新型能源利用系統(tǒng)分析軟件的研究和開發(fā)初探

史宇豐

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002）

0 引言

分布式供能（簡稱CHP）是指利用一種形式的一次能源（如生物沼氣、煤層氣、天然氣、焦爐煤氣等）同時生產冷量、熱量、電力三種不同形式的能量來滿足用戶用能需求的技術，并在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應的現(xiàn)代能源供應方式。與傳統(tǒng)集中供能形式不同，CHP通過能源的梯級利用，大大提高了一次能源利用率，對于夏季需制冷、冬季需供熱的建筑，CHP系統(tǒng)可提供更大的供能靈活性。

天然氣分布式供能是指利用天然氣為一次能源的分布式供能，其綜合能源利用率在70%以上，節(jié)能減排效果明顯、可以優(yōu)化天然氣利用，并能發(fā)揮對電網和天然氣管網的雙重削峰填谷作用，增加能源供應安全性。國家發(fā)改委在2011年10月9日發(fā)布的《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》（發(fā)改能源〔2011〕2196號）的文件，主要任務是在“十二五”初期啟動一批天然氣分布式能源示范項目，“十二五”期間建設1000個左右天然氣分布式能源項目，并擬建設10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。因此，大規(guī)模發(fā)展天然氣分布式供能勢在必行。

但由于我國對CHP研究起步較晚，正式投入運行的項目較少，因而國內對CHP系統(tǒng)的設計水平普遍較低，因此開展對CHP系統(tǒng)的設計方法研究，可提高我國在CHP系統(tǒng)設計方面的水平，如把設計方法應用到計算機軟件中，可大大降低CHP系統(tǒng)設計分析的繁瑣性和難度，因而能在建筑行業(yè)大規(guī)模推廣CHP系統(tǒng)設計，此社會效應是巨大的。由此華東建筑設計研究院有限公司聯(lián)合上海華電源信息技術有限公司共同研究和開發(fā)了分布式供能系統(tǒng)分析軟件。

1 分布式供能系統(tǒng)分析軟件設計研究技術路線

規(guī)劃一個天然氣分布式供能系統(tǒng)，首先設定該項目可以用分布式供能系統(tǒng)，然后需了解建筑對象的負荷特性、外部環(huán)境因素和系統(tǒng)組成形式。系統(tǒng)配置和優(yōu)化則需根據(jù)不同配置情況和當?shù)氐哪茉凑叩染C合因素予以確定，最后從節(jié)能、環(huán)保和經濟三方面綜合評價用戶的分布式供能應用效果。分布式供能軟件開發(fā)的技術路線框架如圖1所示。

1.1 建筑對象的確定

建筑類型基本包含：商業(yè)、酒店、醫(yī)院、辦公、工廠等。適合使用CHP系統(tǒng)的用戶建筑一般應具有以下特征：

（1）全年電力負荷、熱力負荷穩(wěn)定相對且設備使用率高的用戶；

（2）電力負荷與熱力負荷逐時變化類似的用戶，即熱電比波動較小；

（3）用戶熱電比與原動機負荷特性相匹配，綜合效果會很好；

（4）對供能安全性有很高要求的用戶，如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、商業(yè)、酒店等。

因此，按常規(guī)酒店、綜合商業(yè)、醫(yī)院建筑比較適合做分布式供能系統(tǒng)，但具體情況還應根據(jù)建筑物的負荷特性來進行分析。

1.2 建筑物電、熱、冷負荷的預測

建筑物是一個復雜的系統(tǒng)，其冷、熱、電負荷需求均隨時間而變化，且峰值負荷一般不同時出現(xiàn)，為了選擇合適的分布式供能形式、提高系統(tǒng)效率，需對建筑內部的冷、熱、電負荷逐時、逐月變化進行預測并進行分析。

在軟件中，輸入預測的負荷（可為每月典型日負荷，也可為一年8760h逐時負荷），可自動生成每月典型日一天24h的負荷曲線圖表，根據(jù)曲線特性，可對建筑物用能特性有很直觀的了解，并可作為選擇系統(tǒng)配置的依據(jù)。

