崔夢然，郭健翔，2，*，田雪沁，王 娜，孫晉飛，2(.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 2660；2.山東省余熱利用與節(jié)能裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 2660；.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 02209)

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的典型代表，其綜合能源利用效率可高達(dá)90%[1-4].但是單一的燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受氣價(jià)影響較大，且當(dāng)冷熱電負(fù)荷需求相差較大時(shí)系統(tǒng)將面臨供需兩側(cè)熱電平衡問題.高文忠等[5]構(gòu)建了一種燃?xì)廨啓C(jī)+電制冷+蓄冷裝置系統(tǒng)，分析了設(shè)計(jì)日工況和過渡日工況下系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的性能，結(jié)果表明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性往往不能同時(shí)兼?zhèn)?；孟金英等[6]分別以系統(tǒng)的一次能源消耗量最小、運(yùn)行成本最小和二氧化碳排放量最小為目標(biāo),對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)不同目標(biāo)函數(shù)下系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行模式不同；劉媛媛[7]根據(jù)滿足用戶冷(熱)、電負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)不同,探討了“以熱定電”“以電定熱”及“混合模式”這三種運(yùn)行原則下系統(tǒng)設(shè)備的最優(yōu)容量、冬夏及過渡季典型日的最優(yōu)運(yùn)行方案.

上述研究表明，不同的負(fù)荷條件和運(yùn)行方式會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響，供需兩側(cè)熱電不平衡是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，多能耦合聯(lián)供系統(tǒng)成為解決這一關(guān)鍵問題的有效途徑.本文結(jié)合北京某商業(yè)綜合體案例，構(gòu)建了一種天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)耦合地源熱泵系統(tǒng)，同時(shí)，考慮到負(fù)荷變化和氣象條件的變化對(duì)機(jī)組性能的影響，提出基于供需動(dòng)態(tài)平衡的多能聯(lián)供系統(tǒng)計(jì)算模型，在TRNSYS平臺(tái)上進(jìn)行了瞬態(tài)模擬.通過設(shè)置不同的控制條件，分別分析了熱跟隨、電跟隨和混合運(yùn)行模式下系統(tǒng)的性能，為多能耦合聯(lián)供系統(tǒng)的構(gòu)建、瞬態(tài)模擬以及運(yùn)行方式優(yōu)化提供了理論分析基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)構(gòu)建

本文構(gòu)建了一種天然氣冷熱電聯(lián)供耦合土壤源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)包含燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組、煙氣/熱水換熱器、熱泵等設(shè)備.在熱跟隨模式下，燃?xì)廨啓C(jī)煙氣余熱承擔(dān)全部熱負(fù)荷，夏季溴化鋰制冷量不滿足冷負(fù)荷需求時(shí)開啟土壤源熱泵補(bǔ)充，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電先供系統(tǒng)和用戶使用，多余電量上網(wǎng)，不足時(shí)從網(wǎng)上取電；電跟隨模式下，將用戶的電負(fù)荷需求作為系統(tǒng)的輸入，換熱器換熱量和溴化鋰制冷

量不滿足冷熱負(fù)荷需求時(shí)開啟土壤源熱泵進(jìn)行補(bǔ)充，多余熱量則浪費(fèi)；為了避免以熱跟隨運(yùn)行模式下系統(tǒng)有電量剩余帶來上網(wǎng)不便或者上網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)造成沖擊以及以電跟隨模式下造成的熱量浪費(fèi)問題，可以使系統(tǒng)在混合模式下運(yùn)行，本文將混合模式定義為系統(tǒng)運(yùn)行中不存在電量上網(wǎng)和熱量浪費(fèi).為保證系統(tǒng)的供能與用戶負(fù)荷需求逐時(shí)匹配，同時(shí)充分考慮氣象參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，本文構(gòu)建了瞬態(tài)仿真計(jì)算模型，在TRNYS平臺(tái)上對(duì)耦合系統(tǒng)全年運(yùn)行情況進(jìn)行了逐時(shí)模擬.系統(tǒng)原理及由TRNSYS構(gòu)建的燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)如圖1和圖2所示

圖1 系統(tǒng)原理

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源CCHP系統(tǒng)TRNSYS模型

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)學(xué)模型

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)

任意時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量和排熱量與輸入燃料熱量之間的關(guān)系式如下：

EGE，i=GGE，iηGE，i

(1)

(2)

根據(jù)某典型品牌的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)據(jù)，擬合得到燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量與室外空氣溫度和煙氣余量之間的關(guān)系為

(3)

2.2 吸收式溴化鋰機(jī)組

溴化鋰吸收式制冷機(jī)消耗熱能提供冷能，任意時(shí)刻消耗的熱能與產(chǎn)生的冷能關(guān)系可由下式表示：

(4)

2.3 土壤源熱泵機(jī)組

土壤源熱泵機(jī)組在任意時(shí)刻消耗電能與產(chǎn)生的冷量/熱量的關(guān)系由下式表示：

(5)

(6)

3 系統(tǒng)仿真模擬計(jì)算條件

3.1 建筑概況

北京某商業(yè)綜合體面積9600 m2，其中空調(diào)面積9500 m2.該商業(yè)建筑綜合體內(nèi)部包括大堂、餐廳、客房、健身房等功能分區(qū)，各部分的參數(shù)見表1.計(jì)算得到的逐時(shí)電負(fù)荷和由DeST模擬得到的逐時(shí)冷熱負(fù)荷如圖3所示.

