常麗，秦淵，李晨

樓宇型分布式能源站中蓄能系統(tǒng)的應(yīng)用探討

常麗，秦淵，李晨

（中南電力設(shè)計(jì)院，湖北武漢430071）

介紹了樓宇型分布式能源站的特點(diǎn)及裝機(jī)配置，并以武漢某分布式能源站為案例，分析了蓄能系統(tǒng)在樓宇型分布式能源站中的意義，提出蓄能系統(tǒng)設(shè)備配置及運(yùn)行策略的建議。

樓宇型分布式能源站；蓄能系統(tǒng)；系統(tǒng)配置；運(yùn)行策略

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，分布式能源站系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸引起人們的關(guān)注。目前國內(nèi)已投產(chǎn)的分布式能源站普遍存在經(jīng)濟(jì)效益較差的現(xiàn)象，這不僅與我國特定的能源價(jià)格、電力政策等管理體制方面有關(guān)，更重要反映的是冷、熱、電負(fù)荷需求分析不準(zhǔn)確以及系統(tǒng)配置不合理等方面的問題。本文將對(duì)分布式能源站中蓄能系統(tǒng)的系統(tǒng)配置及運(yùn)行策略進(jìn)行分析探討。

1 樓宇型分布式能源站概述

分布式能源站也稱為燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)（CCHPC：ombined Cooling，heating and Power），是能源綜合梯級(jí)利用的解決方案，總的能源利用率可以達(dá)到75%～90%。它以燃?xì)猓ㄌ烊粴?、生物質(zhì)沼氣等）為一次能源，將發(fā)電系統(tǒng)和供熱、供冷系統(tǒng)相結(jié)合的小規(guī)模、點(diǎn)狀分布在用戶附近的一種綜合供能方式。

分布式能源站按供能范圍及系統(tǒng)規(guī)模大小，分為區(qū)域型和樓宇型兩類。區(qū)域型分布式能源站針對(duì)工業(yè)園區(qū)等規(guī)模較大的區(qū)域，系統(tǒng)規(guī)模大，發(fā)電機(jī)組多采用燃?xì)廨啓C(jī)；樓宇型分布式能源站則針對(duì)酒店、機(jī)場、寫字樓、商廈、醫(yī)院等建筑群，系統(tǒng)規(guī)模較小，發(fā)電機(jī)組多采用內(nèi)燃機(jī)，一般布置在地下室或鄰近建筑內(nèi)。本文主要針對(duì)樓宇型天然氣分布式能源站的系統(tǒng)配置進(jìn)行探討。

表1 樓宇型分布式能源站裝機(jī)配置類別

樓宇型分布式能源站的裝機(jī)配置主要分為發(fā)電機(jī)組、余熱利用機(jī)組、調(diào)峰設(shè)備及蓄能系統(tǒng)四部分。

2 樓宇型分布式能源站中蓄能系統(tǒng)選型

2.1 樓宇型分布式能源站中設(shè)置蓄能系統(tǒng)的意義

（1）優(yōu)化系統(tǒng)配置

為了合理確定能源站配置選型，最大限度利用余熱，保證能源站的高效性和經(jīng)濟(jì)性，首先應(yīng)對(duì)能源站的冷、熱負(fù)荷作詳細(xì)的分析匯總，并繪制采暖期、制冷期和過渡期的典型日負(fù)荷圖，確定能源站的設(shè)計(jì)負(fù)荷、基礎(chǔ)負(fù)荷以及調(diào)峰負(fù)荷。能源站的基礎(chǔ)負(fù)荷主要由余熱利用設(shè)備承擔(dān)，調(diào)峰負(fù)荷則由調(diào)峰設(shè)備及蓄能系統(tǒng)承擔(dān)。合理選擇蓄能系統(tǒng)可以使冷熱源設(shè)備容量減少30%～50%，減少能源站的初投資，使各設(shè)備在高效率區(qū)段運(yùn)行，避免“大馬拉小車”。

（2）提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)

與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同，分布式能源站系統(tǒng)中的蓄能系統(tǒng)不僅僅用于冷、熱負(fù)荷的調(diào)峰，同時(shí)可作為一個(gè)穩(wěn)定的冷、熱用戶，有效平衡能源站服務(wù)區(qū)域冷、熱負(fù)荷的波動(dòng)，以保證發(fā)電機(jī)組及余熱利用設(shè)備長期在高負(fù)荷時(shí)段運(yùn)行，增大發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)，提高能源站的經(jīng)濟(jì)性。

（3）移峰填谷

蓄能系統(tǒng)在分布式能源站中起到平衡冷、熱、電負(fù)荷的作用，緩解用電高峰期電力供應(yīng)短缺的局面，同時(shí)使分布式能源站真正做到“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”，最大程度的提高分布式能源站的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）多冷、熱源組合，運(yùn)行靈活，在其他供能設(shè)備故障時(shí)仍可通過蓄能設(shè)備對(duì)外供冷、供熱，提高分布式能源站的可靠性。