1.3 外部條件因素

外部條件因素主要有以下幾點：（1）當?shù)氐哪茉磧r格；

（2）當?shù)卣畬Ψ植际焦┠芟到y(tǒng)設備有無經濟補貼；

（3）分布式供能系統(tǒng)與市政電網的連接情況，是否可以并網、上網。

能源價格是分布式供能系統(tǒng)經濟評價的重要因素，而分布式供能系統(tǒng)與市政電網的連接情況決定了系統(tǒng)的運行方式。

1.4 運行方式和運行時間的設定

分布式供能系統(tǒng)容量的選擇應根據(jù)“以熱定電，熱電平衡”的原則，并根據(jù)點、熱（冷）負荷的特性和大小合理確定。

“以熱定電”是按照用戶的熱或冷負荷需求來進行系統(tǒng)配置，此運行方式不產生過量余熱，其綜合效率較高。

1.5 系統(tǒng)配置

根據(jù)以上幾方面的分析結果，在此必須確定原動機種類、余熱利用設備和余熱利用系統(tǒng)、其它冷熱源設備。主要有以下幾方面內容：

（1）原動機種類的選擇（燃氣內燃機、燃氣輪機、微型燃氣輪機等）、原動機參數(shù)和臺數(shù)確定；

（2）余熱利用設備的選擇（余熱鍋爐、余熱溴化鋰機組、煙氣熱交換器等）、余熱利用設備參數(shù)和臺數(shù)確定；

（3）其它冷熱源設備的選擇（水蓄冷、熱泵、鍋爐、電制冷、溴化鋰機組等），設備參數(shù)和臺數(shù)；

（4）形成完整的余熱利用系統(tǒng)圖。

有效利用原動機的余熱，是分布式供能系統(tǒng)的核心。使用余熱的地方主要是生活熱水、采暖和制冷，一般利用余熱的先后順序為生活熱水>采暖>制冷。

1.6 環(huán)境評價

環(huán)境評價是對CHP系統(tǒng)在運行過程中所產生的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物進行統(tǒng)計并與常規(guī)系統(tǒng)進行比較。分布式供能系統(tǒng)的燃料為天然氣，屬于清潔能源，燃燒時基本不會產生粉塵和二氧化硫，而產生的電力又能減少市政電力需求，從而達到間接抑制燃煤火力發(fā)電所產生的二氧化硫等物質。

各類排放物質的排放削減率等于兩種系統(tǒng)的排放量之差與傳統(tǒng)系統(tǒng)的排放量的比值。公式如下：

CO2排放削減率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)的CO2排放量-分布式供能系統(tǒng)的CO2排放量）/傳統(tǒng)系統(tǒng)的CO2排放量

SO2排放削減率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)的SO2排放量-分布式供能系統(tǒng)的SO2排放量）/傳統(tǒng)系統(tǒng)的SO2排放量

NOx排放削減率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)的NOx排放量-分布式供能系統(tǒng)的NOx排放量）/傳統(tǒng)系統(tǒng)的NOx排放量

還可根據(jù)以上計算得出減碳量，并計算碳交易收益。

1.7 節(jié)能評價

節(jié)能評價是對分布式供能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)兩者消耗能源的標準煤進行比較。目前消耗的能源主要有電力能源和燃氣能源，將兩者均轉換成標準煤。傳統(tǒng)系統(tǒng)的消耗能源主要包括對象建筑物內所有用電設備的用電量，供冷系統(tǒng)中各種設備（電制冷、水泵、冷卻塔等）的用電量，供熱系統(tǒng)中各種設備（鍋爐、水泵等）的用電量。而分布式供能系統(tǒng)除了上述設備之外，還要計算原動機的燃氣消耗量，節(jié)能相關的具體公式如下：

傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗能源的標準煤=0.327×傳統(tǒng)系統(tǒng)的用電總量＋1.2143×傳統(tǒng)系統(tǒng)的鍋爐燃氣消耗量

分布式供能系統(tǒng)消耗能源的標準煤=0.327×分布式供能系統(tǒng)的用電總量＋1.2143×（原動機的燃氣消耗量＋分布式供能系統(tǒng)的鍋爐燃氣消耗量）

