高 彬 劉 勇 劉育辰

（1. 中國華西企業(yè)有限公司，廣東 深圳 518034；2. 重慶大學(xué)，重慶 400045）

在我國能源體系中，煤炭仍是能源消費中的主要燃料；然而，煤炭的能源利用效率低、碳排放量高，因此，需要加快能源結(jié)構(gòu)由煤炭向天然氣與可再生能源的轉(zhuǎn)變[1]。區(qū)域分布式“多能互補”能源系統(tǒng)在為區(qū)域建筑群供電的同時，可利用發(fā)電余熱為區(qū)域建筑群供冷供熱，實現(xiàn)能源的梯級利用以及多種能源互補利用、聯(lián)合運行；加強(qiáng)了冷、熱、電、氣等能源生產(chǎn)的耦合集成，大大提高了能源綜合利用效率，減少了污染物排放量。 因此， 近年來區(qū)域分布式“多能互補”能源系統(tǒng)在我國受到了越來越多的關(guān)注。

針對區(qū)域分布式“多能互補”能源系統(tǒng)的綜合效益評價、分析，是一個值得深入研究的熱點問題。近年來，已有學(xué)者[2～9]分別從經(jīng)濟(jì)、能耗 （技術(shù)） 、環(huán)境等角度建立了分布式能源系統(tǒng)多指標(biāo)評價體系，并通過層次分析法、AHP-熵權(quán)法、多屬性混合關(guān)聯(lián)層次綜合評價法、綜合賦權(quán)法等，對不同氣象條件、不同類型建筑、不同形式的分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評價，并取得了較好的應(yīng)用效果。

本文將以某區(qū)域能源規(guī)劃項目為案例，綜合考慮冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)與可再生能源系統(tǒng)的特點，從經(jīng)濟(jì)效益、能源效益、環(huán)境效益、技術(shù)效益、社會效益五個方面，建立能源供給系統(tǒng)方案的綜合評價指標(biāo)體系，利用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，利用模糊綜合評價法建立模糊數(shù)學(xué)評價模型，對該區(qū)域能源規(guī)劃項目的能源供給初擬方案進(jìn)行綜合評價，從而進(jìn)一步優(yōu)選出適宜于該項目的區(qū)域能源供給方案。

1 工程概況

本文案例項目位于貴州省貴陽市。項目區(qū)域有A、B、C三個片區(qū)，主要包含酒店、公寓、辦公、商業(yè)等建筑類型，總建筑面積37.7 m2。其中：A區(qū)，主要為酒店、公寓、辦公建筑，總建筑面積18.5 m2；B區(qū)，主要為商業(yè)建筑，總建筑面積5.2 m2；C區(qū)，主要為住宅、商業(yè)建筑，總建筑面積14 m2。

項目區(qū)域擬建設(shè)區(qū)域分布式“多能互補”能源站以滿足區(qū)域內(nèi)各用戶的冷、熱、電及生活熱水需求。

2 區(qū)域建筑群能源需求特性分析

該項目集中能源需求主要包括：酒店、商業(yè)、部分住宅的全年空調(diào)冷熱供給，區(qū)域建筑全年電供給，以及區(qū)域建筑全年衛(wèi)生熱水供給。

利用DeST能耗模擬軟件，可以對案例項目采用集中空調(diào)建筑的逐時冷、熱負(fù)荷進(jìn)行模擬分析，從而得到該區(qū)域建筑群集中空調(diào)全年累計供熱量為5 546.11 MWh，全年累計供冷量為4 004.03 MWh。同時，由全年空調(diào)逐時冷、熱負(fù)荷模擬結(jié)果，還可以得到該項目集中空調(diào)全年冷、熱負(fù)荷的負(fù)荷率區(qū)間分布，如表1所示。由表1可知，該案例項目全年集中空調(diào)冷、熱負(fù)荷需求大部分時段處于低負(fù)荷率區(qū)間。區(qū)域能源供給方案選擇以及冷熱源設(shè)備容量、設(shè)備數(shù)量確定，應(yīng)以此為依據(jù)并給予充分重視。

表1 冷熱負(fù)荷負(fù)荷率分布 /%

利用貴陽市既有建筑用電實地調(diào)研數(shù)據(jù)、建筑配電相關(guān)規(guī)范的電力負(fù)荷指標(biāo)[10]、國外相關(guān)建筑生活熱水負(fù)荷估算指標(biāo)[11]，可以粗略估算得到該區(qū)域建筑群全年累計耗電量18 706.6 MWh、全年累計生活熱水負(fù)荷2 917.08 MWh。