2.2 樓宇型分布式能源站中設(shè)置蓄能系統(tǒng)的選型原則

（1）合理選擇蓄能系統(tǒng)的類型蓄能系統(tǒng)按照蓄能溫度的不同分為蓄冷、蓄熱兩種類型。樓宇型分布式能源站中蓄冷、蓄熱的選擇要根據(jù)能源站服務(wù)對(duì)象的冷、熱負(fù)荷需求確定。蓄熱系統(tǒng)的蓄熱溫度一般為85～90℃，放熱溫度50～55℃，蓄熱蓄能密度遠(yuǎn)大于蓄冷，在同時(shí)有冷負(fù)荷和熱負(fù)荷需求的工程中，應(yīng)優(yōu)先選用蓄熱系統(tǒng)。

蓄冷系統(tǒng)又分為冰蓄冷系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)。分布式能源站中應(yīng)用最多的余熱利用設(shè)備為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，由于溴化鋰機(jī)組的冷凍水供、回水溫度一般在5～14℃范圍內(nèi)，因此在用戶端沒有低溫供冷要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用水蓄冷系統(tǒng)，同時(shí)盡量采用蓄冷水池與消防水池合用的方案，以增大蓄冷能力。

（2）合理確定蓄能系統(tǒng)的容量

常規(guī)能源站中蓄能系統(tǒng)蓄冷、蓄熱容量的計(jì)算，在《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中有詳細(xì)的介紹，在此不作贅述。與常規(guī)能源站不同，樓宇型分布式能源站多受空間限制，不具備設(shè)置大規(guī)模的蓄冷水罐或大型蓄冰裝置的場地條件，因此在蓄能系統(tǒng)的選型計(jì)算中不能完全照搬《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的計(jì)算公式，還需要綜合考慮冷熱負(fù)荷特性、場地條件、余熱設(shè)備的容量等因素。

（3）合理設(shè)置蓄能系統(tǒng)的運(yùn)行策略

蓄能系統(tǒng)的運(yùn)行策略是以設(shè)計(jì)周期內(nèi)能源站服務(wù)對(duì)象的冷熱負(fù)荷特點(diǎn)為依據(jù)的，同時(shí)考慮輸入能源（如天然氣、蒸汽、電能等）的價(jià)格結(jié)構(gòu)，合理安排蓄冷放冷、蓄熱放熱的運(yùn)行時(shí)間，以達(dá)到投資和運(yùn)行費(fèi)用的最佳狀態(tài)。樓宇型分布式能源站中一般采用的是部分負(fù)荷蓄能，且為負(fù)荷均衡型蓄能。

3 武漢某分布式能源站蓄能系統(tǒng)分析

3.1 項(xiàng)目介紹及系統(tǒng)配置

武漢某樓宇型分布式能源站服務(wù)對(duì)象主要為辦公樓、商鋪、藝術(shù)家工作室、酒店等，利用hdy-smad空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件V4.0對(duì)園區(qū)建筑進(jìn)行全年8760h負(fù)荷計(jì)算，分析得出能源站設(shè)計(jì)冷負(fù)荷29.4MW，熱負(fù)荷17.5MW，年負(fù)荷曲線如圖1、圖2所示。

圖1 年冷負(fù)荷曲線

圖2 年熱負(fù)荷曲線

根據(jù)負(fù)荷分析結(jié)果，確定能源站裝機(jī)方案：發(fā)電機(jī)組選用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，余熱利用設(shè)備選用煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組采用“一拖一”的配置方案，調(diào)峰設(shè)備選用高壓離心式冷水機(jī)組。詳見表2。

表2 分布式能源站裝機(jī)方案

3.2 蓄能系統(tǒng)選型

該工程無同時(shí)供冷和供熱的需求，且供冷期大于供熱期，蓄能系統(tǒng)的選型按蓄冷負(fù)荷計(jì)算。

式中Qst—蓄冷量，kW·h；

Δt—釋能回水溫度與蓄能進(jìn)水溫度間的溫差，℃；

ρ—水的密度，取1000kg/m3；

cp—水的比熱容，取4.187kJ/（kg·℃）；

FOM—蓄能水箱的完善度，考慮混合和斜溫層等因素的影響，一般取85%～90%；

?v—蓄能水箱的體積利用率，考慮布水器的布置和蓄能水箱內(nèi)其他不可用空間等的影響，一般取95%。

該蓄能系統(tǒng)中Qst取夜間冷負(fù)荷低負(fù)荷時(shí)段，單臺(tái)溴機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行8h制冷量28800kW·h；Δt取8℃，按照釋冷溫度12℃，蓄冷溫度4℃。計(jì)算得所需蓄冷水箱容積3620m3.