節(jié)能率=（傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗能源的標準煤-分布式供能系統(tǒng)消耗能源的標準煤）/傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗能源的標準煤

若分布式供能系統(tǒng)有剩余電力可供上網發(fā)電，應從分布式供能系統(tǒng)的用電總量中扣除相應的賣電量。

1.8 經濟評價

經濟性評價是投資決策的重要指標。雖然節(jié)能性與經濟性之間有密切的聯(lián)系，但節(jié)能性最優(yōu)化的系統(tǒng)，其經濟性并不一定是最優(yōu)的。在考慮節(jié)能性的同時，如何選擇經濟性最優(yōu)的系統(tǒng)是分布式供能系統(tǒng)設計的關鍵所在。

經濟性評價就是計算傳統(tǒng)系統(tǒng)和分布式供能系統(tǒng)的投資成本與運行成本，然后將兩種系統(tǒng)的成本綜合分析，評價其經濟性。

（1）全年運行成本計算，主要有以下內容：

全年運行成本≈買電電費-賣電電費+燃氣費用+維護費用+人工費用

（2）此公式一般適用于初期規(guī)劃階段

1.9 其它系統(tǒng)在分布式供能軟件中的應用

本軟件還預留了接口，方便今后其它系統(tǒng)的追加，如水蓄冷、熱泵、水源熱泵系統(tǒng)，這些都是比較節(jié)能的系統(tǒng)，將其追加到軟件中，能更加便于設計人員進行系統(tǒng)設計、選擇和比較。

1.10 綜合評價

對計算結果進行匯總和總結，選出系統(tǒng)方案，得出結論。

2 項目案例

根據(jù)以上設計框架為指導思想，由華東建筑設計研究院有限公司和上海華電源信息技術有限公司共同進行了軟件編制和開發(fā)，并將軟件命名為《CHP分布式供能系統(tǒng)分析及評估軟件》，下面以一個實際項目為案例簡單介紹此分布式供能軟件的基本功能。

2.1 項目概況

此項目為五星級高端會展酒店。主要建筑指標如下：

基地面積：27 355.3m2

總建筑面積：145 097m2

建筑高度：北區(qū)西側A塔樓大屋面高度119.8m，東側B塔樓84.69m，南區(qū)裙房24m。

建筑主要功能：兩座高層塔樓的功能為酒店客房，北側裙房主要功能為餐飲、會議和桑拿設施，南側裙房一至二樓為KTV娛樂功能、三樓為大型多功能廳。

酒店對供電和供冷、供熱的要求明確，并根據(jù)各專業(yè)統(tǒng)計的全年8760h負荷清晰的展示了酒店用能特性，并為本三聯(lián)供機房裝機需求的估算提供了可靠的依據(jù)。根據(jù)電、冷、熱負荷曲線，擬建設發(fā)電能力為800kW的分布式供能機房，內設2臺400kW的燃氣內燃發(fā)電機組，內燃機三聯(lián)供電源分兩路并網至2臺低壓變壓器的低壓主母排上；在制冷季將內燃機的缸套水和煙氣接至熱水煙氣型溴化鋰機組，為酒店提供空調冷水，不足部分用電制冷機補充；在其它季節(jié)，用缸套水和煙氣分別加熱系統(tǒng)回水，為酒店采暖和生活熱水提供高溫熱水，不足部分用燃氣鍋爐補充。每臺燃氣內燃機組與余熱設備一一對應。圖2為余熱系統(tǒng)的流程圖。市電網平衡，考慮每天22：00～6：00不開機，用市網電。每年四月份為機組檢修月，五月初至十月底為制冷季，其余季節(jié)為采暖季和過渡季。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，經統(tǒng)計和計算得出的結論見表1～表5。

表1 全年運行情況評估結果

表2 全年系統(tǒng)運營收入

經了解當?shù)氐娜?lián)供用燃氣價格為2.87元/m3，常規(guī)系統(tǒng)用燃氣價格為3.29元/m3，售冷價格為0.205元/kWh，售熱價格為0.367元/kWh，電價均為0.863元/kWh。便于