表1 某綜合體各功能分區(qū)參數(shù)

由圖3可以看出，該建筑的逐時(shí)熱負(fù)荷峰值為753 kW,逐時(shí)冷負(fù)荷峰值為1744 kW.統(tǒng)計(jì)得到建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷為3863 GJ，全年累計(jì)冷負(fù)荷為7403 GJ.

3.2 能源價(jià)格

3.2.1 天然氣

發(fā)電用天然氣價(jià)格為2.39元/m3，制暖供冷價(jià)格用氣價(jià)格為2.49元/m3[8].

3.2.2 電費(fèi)

根據(jù)最新政策，北京地區(qū)非居民用電的分時(shí)電價(jià)見表2.

表2 分時(shí)電價(jià)

天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為0.65元/(kW·h)[9].

3.3 設(shè)備選型及價(jià)格

以熱定電模式下根據(jù)熱負(fù)荷峰值和擬合公式反算出所需的燃?xì)廨啓C(jī)容量，以電定熱模式下根據(jù)電負(fù)荷峰值得到燃?xì)廨啓C(jī)容量，混合運(yùn)行模式下，要保證燃?xì)廨啓C(jī)能滿足峰值冷/熱負(fù)荷和電負(fù)荷的需求，因此三種運(yùn)行模式下設(shè)備的選型明細(xì)見表3.

由于冷熱負(fù)荷相差較大，所以需要合理選擇單臺(tái)設(shè)備容量及在供暖季和制冷季的開啟臺(tái)數(shù)，根據(jù)表3中所選的設(shè)備，在以熱定電模式下，冬季開啟1臺(tái)土壤源熱泵即可滿足熱負(fù)荷需求，夏季3臺(tái)土壤源熱泵全部開啟；混合模式下，冬季開啟1臺(tái)土壤源熱泵，夏季開啟3臺(tái)土壤源熱泵.

表3 設(shè)備選型

對(duì)本文所涉及到的設(shè)備，查得某典型品牌設(shè)備的單位熱量的價(jià)格見表4.

表4 設(shè)備價(jià)格

4 系統(tǒng)仿真模擬結(jié)果與分析

為了更直觀表現(xiàn)出不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)性能，本文分別選取供暖季典型日和制冷季典型日進(jìn)行能量平衡分析，并且根據(jù)全年的結(jié)果計(jì)算費(fèi)用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量.供暖季典型日和制冷季典型日的氣象參數(shù)及逐時(shí)的冷熱電負(fù)荷需求如圖4所示.

4.1 系統(tǒng)能量流平衡

該系統(tǒng)的能量流平衡包括電量平衡、熱量平衡和冷量平衡.

4.1.1 電量平衡

熱跟隨模式和混合運(yùn)行模式:

(7)

電跟隨模式：

(8)

式中：Ebuy，i為i時(shí)刻從電網(wǎng)的購電量，kJ/h；Euser,i為i時(shí)刻用戶的電負(fù)荷，kJ/h.

熱跟隨和混合模式下在供暖季典型日和制冷季典型日的發(fā)電量、用電量與購電量之間的具體關(guān)系如圖5—8所示.

4.1.2 熱量平衡

任意時(shí)刻煙氣/水換熱器的制熱量、土壤源熱泵機(jī)組的制熱量與熱負(fù)荷的關(guān)系如下：

熱跟隨模式：

(9)

電跟隨模式和混合模式：

(10)

電跟隨模式和混合運(yùn)行模式下具體的熱量關(guān)系如圖9、圖10所示.

4.1.3 冷量平衡

任意時(shí)刻吸收式溴化鋰機(jī)組制冷量、土壤源熱泵機(jī)組的制冷量與用戶冷負(fù)荷的關(guān)系如下：

(11)

三種運(yùn)行模式下的冷量平衡如圖11—13所示.燃?xì)廨啓C(jī)在不同季節(jié)和運(yùn)行模式下的負(fù)載率變化如圖14所示.

根據(jù)全年運(yùn)行結(jié)果得到的冷熱負(fù)荷承擔(dān)情況如圖15所示.

由圖5—15可以看出：

1) 在熱跟隨模式下，由于建筑的冷負(fù)荷比熱負(fù)荷偏大，因此在制冷季典型日的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)載率要高于供暖季典型日的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率，在13:00-22:00期間，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)載率為90%以上，此時(shí)仍然無法滿足用戶冷負(fù)荷，此時(shí)間段內(nèi)需要開啟熱泵進(jìn)行冷量補(bǔ)充，但是發(fā)電量已有剩余，典型日全天內(nèi)均有多余電量需要上網(wǎng)，上網(wǎng)電量約占全天發(fā)電量的41.4%；而在供暖季典型日，全天只有3 h的發(fā)電量多于需求電量，但是由于為匹配熱負(fù)荷需求，燃?xì)廨啓C(jī)一直處于負(fù)載率較低的工況下運(yùn)行，多數(shù)情況下發(fā)電量不能滿足電負(fù)荷，需要從電網(wǎng)購電，全天的購電量約占總電量需求的36.8%.

