城市綜合體三聯(lián)供系統(tǒng)應用分析

岳云濤， 王立坤， 楊智勇

(1.北京建筑工程學院，北京 100044;2.CCDI悉地國際，北京 100013)

城市綜合體三聯(lián)供系統(tǒng)應用分析

岳云濤1， 王立坤1， 楊智勇2

(1.北京建筑工程學院，北京 100044;2.CCDI悉地國際，北京 100013)

城市三聯(lián)供系統(tǒng)是一項既經(jīng)濟又環(huán)保的優(yōu)化方案。文中闡述了城市綜合體的負荷特點和三聯(lián)供系統(tǒng)的運行特點，并以湖南省某城市綜合體為例，在估算建筑物的冷熱電負荷的基礎上，提出了三聯(lián)供系統(tǒng)應用于該類建筑的可行性和系統(tǒng)設備配置及運行方式選擇的最優(yōu)化方案。比較三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)的經(jīng)濟和環(huán)保效益，結(jié)果表明:三聯(lián)供系統(tǒng)應用于城市綜合體有效實用。三聯(lián)供系統(tǒng)有更大的收益率，充分體現(xiàn)出燃氣發(fā)電清潔能源的環(huán)保特點。

三聯(lián)供;城市綜合體;效益分析

0 引言

城市綜合體被廣義的定義為是城市中的居住、辦公、商務、出行、購物、文化娛樂、社交、游憩等各類功能復合、相互作用、互為價值鏈的高度集約的街區(qū)建筑群體［1］。這種建筑物建筑形態(tài)多樣，各類型建筑的冷熱電負荷變化曲線多樣，但整個建筑物負荷曲線疊加之后，會出現(xiàn)負荷相對集中，冬夏季分別有較大熱冷負荷，常年有熱水負荷的特性。

筆者根據(jù)城市綜合體的特性，提出燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應用于城市綜合體建筑的可行性和系統(tǒng)設備配置及運行方式選擇的最優(yōu)化方案。通過分析和比較三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)的經(jīng)濟環(huán)保效益，確定三聯(lián)供系統(tǒng)應用于城市綜合體的有效性和實用性。

1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢

隨著社會的進步，人們對于能源的利用趨于多樣化，節(jié)能、高效、環(huán)保也逐漸成為人們選擇能源時考慮的重要因素。燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，是一種新型的分布式能源系統(tǒng)，在發(fā)電的同時利用設備的余熱制冷制熱，形成能源的梯級利用。該系統(tǒng)優(yōu)勢歸納以下幾個方面:

(1)節(jié)約能源。利用天然氣的高品能發(fā)電，發(fā)電余熱用來供熱或制冷，使能量的利用更為合理。

(2)能源綜合利用率高。系統(tǒng)不僅可以獲得約40%的發(fā)電效率，還能將中溫廢熱回收利用供冷、供熱，通常綜合能源利用率可達80%。

(3)對燃氣和電力有雙重削峰填谷作用。采用燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)，夏季利用燃氣發(fā)電余熱制冷，增加夏季的燃氣使用量，減少夏季空調(diào)的電負荷，同時系統(tǒng)的自發(fā)電也可以降低電網(wǎng)的供電壓力。

(4)供能安全性高。由于增加了用戶自發(fā)電系統(tǒng)，可以減少對電網(wǎng)的依賴性，提高用電的安全性。冷熱電三聯(lián)供建設在用戶附近，與傳統(tǒng)長距離輸電相比，還能減少6% ～8%的線路損耗。

(5)清潔環(huán)保。使用清潔燃料天然氣，大大降低污染物對大氣的排放。

2 某城市三聯(lián)供系統(tǒng)的應用設計

2.1 項目概況

該城市綜合體將把商業(yè)、辦公、居住、酒店、展覽、餐飲、會議、文娛、交通等城市功能進行全方位組合，與城市交通協(xié)調(diào)，并在各部分間建立一種相互依存、價值互補的能動關系，形成一個功能多樣的復雜街區(qū)。城市綜合體不同于城市中心密集的建筑群體，它是一個完整的城市街區(qū)。同時，通過街區(qū)的關系，與外部空間結(jié)合起來，與交通系統(tǒng)有效關聯(lián)，延展城市的空間價值。

2.2 冷熱電負荷估算

根據(jù)建筑物的不同業(yè)態(tài)類型，設定適當?shù)氖覂?nèi)設計參數(shù)，采用eQuest軟件對建筑物進行負荷模擬計算，為下一步的設備選型提供依據(jù)。

2.2.1 室內(nèi)設計參數(shù)

參照《湖南省公共建筑節(jié)能設計標準》DBJ43/003—2010，室內(nèi)模擬條件見表1。

2.2.2 冷熱電負荷估測

全年最大冷負荷15200 kW，用冷量31808530 kWh;全年最大熱負荷2448 kW(圖1)，用熱量1160901 kWh。按照夏季空調(diào)全年不保證50 h，冬季采暖不保證24 h，設計空調(diào)負荷13 900 kW，供暖負荷2 000 kW。