表3 全年三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣費用支出

表4 全年三聯(lián)供系統(tǒng)收益

表5 污染物排放比較

同時計算得出的此三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能率為30.5%。

2.2 利用CHP分布式供能系統(tǒng)分析及評估軟件對此酒店的三聯(lián)供系統(tǒng)進行分析

2.2.1 軟件運行計算界面

（1）圖3為軟件的主界面，在此界面可輸入項目的基本信息。

（2）圖4為軟件的價格輸入界面，可以同時輸入幾個價格策略。

（3）圖5為軟件的余熱系統(tǒng)繪制界面，并可在此界面雙擊設備，對設備參數(shù)和臺數(shù)進行定義和修改。

（4）圖6為軟件的運行時間設定界面。（5）圖7為軟件的計算運行界面。

（6）圖8為軟件的計算結果輸出表格，在此可調用計算中間結果和最終結果。軟件的最終報告是生成word版本的項目方案書。

2.2.2 計算結論

（1）全年運行情況匯總（見表6）

表6 軟件計算全年運行情況評估結果

（2）全年運行費用統(tǒng)計。常規(guī)系統(tǒng)中，電源需采用市電網，冷源采用電制冷機，熱源采用燃氣鍋爐。按此原則將三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電、余熱制冷制熱量進行價格折算以統(tǒng)計全年運營收入，結果見表7。本三聯(lián)供系統(tǒng)的燃氣費用為支出費用，結果見表8。則采用三聯(lián)供系統(tǒng)后的全年收益見表9。

表7 軟件計算全年系統(tǒng)運營收入

表8 軟件計算全年三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣費用支出

表9 軟件計算全年三聯(lián)供系統(tǒng)收益

（3）節(jié)能指標的計算與分析。與不采用三聯(lián)供系統(tǒng)的方案相比，采用此三聯(lián)供方案后的節(jié)能率為32%。

（4）污染物排放指標的計算與分析。與不采用三聯(lián)供系統(tǒng)的方案相比，采用此三聯(lián)供方案后污染物排放減排率見表10。

表10 軟件計算污染物排放比較

（5）軟件其它功能介紹。此軟件還可自動生成項目分布式能源可行性研究咨詢報告，報告為Word版本，已涵蓋了方案說明、全年運行情況分析、節(jié)能分析、經濟分析和污染物排放指標分析等內容，此報告為開放式的，設計者還可以對報告中的內容進行編輯和補充。以上這些表格中的數(shù)據(jù)均已包含在報告中了，同用最原始的手算數(shù)據(jù)進行比較，基本相符，也驗證了此軟件的正確性。

讓軟件自動生成分布式能源可行性研究咨詢報告，可大大簡化設計人員的工作，提高工作效率，不用再為寫繁瑣的報告而頭疼了。在用軟件進行計算中，還可以同時輸入2個或2個以上的分布式供能方案，用軟件計算后，在報告中可以清晰的看到不同分布式功能方案之間的數(shù)據(jù)比較，以此為依據(jù)選擇一個最優(yōu)方案。

3 結語

從以上的案例可以看出，此分布式供能軟件能大大簡化系統(tǒng)設計難度，提高設計效率，其計算結果也驗證了此軟件的合理有效性，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)也證實了采用分布式供能系統(tǒng)遠優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

然而此軟件開發(fā)還在初期階段，很多功能還有待于進一步深化和調整。目前華東院已在著手整理各種品牌的設備詳細參數(shù)、價格和調研，例如三聯(lián)供系統(tǒng)的自耗電等，使軟件計算更加精準，也使得軟件的數(shù)據(jù)庫更加完善。同時華東院也用了一系列的案例，對軟件進行驗證和調試，希望使得界面更加簡明易懂，操作性更強，便于設計人員的操作和使用。此外還為軟件預留了接口，希望在今后能把其它的一些節(jié)能系統(tǒng)追加到軟件中去，擴展軟件的功能。

希望此分布式供能軟件能為更多設計師使用，為我國分布式供能系統(tǒng)的全國普及做出貢獻。

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[1]CJJ145-2010，燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程[S].2010.

[2]DG/TJ08-115-2008，分布式供能系統(tǒng)工程技術規(guī)程[S].2008.

[3]發(fā)改能源〔2011〕2196號，關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見[S].2011.