2) 在電跟隨模式下，燃?xì)廨啓C(jī)依據(jù)電負(fù)荷需求運(yùn)行，在供暖季典型日，多數(shù)情況下燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣余熱大于用戶熱負(fù)荷，因此造成了一定的熱量浪費(fèi)，浪費(fèi)熱量約占熱負(fù)荷的21.8%，在6:00-10:00期間，需要開啟熱泵進(jìn)行熱量補(bǔ)充，但補(bǔ)充熱量較少，因此購電量也較少；在制冷季典型日，全天有18 h需要開啟土壤源熱泵進(jìn)行冷量補(bǔ)充，補(bǔ)充部分占全天冷負(fù)荷的31.6%，此時(shí)從電網(wǎng)的購電量也較多，由于冷負(fù)荷較大，所以在制冷季典型日沒有多余的熱量產(chǎn)生.

3) 在混合運(yùn)行模式下，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中均無多余熱量和電量產(chǎn)生，在供暖季典型日，燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣余熱能滿足大部分時(shí)間的熱負(fù)荷，熱泵補(bǔ)充熱量僅占全天熱負(fù)荷的3.8%，但是由于燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)載率較小，發(fā)電量較少，所以多數(shù)時(shí)間需要從電網(wǎng)購電，購電量占電負(fù)荷的33.9%；在制冷季典型日，熱泵的開啟時(shí)間比供暖季多，其承擔(dān)的負(fù)荷約占總負(fù)荷的33.9%，但是購電量有所減少，為10.4%.

4) 在三種運(yùn)行模式下，燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣余熱都承擔(dān)了大部分的冷熱負(fù)荷，其中承擔(dān)的熱負(fù)荷分別占100%，95.8%和96.5%，溴化鋰機(jī)組承擔(dān)的冷負(fù)荷分別占總冷負(fù)荷的81.3%，66.8%和65.2%.

4.2 不同運(yùn)行模式對(duì)比分析

為了更加直觀表現(xiàn)出三種運(yùn)行模式的優(yōu)劣，將從經(jīng)濟(jì)、能源消耗量和環(huán)境三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比.本文分別計(jì)算了系統(tǒng)的費(fèi)用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量.

4.2.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

費(fèi)用年值的計(jì)算公式如下：

C=CC+Cf+Cm

(12)

4.2.2 能源消耗量指標(biāo)

(13)

式中：E為一次能源消耗量，kJ；ηgrid為電廠平均供電效率，取0.92；ηe為電網(wǎng)輸電效率，取0.35.

4.2.3 環(huán)境指標(biāo)

系統(tǒng)產(chǎn)生的有害物的排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，其中影響最大的兩種氣體是CO2,NOx，因此分別計(jì)算CO2和NOx排放量，作為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的環(huán)境指標(biāo).

系統(tǒng)的CO2年排放量(CDE)為[10]

(14)

式中：MCO2為系統(tǒng)二氧化碳的年排放量，t；VANG為年消耗的天然氣熱量，GJ/a ；CENG為天然氣排放系數(shù)，kg/GJ，取58.5；CMEF為甲烷排放系數(shù)，kg/TJ，取1.4；EGWPCH4為甲烷的增溫潛能，取21；CNEF為N2O排放系數(shù)，kg/TJ，取2.3；EGWPMN為N2O的全球增溫潛能，取310；CMLR為甲烷泄漏率，kg/GJ，取0.3；θ為電力線損，取8%；Cefy為電力排放因子，t/(MV·h)，取0.902 55；Qmax為制冷機(jī)組承擔(dān)的冷負(fù)荷峰值，kW；QFV0為制冷劑單位充注量，kg，取474.6；CER為制冷劑泄漏率，取5%.

系統(tǒng)的NOx排放量根據(jù)不同設(shè)備的排放因子計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見表5.

表5 NOx排放因子[11-12]

計(jì)算得到的不同運(yùn)行模式下的費(fèi)用年值、一次能源消耗量和污染物排放量見表6.

表6 不同運(yùn)行模式下參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

1) 若采用電跟隨模式，電負(fù)荷較大時(shí)會(huì)造成較多熱量浪費(fèi)；采用熱跟隨模式，熱負(fù)荷較大時(shí)上網(wǎng)電量增多，系統(tǒng)收入增加；如果冷熱負(fù)荷相差較大，則應(yīng)該在冬夏季采取不同的運(yùn)行模式以使系統(tǒng)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài).

2) 通過計(jì)算系統(tǒng)的費(fèi)用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量發(fā)現(xiàn)，在本文所模擬的負(fù)荷條件下，電跟隨模式均具有明顯優(yōu)勢，熱跟隨模式次之，混合模式最差.