同時，根據(jù)該區(qū)域的逐時熱 （冷） 負(fù)荷、電力負(fù)荷分析，可以得到該區(qū)域建筑群的冬、夏逐時熱電比 （見圖1）。由圖1可知：該案例項目的區(qū)域建筑冬、夏熱電比普遍較小，熱電比小于1的總時段占比達(dá)到69.6%，熱電比小于0.5的總時段占比達(dá)到54%。

圖1 冬夏季逐時熱電比統(tǒng)計圖

3 區(qū)域可利用能源資源評估

天然氣資源方面，案例項目區(qū)域天然氣資源豐富，天然氣管線較多，具有較好的利用天然氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)的基礎(chǔ)條件[12]。

地表水資源方面，案例項目區(qū)域河水夏季平均水溫約在17～26 ℃，冬季平均水溫約在10～12 ℃；多年平均流量為0.667 m3/s，汛期 （5～10月） 多年平均流量為0.926 m3/s，枯水期多年平均流量為0.428 m3/s，水體水質(zhì)指標(biāo)可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)公式 （1） 、 （2），可以初步估算得到該項目區(qū)域地表水源熱泵系統(tǒng)夏季最大供冷量為19 571.46 kW，冬季最大供熱量為11 414.76 kW。

地?zé)豳Y源方面，通過對案例項目區(qū)域的地下巖土熱響應(yīng)測試結(jié)果，可以得到案例項目區(qū)域地下垂直埋管換熱器的換熱性能參數(shù)分別為：制冷工況下，豎直地埋管換熱器 （100 m雙U管） 換熱量約6.3 kW；供暖工況下，豎直地埋管換熱器（100 m雙U管） 換熱量約5.24 kW。案例項目區(qū)域有面積約1.8 m2地塊區(qū)域可以埋設(shè)地下?lián)Q熱器，經(jīng)過計算可以埋設(shè)約1 200口地下?lián)Q熱器。根據(jù)公式 （3） 、 （4），可以估算得到該項目區(qū)域地下?lián)Q熱器冬季最大供熱量為7 860 kW、夏季最大供冷量為6 510 kW。

式中：Qgshp-h——地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季供熱量（kW）；Qgshp-c——地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季供冷量（kW）；A——可埋管區(qū)域面積（m2）；qh、qc——冬夏季單位埋管管長換熱量（W/m）；l——單位埋管面積地埋管管長（m/m2）；COPh——地埋管地源熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)；EERc——地埋管地源熱泵系統(tǒng)的制冷能效比。

太陽能資源方面，由統(tǒng)計資料發(fā)現(xiàn)，案例項目區(qū)域1961～2015年[13]地面的太陽輻射累年平均年總量為3 721.85 MJ/（m2·a）， 太陽能資源穩(wěn)定度 （K值） 約為3.94[14]。根據(jù)《太陽能資源評估方法》，案例項目所在區(qū)域太陽能資源豐富程度一般，太陽能資源屬于“較穩(wěn)定”級。為此，案例項目區(qū)域能源供給方案盡管不適宜以太陽能為主，但是可以考慮利用太陽能進(jìn)行輔助熱供給。

4 區(qū)域能源供給初擬系統(tǒng)方案

根據(jù)前述分析，項目區(qū)域可利用的能源系統(tǒng)主要有冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、地表水源熱泵系統(tǒng)、地埋管地源熱泵系統(tǒng)。結(jié)合項目區(qū)域能源價格體系，對三種系統(tǒng)進(jìn)行對比分析可知，雖然冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的初投資較高，但是在運行費用與節(jié)能減排方面，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)效果仍具有較好的優(yōu)勢。此外，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能夠大大提高用戶用電的安全性與穩(wěn)定性，可以有效緩解電網(wǎng)負(fù)荷較重時的電網(wǎng)壓力、實現(xiàn)對燃?xì)夂碗娏Φ碾p重削峰填谷、保障區(qū)域能源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供應(yīng)。因此，在該項目能源供給系統(tǒng)考慮中，優(yōu)先考慮使用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。

結(jié)合項目區(qū)域能源儲備及需求分析，初步提出以下4種可行的能源供給方案：方案一，“天然氣冷熱電三聯(lián)供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統(tǒng)；方案二，“天然氣冷熱電三聯(lián)供+土壤源熱泵+太陽能集熱”系統(tǒng)；方案三，“冷熱電三聯(lián)供+常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t” 系統(tǒng)；方案四，“電網(wǎng)供電+常規(guī)冷水機(jī)組系統(tǒng)+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)。同時，考慮區(qū)域建筑群冷熱負(fù)荷逐時負(fù)荷率以及冬、夏熱電比，為了提高天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的能源效率，在上述初選能源方案中均采用以基荷定熱 （35%） 的能源結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)運行模式。

