?xì)忮仩t的熱功率為5 000 kW。換熱器的熱功率為829kW。與之相對應(yīng)的分供系統(tǒng)采用電制冷機組+燃?xì)忮仩t。聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的經(jīng)濟比較見表l。
表1中，聯(lián)供系統(tǒng)相比于分供系統(tǒng)投資回收期的計算式為：
式中 t——聯(lián)供系統(tǒng)相比于分供系統(tǒng)的投資回收期，a
ΔSnet——年經(jīng)營費用節(jié)約額，元／a
ΔZ——聯(lián)供系統(tǒng)高于分供系統(tǒng)的造價，元
Fc,cl、Fd,el——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年電費，元／a
Fc,g、Fd,g——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年燃?xì)赓M，元／a
Sc,c、Sd,c——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年供冷收入。元／a
Sc,h、Sd,h——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年供熱收入，元／a
Sc,el——聯(lián)供系統(tǒng)年供電收入，元／a
由表l可知，雖然聯(lián)供系統(tǒng)的造價高于分供系統(tǒng)，但由于聯(lián)供系統(tǒng)年供電收入較高，使得在較短的時間內(nèi)，就將多出的造價收回。
在考慮實行峰谷電價的基礎(chǔ)上，冬季典型日聯(lián)供系統(tǒng)的供電功率、供熱量、供冷量分布分別見圖5～7。
由圖5可知，燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組基本不承擔(dān)谷段電負(fù)荷。由圖6、7可知，考慮到吸收式機組不能在制冷、制熱兩種工況之間頻繁切換，而且吸收式機組的制冷性能系數(shù)較高，因此吸收式機組優(yōu)先用于供冷，采用換熱器、燃?xì)忮仩t用于供熱。
4 電價、氣價對投資回收期的影響
基準(zhǔn)平均電價按0．917元／(kW·h)計算，基準(zhǔn)天然氣價格按2．84元／m3計算。采用基準(zhǔn)氣價時，平均電價對投資回收期的影響見圖8。采用基準(zhǔn)平均電價時，氣價對投資回收期的影響見圖9。
由圖8、9可知，當(dāng)平均電價降低時，投資回收期增加幅度較大，而平均電價的提高對投資回收期的影響不顯著。對于氣價的影響，投資回收期隨著氣價的提高逐漸上升。
5 結(jié)論
①燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的運行策略受燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組的性能、電價、氣價的綜合影響，不能簡單地采取以熱定電或以電定熱。
②電價對燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響比較顯著，而氣價的影響不很明顯。
參考文獻(xiàn)：
[1] 及鵬，劉鳳國，鞠睿，等．天然氣冷熱電聯(lián)供過程熱經(jīng)濟學(xué)優(yōu)化分析[J]．煤氣與熱力，2009，29(9)：A07-A11．
[2] 馮繼蓓，高峻，楊杰，等．樓宇式天然氣冷熱電聯(lián)供技術(shù)在北京的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2009，29(3)：Al0-Al3．
[3] 張雪梅，秦朝葵，鐘英杰，等．燃?xì)獍l(fā)動機熱電聯(lián)產(chǎn)的余熱利用系統(tǒng)設(shè)計[J]．煤氣與熱力，2007，27(8)：73-75．
[4] 張云飛．杭州市推廣天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的可行性[J]．煤氣與熱力，2007，27(2)：67-69．
[5] 楊俊蘭，馮剛，馬一太，等．樓寧式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2007，27(1)：56—59．
[6] 柴沁虎，耿克成，付林，等．我國發(fā)展燃?xì)鉄犭娎渎?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的探討[J]．煤氣與熱力，2006，26(6)：53-54．
[7] 蘭麗，張泠，顧登峰．建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展[J]．煤氣與熱力，2006，26(1)：49-53．
[8] 龔希武，李艷紅，胡國新，等．我國天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展及障礙[J]．煤氣與熱力，2004，24(6)：350-352．
[9] 郝小禮，張國強．建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜述[J]．煤氣與熱力，2005，25(5)：67-73．
[10] 段潔儀，馮繼蓓，梁永建．樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)及應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2003，23(6)：337-341．
[11] 柴沁虎，耿克成，付林，等．我國發(fā)展燃?xì)鉄犭娎渎?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的探討[J]．煤氣與熱力，2006，26(6)：53-54．
[12] 陸偉．城市能源環(huán)境中分布式供能系統(tǒng)優(yōu)化配置研究(碩士學(xué)位論文)[D]．北京：中國科學(xué)院工程熱物理研究所，2007：35-80．
本文作者：張杰 李德英 段潔儀 馮繼蓓
作者單位：北京建筑工程學(xué)院 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司
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