考慮精品酒店和酒店公寓用熱水，全年最大熱水負荷1 511 kW(圖2)，全年用熱量4 078 826 kWh。全年用電最大負荷7 460 kW，最小用電負荷1 593 kW(圖3)，全年用電量40 193 194 kWh。

2.3 設備選型

在設備選型的過程中，不以傳統(tǒng)的“以熱定電”或“以電定熱”的方式確定設備容量，而是以經(jīng)濟最優(yōu)為目標，采用逐時迭代算法。通過equest軟件計算出逐時能耗數(shù)據(jù)。根據(jù)逐時能耗數(shù)據(jù)進行發(fā)電設備選型。設定一個發(fā)電機容量的初值，同時設定上網(wǎng)電價、燃氣價格、冷熱價，按照設定的計算公式核算經(jīng)濟效益。根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)整發(fā)電機功率，直至使凈現(xiàn)值最大時運行結(jié)束，從而得出最優(yōu)的設備配置。運算流程如圖4所示。

按照圖4的計算過程和項目的數(shù)據(jù)，優(yōu)化出發(fā)電機發(fā)電容量約4 000 kW，結(jié)合發(fā)電機廠家型號并考慮適應不同冷熱需求，選擇發(fā)電容量為1 413 kW的3臺內(nèi)燃機發(fā)電。

表1 商業(yè)建筑內(nèi)擾設定值Table 1 Commercial buildings interference settings

圖1 城市綜合體逐時空調(diào)、采暖負荷Fig.1 City’s comprehensive hourly air conditioning，heating load

圖2 城市綜合體逐時熱水負荷Fig.2 Urban complex of hot water load

圖3 城市綜合體逐時非制冷電負荷(不含空調(diào))Fig.3 Urban complex of electricity load(without air conditioning)

圖4 設備配置優(yōu)化的計算流程Fig.4 Calculation process of device configuration optimization

燃氣內(nèi)燃機可利用發(fā)電余熱有缸套水(75～90℃)和高溫煙氣(390℃)，發(fā)電余熱宜采用煙氣型溴化鋰冷熱水機組利用缸套水高溫部分(80～90℃)和高溫煙氣為城市綜合體提供冷熱量，而低于80℃的缸套水則采用板式換熱器提供生活熱水和部分采暖負荷。

2.3.1 運行策略

發(fā)電機發(fā)電供區(qū)域內(nèi)使用，該項目按照技術特點發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)運行;夏季發(fā)電機循環(huán)熱水和煙氣通過熱水煙氣型溴冷機、補燃型余熱鍋爐、板式換熱器為區(qū)域內(nèi)提供冷熱量，不足的冷量通過補燃和電制冷解決;冬季發(fā)電機循環(huán)熱水通過板式換熱器向區(qū)域內(nèi)提供供暖用熱水，煙氣通過溴冷機提供供暖用生活熱水，不足的部分通過補燃解決。

2.3.2 運行數(shù)據(jù)

全年供冷量31 808 530 kWh;全年供暖熱量1 160 901 kWh，供熱水耗熱4 078 826 kWh，旅館洗衣房用蒸汽972 000 kWh，含熱水耗熱總量為6 211 728 kWh，不含熱水總熱量為2 132 902 kWh(為不含熱水總賣熱量，其中余熱供冷16 526 454 kWh，余熱供熱5 596 772 kWh)。

發(fā)電量達到 18 302 040 kWh(其中，廠用電4234567 kWh)，賣電量為14 067 473 kWh;全年外部用電量40193 194 kWh;耗氣量=4 888 251 m3;總耗水量19.8萬t:系統(tǒng)耗水7.8萬t，生活熱水量12.0萬t。

2.4 電力系統(tǒng)運行分析

工程供電方案初步考慮3臺發(fā)電機組在10 kV側(cè)并網(wǎng)接入市電電網(wǎng)，三聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)電力全部出售給電網(wǎng)。園區(qū)建筑物的電負荷再由市電引入兩路10 kV進行供配電。

圖5 電力系統(tǒng)接入示意Fig.5 Power system access diagram

如圖5所示，電力系統(tǒng)的接入選用上網(wǎng)運行系統(tǒng)，利用軟件計算出經(jīng)濟最優(yōu)的前提下，設定發(fā)電設備容量，按照當前電力部門的相關要求，單獨發(fā)電若要上網(wǎng)則不能再單獨售電，因此需要把所發(fā)電量全部輸送到電網(wǎng)售電，用戶再從電網(wǎng)側(cè)購電。

2.5 效益分析

2.5.1 經(jīng)濟效益

利用增量經(jīng)濟分析法［2－3］對該項目應用的三聯(lián)供系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進行評價。

增量投資回收年限Y是三聯(lián)供系統(tǒng)增量投資ΔC與年運行費減量ΔR之比。其中ΔR是與采用傳統(tǒng)燃氣鍋爐供熱和電制冷方式相比，用戶包括能源和運行維護在內(nèi)的每年能源運行費減少量。