5 綜合評價指標(biāo)體系與數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究、工程項目經(jīng)驗以及案例項目情況，可以從經(jīng)濟(jì)效益、能源效益、環(huán)境效益、技術(shù)效益、社會效益五個方面建立該項目能源供給系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系。經(jīng)濟(jì)效益包含：效率型指標(biāo)內(nèi)部收益率、價值型指標(biāo)費用年值、時間型指標(biāo)投資回收期；能源效益包含：一次能源利用率、相對節(jié)能率、可再生能源利用率；環(huán)境效益包含：CO2、NOX、SO2以及煙塵減排量，噪聲對環(huán)境影響；技術(shù)效益包含：技術(shù)成熟度、安全可靠性以及維護(hù)管理難度；社會效益包含：與國家政策的一致性、技術(shù)示范性、資源合理利用以及帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)與增加就業(yè)機(jī)會等。從而，可得該項目能源供給系統(tǒng)方案的綜合評價層次指標(biāo)體系，如圖2所示。

在綜合評價層次指標(biāo)體系確定的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評價法即可建立該項目能源供給系統(tǒng)各初擬方案的模糊評價數(shù)學(xué)模型[15]。

圖2 區(qū)域能源供給系統(tǒng)方案綜合評價指標(biāo)體系

6 綜合評價

6.1 評價指標(biāo)權(quán)重計算

利用層次分析法，可以確定綜合評價指標(biāo)體系各指標(biāo)的權(quán)重，其中一級指標(biāo)的權(quán)重如表2所示[16]，二級指標(biāo)的權(quán)重如表3所示。

6.2 定量指標(biāo)隸屬度值

表2 一級指標(biāo)相對重要性及權(quán)重

表3 二級指標(biāo)權(quán)重

基于項目區(qū)域能源供需特性、初選方案的組合形式以及各定量指標(biāo)的計算方法，可以對各定量指標(biāo)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究、案例項目資料以及各指標(biāo)的計算結(jié)果，可以構(gòu)建各評價指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度函數(shù)，進(jìn)而求得各定量指標(biāo)的隸屬度值，如表5所示。

表4 初選方案各定量指標(biāo)對比分析表

表5 初選方案各定量指標(biāo)隸屬度值

6.3 定性指標(biāo)隸屬度值

根據(jù)前述初擬能源供給方案的定性指標(biāo)實際情況，設(shè)置對應(yīng)的定性指標(biāo)評判的評語級，由專業(yè)領(lǐng)域的專家結(jié)合案例項目區(qū)域情況對各初擬方案的相應(yīng)定性評價指標(biāo)進(jìn)行評判，并利用模糊統(tǒng)計法可以得到各定性指標(biāo)的隸屬度值，如表6所示。

表6 初選方案各定性指標(biāo)隸屬度值

6.4 綜合效益評價

以各指標(biāo)權(quán)重與隸屬度值，對案例項目的初選方案進(jìn)行綜合評價，尋求適合案例項目的綜合效益最優(yōu)的能源供給方案。

前述初擬能源供給系統(tǒng)方案的一級指標(biāo)的評判矩陣如下：

由一級指標(biāo)權(quán)重，可以得到各初擬方案的模糊綜合評價結(jié)果為：

根據(jù)模糊綜合評價結(jié)果，可以看出：方案一 （“冷熱電三聯(lián)供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統(tǒng)） 是該案例項目能源供給的綜合效益最優(yōu)方案；其余能源供給方案依次分別為：方案二 （“冷熱電三聯(lián)供+地埋管地源熱泵+太陽能集熱”系統(tǒng)） 、方案三 （“冷熱電三聯(lián)供+常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)） 、方案四 （“電網(wǎng)供電+常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)）。

為此，對本案例項目而言，適宜于該項目能源資源及需求的綜合效益最優(yōu)區(qū)域能源供給方案建議設(shè)計確定為“冷熱電三聯(lián)供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統(tǒng)。

7 結(jié)語

實際工程中，同一區(qū)域能源規(guī)劃項目的可利用能源供給系統(tǒng)方案通常并不唯一。在區(qū)域能源供給系統(tǒng)的最優(yōu)化方案確定中，應(yīng)結(jié)合區(qū)域能源需求特性、能源資源條件，采用科學(xué)、合理的評價方法進(jìn)行科學(xué)評估、綜合考量。

對于某區(qū)域能源規(guī)劃項目而言，基于項目區(qū)域能源需求特性、能源資源條件分析，利用層次分析法與模糊綜合評價法對該區(qū)域能源供給系統(tǒng)初擬方案進(jìn)行了綜合評價。根據(jù)綜合評價結(jié)果，適宜于該項目的綜合效益最優(yōu)區(qū)域能源供給方案為“冷熱電三聯(lián)供+河水源熱泵+太陽能集熱”系統(tǒng)。