朱寅康上海市節(jié)能減排中心有限公司

?

天然氣分布式供能系統(tǒng)在上海城市中心商務(wù)區(qū)的適用性

朱寅康
上海市節(jié)能減排中心有限公司

通過分析上海城市中心商務(wù)區(qū)冷、熱負(fù)荷特點，建立了區(qū)域天然氣分布式供能系統(tǒng)模型，并分析了其經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效益，最終得出以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為主動力源的天然氣分布式供能系統(tǒng)不是很適用于城市中心商務(wù)區(qū)的結(jié)論。

中心商務(wù)區(qū)；分布式供能系統(tǒng)；模型；經(jīng)濟(jì)；節(jié)能

當(dāng)前，上海已規(guī)劃有虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)、前灘地區(qū)、世博A片區(qū)、世博B片區(qū)等多個城市中心商務(wù)區(qū)，為融合城市低碳發(fā)展要求，這些城市商務(wù)區(qū)已或擬建設(shè)區(qū)域天然氣分布式供能系統(tǒng)，為商務(wù)區(qū)建筑群供應(yīng)冷、熱等能源，多余的電量向電網(wǎng)出售。筆者通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該類天然氣分布式供能系統(tǒng)尚存在較多問題，因此，擬根據(jù)城市中心商務(wù)區(qū)熱負(fù)荷特點建立相應(yīng)的天然氣分布式供能系統(tǒng)模型，并計算其經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效益，解析天然氣分布式供能系統(tǒng)在上海城市中心商務(wù)區(qū)的適用性，以作拋磚引玉之效。

1 中心商務(wù)區(qū)特點及其典型天然氣分布式供能系統(tǒng)

1.1 中心商務(wù)區(qū)特點

上海城市中心商務(wù)區(qū)根據(jù)其發(fā)展定位的不同，分為金融、服務(wù)業(yè)、商務(wù)辦公等聚集區(qū)，各集聚區(qū)建筑功能雖有所不同，但有3個典型特征，一是具有大量的金融、商務(wù)辦公、酒店、公寓以及完善的交通、通信等現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施，二是建筑高密度、現(xiàn)代化，三是建筑功能分布中，寫字樓約占區(qū)域總建筑面積的50%左右，商業(yè)、餐飲業(yè)及商住建筑約占40%，其它服務(wù)設(shè)施以及必要的配套設(shè)施約占10%。

1.2 典型區(qū)域天然氣分布式供能系統(tǒng)

目前，上海已或擬建的各個中心商務(wù)區(qū)天然氣分布式供能系統(tǒng)按照其供能區(qū)域特點略有不同，但都無外乎由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)、離心式冷水機(jī)組、熱泵、蓄冷（熱）罐等幾部分組成，如圖1所示。從這樣的組成結(jié)構(gòu)來看，區(qū)域天然氣分布式供能系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為真正的天然氣分布式供能系統(tǒng)，由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、溴化鋰吸收式制冷機(jī)組成；另一部分實際上為傳統(tǒng)供能系統(tǒng)，由離心式冷水機(jī)組、熱泵、鍋爐、蓄冷（熱）罐組成。其三聯(lián)供能過程為：夏季供冷時，天然氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)中發(fā)電并產(chǎn)生余熱，余熱進(jìn)入溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)制冷，當(dāng)冷量不足時，采用內(nèi)燃機(jī)所發(fā)的電帶動離心式制冷機(jī)制冷，余電上網(wǎng)；夜間利用谷電蓄冷，白天由蓄冷罐與溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)、離心式制冷機(jī)聯(lián)合供冷。

冬季供暖時，天然氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)中發(fā)電并產(chǎn)生余熱，余熱進(jìn)入溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)制熱，當(dāng)熱量不足時，則內(nèi)燃機(jī)所發(fā)的電帶動熱泵制熱，余電上網(wǎng)；夜間利用谷電蓄熱，白天由蓄熱罐與溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)、熱泵聯(lián)合供熱；燃?xì)忮仩t供應(yīng)尖峰熱負(fù)荷。