常規(guī)系統(tǒng)初投資C1為1 178萬元，其中燃氣鍋爐80萬元，制冷機組950萬元，其他設備146萬元，機房、安裝費2萬元。

三聯(lián)供系統(tǒng)初投資C2為4 063.4萬元，其中熱氣機2 544萬元，溴化鋰直燃機組716.8萬元，冷水機組和余熱鍋爐分別為633和21.6萬元，其他設備146萬元，機房、安裝費2萬元。

系統(tǒng)增量投資ΔC=C2－C1，ΔC=40 634 000－11 780 000=2 885.4 萬元。

年運行費減量為常規(guī)系統(tǒng)年運行費與三聯(lián)供系統(tǒng)年運行費之差。

由于項目設計三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電采用并網(wǎng)運行方式，所發(fā)電量除了廠用電外都并網(wǎng)，外部用電統(tǒng)一從電網(wǎng)購買。因此，在進行年運行費用對比時，兩種系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在系統(tǒng)運行燃氣投入量差、常規(guī)系統(tǒng)的冷量和熱量的耗電量和三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電量，年運行費減量為

式中:R1——常規(guī)系統(tǒng)年運行費;

R2——三聯(lián)供系統(tǒng)年運行費;

G1——常規(guī)系統(tǒng)年燃氣投入費用;

G2——三聯(lián)供系統(tǒng)年燃氣投入費用;

E1——常規(guī)系統(tǒng)冷熱負荷耗電量;

E2——三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量(除去廠用電)。

根據(jù)式(1)，年運行費減量為8 979 079.73－4 517 884.73=4 461 195(元)

由此計算Y=ΔC/ΔR=28 854 000/4 461 195=6.5(a)

增量投資回收年限在5～10 a即符合投資的條件，參考文獻［2］指出三聯(lián)供系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)每年的凈收益要高，在6.5 a之后收回增量投資之后，三聯(lián)供系統(tǒng)將有更大的收益率。

2.5.2 環(huán)境效益

根據(jù)專業(yè)統(tǒng)計，火力發(fā)電每千瓦時電耗標準煤400 g，同時污染排放272 g碳粉塵、997 g二氧化碳、30 g二氧化硫和15 g氮氧化物。與其相比，采用燃氣三聯(lián)供發(fā)電就會體現(xiàn)出環(huán)保的優(yōu)勢，排放物幾乎沒有二氧化硫、很少的氮氧化物、極少的粉塵［4］。該系統(tǒng)采用內(nèi)燃機主要排放為氮氧化物，排放量為300～500 mg/Nm3。根據(jù)以上運行數(shù)據(jù)分析，三聯(lián)供系統(tǒng)可以發(fā)電18 302 040 kWh，同樣的發(fā)電量，可以減少4 978 154.88 kg碳粉塵、549 061.2 kg二氧化硫、273 kg氮氧化物的排放，充分體現(xiàn)出燃氣發(fā)電清潔能源的環(huán)保特點。

3 結(jié)論

(1)三聯(lián)供系統(tǒng)比傳統(tǒng)的燃氣鍋爐和電制冷的供能方式更具有技術、經(jīng)濟、節(jié)能等方面的優(yōu)勢。通過逐時迭代法確定三聯(lián)供系統(tǒng)的容量，達到應用系統(tǒng)設備配置及運行方式選擇的最優(yōu)化。

(2)三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)相比，前者更經(jīng)濟環(huán)保，且三聯(lián)供系統(tǒng)應用于城市綜合體更有效實用。

［1］朱文俊.城市綜合體的功能及價值分析［D］.北京:清華大學，2008:6－7.

［2］孔祥強，王如竹，李 瑛，等.基于熱氣機分布式冷熱電三聯(lián)供效益分析［J］.中國建設信息，200(4):24－28.

［3］付 林，李 輝，等.天然氣熱電冷聯(lián)供技術及應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:272－291.

［4］陳廣才.淺談燃氣電廠的社會效益與經(jīng)濟效益［J］.中國科技信息，2008(20):17－19.

Application analysis of combined cooling，heating and power in an urban complex

YUE Yuntao1， WANG Likun1， YANG Zhiyong2
(1.Beijing Insititute of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China;2.CCDI Group，Beijing 100013，China)

Combined cooling represents an economical and environmentally friendly optimization.This paper introduces the load feature of urban complex and the operational characteristic of the combined cooling，heating and power(CCHP)，proposes heating load and power load，the feasibility of the application system by CCHP，as exemplified by a urban complex in Hunan province as an example，based on estimating cooling load，and describes the development of the optimal equipment and mode of operation.The comparison between combined cooling and conventional power supply in terms of economic and environmental benefits proves that combined cooling could find an effective and practical use in urban complex.Combined cooling with a greater benefit fully reflects the environmental protection characteristics of the gas－ fired generation clean energy.

combined cooling，heating and power;urban complex;cost benefit analysis

TU99

A

1671－0118(2012)04－0442－04

2012－07－04

北京市教育委員會科技計劃面上項目(KM201010016011);北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目(20081D0501700204)

岳云濤(1971－)，男，遼寧省遼陽市人，副教授，博士后，研究方向:電力電子與電力傳動、建筑電氣設計等，E-mail:Yue_Yun_tao@sohu.com。

(編輯 徐 巖)