然而該分布式能源站站址位于園區(qū)地下室，受場地面積、層高等限制，僅可設(shè)置一臺(tái)500m3水箱，即該水箱蓄冷量約為4400kW·h。為滿足深度蓄冷要求，配置1臺(tái)額定制冷量500kW螺桿式冷水機(jī)組。考慮到能源站服務(wù)園區(qū)的供熱期熱負(fù)荷需求，該水箱在供熱期用作蓄熱水，蓄熱水溫度90/55℃，蓄熱量約為200000kW·h。

該項(xiàng)目中蓄能系統(tǒng)為小成套設(shè)備，設(shè)計(jì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，與能源站整體控制系統(tǒng)之間以通訊方式對(duì)接。

經(jīng)計(jì)算，該分布式能源站引入蓄能系統(tǒng)后，冷、熱源設(shè)備裝機(jī)容量減少10%～20%。蓄能系統(tǒng)的主要設(shè)備選型詳見表3。

3.3 蓄能系統(tǒng)運(yùn)行策略

該能源站服務(wù)園區(qū)夏季典型日冷負(fù)荷、冬季典型日熱負(fù)荷計(jì)算如圖3、圖4所示。

依據(jù)該園區(qū)夏季典型日、冬季典型日冷熱負(fù)荷曲線，初步確定能源站蓄能系統(tǒng)在100%負(fù)荷時(shí)運(yùn)行模式，如圖5、圖6所示。

上圖中運(yùn)行模式為典型日100%負(fù)荷時(shí)能源站運(yùn)行模式，而能源站投運(yùn)初期冷熱負(fù)荷較小，蓄能裝置控制系統(tǒng)需要依據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，調(diào)整優(yōu)化能源站運(yùn)行模式。

表3 蓄能系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格

4 結(jié)語

圖3 夏季典型日負(fù)荷曲線

圖4 冬季典型日負(fù)荷曲線

本文通過對(duì)某樓宇型分布式能源站系統(tǒng)配置的分析研究，將蓄能系統(tǒng)與分布式能源站裝機(jī)配置結(jié)合起來。針對(duì)分布式能源站工程的不同負(fù)荷需求，調(diào)整蓄能系統(tǒng)的蓄能類型及蓄能比例，以達(dá)到能源站整體運(yùn)行模式最優(yōu)，使分布式能源站取的較好經(jīng)濟(jì)效益。在接下來的工作中筆者將在以下兩個(gè)方面對(duì)分布式能源站項(xiàng)目中蓄能系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

（1）將溴化鋰機(jī)組的運(yùn)行融入冰蓄冷系統(tǒng)

分布式能源站項(xiàng)目中應(yīng)用最為普遍的余熱利用設(shè)備—溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組，可對(duì)外提供的冷凍水供回水溫度為5～14℃，而冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行溫度一般為-2～-5.6℃。溴化鋰機(jī)組冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行溫度始終高于冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，在蓄冰系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生的低溫冷凍水無法參與能源站制冷循環(huán)。對(duì)于有低溫供冷需求的工程，如何將溴化鋰機(jī)組與冰蓄冷系統(tǒng)結(jié)合起來，是下一步的研究方向。

（2）純蓄熱系統(tǒng)與蓄冷蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較。

為提高蓄能品質(zhì)，蓄冷系統(tǒng)多采用深度蓄冷，而深度蓄冷需要增加電制冷機(jī)、板式換熱器、循環(huán)水泵

圖5 蓄能系統(tǒng)夏季典型日運(yùn)行模式

圖6 蓄能系統(tǒng)夏季典型日運(yùn)行模式

等配套設(shè)備，致使能源站初投資增加，同時(shí)電制冷機(jī)組在低溫工況運(yùn)行時(shí)COP降低，蓄冷放冷板換的換熱也會(huì)帶來冷量損失。而純蓄熱系統(tǒng)即蓄90～95℃低溫?zé)崴?，用作提供生活熱水和空調(diào)熱水，有冷負(fù)荷需求時(shí)可通過熱水型溴化鋰機(jī)組對(duì)外提供冷凍水。究竟采用何種蓄能形式經(jīng)濟(jì)性更好，仍需要根據(jù)不同項(xiàng)目的負(fù)荷情況及溴化鋰機(jī)組的技術(shù)水平及投資做進(jìn)一步的分析和研究。

[1]殷平.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)研究（1）：分布式能源還是冷熱電三聯(lián)供[J].暖通空調(diào)，2013，（3）：10～17.

[2]李先瑞.天然氣分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J].發(fā)電與空調(diào)，2012，（3）：7～13.

[3]陸耀慶，等.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京.中國建筑工業(yè)出版社. 2008.

[4]CJJ145-2010，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供技術(shù)規(guī)程[S].

Discussion of Energy Storage in Distributed Energy Station for Building Sector

CHANG Li，QIN Yuan，LI Chen
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

This paper introduces the characteristic and equipment configuration of distributed energy station for building sector，then，taking a distributed energy station project in Wuhan for example，analyze the purpose of energy storage in distributed energy station for building sector，put forward the proposal for equipment configuration and operation strategy of energy storage.

Distributed Energy Station For Building sector；Energy Storage；System Configuration；Operation Strategy

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.002

TU831

B

2095-3429（2015）01-0006-04

2015-02-10

修回日期：2015-03-19

常麗（1982-），女，湖北武漢人，學(xué)士，工程師，從事暖通及天然氣分布式能源站設(shè)計(jì)工作。