為使本文的分析內(nèi)容更有針對性，筆者將虛構(gòu)出一個具有典型特征的中心商務(wù)區(qū)，并按照圖1所示的分布式供能系統(tǒng)組成進(jìn)行相關(guān)取舍后建立模型。

2 虛構(gòu)的中心商務(wù)區(qū)及其冷、熱負(fù)荷

2.1 中心商務(wù)區(qū)建筑功能分布

設(shè)某中心商務(wù)區(qū)總建筑面積為2.1×106 m2，建筑功能分布及空調(diào)供能面積為表1所示。

圖1 典型中心商務(wù)區(qū)天然氣分布式供能系統(tǒng)

表1 某中心商務(wù)區(qū)建筑功能分布及空調(diào)供能面積

2.2 全年冷、熱負(fù)荷曲線

用eQuest 3.64對該中心商務(wù)區(qū)每幢樓單獨建模計算得到該區(qū)域年冷、熱負(fù)荷曲線如圖2所示。計算過程中，采用了2012 ASHRAE Handbook中上海氣象參數(shù)，各建筑熱工及供暖、通風(fēng)、空調(diào)設(shè)計參數(shù)均按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ-08-107-2012）相關(guān)規(guī)定取值。

其中，最大冷負(fù)荷為155 MW，最小冷負(fù)荷為0.15 MW，最大熱負(fù)荷為95 MW，最小熱負(fù)荷為0.6MW。

2.3 冷、熱負(fù)荷特點

圖2 中心商務(wù)區(qū)年冷、熱負(fù)荷曲線（為便于區(qū)分，圖中熱負(fù)荷取負(fù)值）

從圖2可以看出曲線有3個較為顯著的特點：一是不管是冷負(fù)荷還是熱負(fù)荷，其峰谷差較大；二是中心商務(wù)區(qū)辦公樓較多，冷、熱負(fù)荷曲線均表現(xiàn)為鋸齒狀；三是由于建筑體量較大，且一般為全封閉式樓宇，因此，建筑存在內(nèi)區(qū)熱負(fù)荷，冬季需要供冷，但該冷負(fù)荷很小。以上三個特點表明該中心商務(wù)區(qū)的冷、熱負(fù)荷特性較差。

2.4 全年延時熱負(fù)荷曲線

全年延時熱負(fù)荷曲線是天然氣分布式供能系統(tǒng)主動力設(shè)備的選型依據(jù)之一。將冷負(fù)荷折算到熱負(fù)荷后（按照雙效吸收式制冷機(jī)COP=1.3計算）可進(jìn)一步得到中心商務(wù)區(qū)全年延時熱負(fù)荷曲線，如圖3所示。

圖3 中心商務(wù)區(qū)全年延時熱負(fù)荷曲線

從圖3可以更加直觀地看出，中心商務(wù)區(qū)熱負(fù)荷從122MW處（最大熱負(fù)荷）陡降，直到30MW以后才相對平緩（此時工作小時數(shù)為1805h）， 到 達(dá)25 MW時的為2 408 h。

3 建立天然氣分布式供能系統(tǒng)模型

3.1 建模前的基本容量判斷

根據(jù)《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-115-2008）相關(guān)規(guī)定，天然氣分布式供能系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按照“以熱定電”的原則進(jìn)行設(shè)備配置。從圖3可知，天然氣分布式供能系統(tǒng)余熱利用部分如果滿足122MW的熱負(fù)荷，則大部分時間以“發(fā)電+較少供熱”的方式運行，這種運行方式已經(jīng)多個研究機(jī)構(gòu)證明，既不經(jīng)濟(jì)，也不節(jié)能。因此，對于中心商務(wù)區(qū)的天然氣分布式供能系統(tǒng)，其設(shè)備配置過程應(yīng)該是在一個基本容量區(qū)間對系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化的過程，該過程需要做到“兩個平衡”，即在全年延時熱負(fù)荷曲線上找到最佳負(fù)荷點，再按照該負(fù)荷大小按照“以熱定電”的原則進(jìn)行設(shè)備選型，做到熱電平衡、一次能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性相互平衡。

根據(jù)全年延時熱負(fù)荷曲線初步判斷，天然氣分布式供能系統(tǒng)供應(yīng)熱負(fù)荷的區(qū)間應(yīng)在15 MW～30 MW之間。

3.2 建立天然氣分布式供能系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖1所示，結(jié)合天然氣分布式供能系統(tǒng)供應(yīng)熱負(fù)荷的區(qū)間，筆者利用區(qū)域供能系統(tǒng)仿真軟件TFlex23+Peace23軟件建立了中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)模型，如圖4和圖5所示，并經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化求得最佳容量配置，如表2所示。計算過程中，冷水溫度取7/15℃，熱水溫度取60～45℃；由于上海使用燃?xì)忮仩t進(jìn)行供熱的成本較高，因此，模型中取消了燃?xì)忮仩t；由于夜間蓄冷（熱）使用電網(wǎng)電力，需單獨建模計算，因此，模型中未含蓄冷（熱）系統(tǒng)。

3.3 仿真運行結(jié)果

從圖4、圖5可知，當(dāng)中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)滿負(fù)荷運行時，其發(fā)電容量為20.5 MW，供冷容量為75.7 MW，供熱容量為36 MW，加上蓄冷（熱）罐的供應(yīng)能力，能夠滿足該中心商務(wù)區(qū)的最大冷負(fù)荷、熱負(fù)荷。其中，分布式供能系統(tǒng)余熱利用容量占全部總?cè)萘康?5.4%。

圖4 中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)供冷模

圖5 中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)供熱模型

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析的邊界條件

分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與分布式供能系統(tǒng)造價、年利用小時數(shù)、天然氣價格、電價、熱（冷）價等因素有關(guān)。其中，分布式供能系統(tǒng)設(shè)備及管網(wǎng)造價采用當(dāng)前市場價格，土建參照當(dāng)前上海市類似地下空間開發(fā)造價水平，設(shè)備安裝費、人工費、調(diào)試費均按照上海市當(dāng)前有關(guān)電氣、設(shè)備安裝標(biāo)準(zhǔn)計算；經(jīng)統(tǒng)計，該分布式供能系統(tǒng)供冷年利用小時數(shù)為2 237 h，供熱年利用小時數(shù)為1 481 h；氣價采用當(dāng)前氣價，為2.72元/m3；電價采用天然氣分布式供能系統(tǒng)上網(wǎng)電價0.726元/kWh；根據(jù)對上海高端樓宇自建的傳統(tǒng)供能系統(tǒng)使用成本來看，熱（冷）價應(yīng)不超過0.55元/kWh，換算為熱量為153元/GJ；修理費、人員工資、材料費等其它相關(guān)經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)參照現(xiàn)有分布式供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)取值；土地成本取分布式供能系統(tǒng)造價的30%。

表2 某中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)選型

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

利用上述建立的分布式供能系統(tǒng)模型計算得到，分布式供能系統(tǒng)造價21 760元/kW，處于上海市目前各中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)中下游水平，加上土地成本后，約為28 288元/kW；分布式供能系統(tǒng)年上網(wǎng)電量為4.21×107 kWh，年購入電量為1.51×107 kWh，年供熱量389.62 TJ，年供冷量532.38 TJ，穩(wěn)定工況下年用氣量為742.6 TJ（按上海市目前燃?xì)獾臀?5 564 kJ/Nm3計算，則年用氣量為2.09×107 Nm3），變工況下為870.4 TJ（2.45×107 Nm3），年補(bǔ)水量為7.61×106 t；總投資收益率6.709%，投資回收期12.15年。

由上可知，即便經(jīng)反復(fù)優(yōu)化后的分布式供能系統(tǒng)總的年運行小時數(shù)達(dá)到了3 718 h，高于現(xiàn)有上海市絕大多數(shù)中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)年運行小時數(shù)，但總投資收益率仍只有6.709%，投資回收期較長。

5 節(jié)能效益分析

5.1 節(jié)能效益對比方法

目前，分布式供能系統(tǒng)節(jié)能減排效益尚無統(tǒng)一的對比標(biāo)準(zhǔn)，有兩種方法比較流行但都有一定缺陷：一是與燃煤電廠+傳統(tǒng)供能系統(tǒng)比，由于天然氣是寶貴的清潔能源，因此，用燃煤電廠與分布式供能系統(tǒng)相比未體現(xiàn)天然氣的價值；二是與燃?xì)怆姀S+傳統(tǒng)供能系統(tǒng)比，由于燃?xì)怆姀S一般均采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其發(fā)電效率高達(dá)55%以上，因此，分布式供能系統(tǒng)與其相比無任何優(yōu)勢。筆者在反復(fù)斟酌后，認(rèn)為中心商務(wù)區(qū)的分布式供能系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)有一定可比性，主要原因是中心商務(wù)區(qū)能源供應(yīng)系統(tǒng)中只是增加了一套分布式供能系統(tǒng)，并將原來由傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供應(yīng)的能量集中由分布式供能系統(tǒng)供應(yīng)而已，因此，考察分布式供能系統(tǒng)的節(jié)能效益只需要進(jìn)行“有無對比”即可。

5.2 傳統(tǒng)供能系統(tǒng)能耗

設(shè)傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供冷時采用離心式冷水機(jī)組（綜合COP=4），采暖時采用熱泵（綜合COP=2.5），熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用燃?xì)忮仩t（綜合利用效率80%）。則中心商務(wù)區(qū)采用傳統(tǒng)供能系統(tǒng)時，其年用電量約為5.33×107 kWh，年用氣量約為3.78×106 Nm3，折合11 141 tce（電力折標(biāo)系數(shù)采用當(dāng)量值，天然氣折標(biāo)系數(shù)取12.143tce/104 kWh）。

5.3 分布式供能系統(tǒng)能耗

采用分布式供能系統(tǒng)時，利用TFlex23計算的數(shù)據(jù)，繪制分布式供能系統(tǒng)變工況下的能源平衡圖如圖6所示。為與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)同口徑比較，能源平衡圖繪制過程中離心式制冷機(jī)、離心式熱泵全部按COP值折算到用電數(shù)據(jù)。

圖6中，當(dāng)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)運行在變工況下，其發(fā)電效率比設(shè)計值（45.74%）要低3.14%，綜合利用效率約為83.62%；由于溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)將高品質(zhì)能量（焓值為410.2 kJ/kg）轉(zhuǎn)換到低品質(zhì)能量（冷：焓值為29.54 kJ/kg，熱：焓值為251.2 kJ/kg），因此，熱損失較大；由于離心式制冷機(jī)、熱泵大部分時間工作在50%以下負(fù)荷區(qū)間，導(dǎo)致其COP實際上只有4.2左右，因此，離心式制冷機(jī)、熱泵需消耗更高的電量來制取冷量、熱量。

圖6 分布式供能系統(tǒng)能源平衡圖

經(jīng)計算，該中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)能耗約為14 454 tce，高于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)能耗。

6 結(jié)語

受冷、熱負(fù)荷特性較差影響，中心商務(wù)區(qū)分布式供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性不好、總的能耗水平也高于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)，如果單從節(jié)能角度出發(fā)，則以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為主動力源的天然氣分布式供能系統(tǒng)并不是十分適用于中心商務(wù)區(qū)，當(dāng)然，實際工作中尚需具體情況具體對待。建議從燃?xì)?、電力削峰填谷的角度考慮，在熱負(fù)荷相對穩(wěn)定的區(qū)域建設(shè)分布式供能系統(tǒng)，并在設(shè)備配置、運行策略上下足功夫，提高上海天然氣分布式供能系統(tǒng)的應(yīng)用水平。

Natural Gas Distributed Power Supply System Applicability in Shanghai Downtown CBD

Zhu Yinkang
Shanghai Energy Saving and Emission Reducing Co.，Ltd

Through analyzing Shanghai downtown CBD cooling and heating load characteristics，the article introduces regional natural gas distributed power supply system model and analyzes it's economic benefits and energy saving effect. The author suggests that natural gas distributed power supply system based on gas-fired internal combustion engine as prime mover doesn't suit urban downtown CBD.

CBD Central Business District， Distributed Power Supply System， Mode， Economic，Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.009