太陽能與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)耦合特性分析

楊鎮(zhèn)閣 楊天海 李琦芬 胡慧忠

1.上海電力學院能源與機械工程學院2.上海明華電力技術工程有限公司

太陽能與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)耦合特性分析

楊鎮(zhèn)閣1楊天海2李琦芬1胡慧忠1

1.上海電力學院能源與機械工程學院2.上海明華電力技術工程有限公司

以太陽能與冷熱電聯(lián)供集成系統(tǒng)為研究對象，設計了光伏組件、太陽能集熱器與冷熱電聯(lián)供集成的多能互補系統(tǒng)，構建了以光伏組件與太陽能集熱器的耦合率為特征參量的負荷分析模型，以傳統(tǒng)分供系統(tǒng)為參照對象，提出了節(jié)能減排率作為本系統(tǒng)的評價指標，通過全年逐時供給模式下的“熱跟隨”和“電跟隨”兩種運行策略的研究，結果表明：當聯(lián)供系統(tǒng)按照 “以熱定電”選型運行時，使用光伏組件是太陽能與聯(lián)供系統(tǒng)的最佳耦合方式；當聯(lián)供系統(tǒng)按照“以電定熱”選型運行時，存在最佳的耦合比例。

多能互補；三聯(lián)供；光伏組件；太陽能集熱器；節(jié)能減排率；耦合率

能源消費緊張，節(jié)能形勢嚴峻，環(huán)境污染嚴重，減排壓力上行。近年來，國家大力發(fā)展清潔能源，以期解決上述問題，取得節(jié)能減排的效果。太陽能作為清潔能源的代表已經得到了廣泛的使用，使用光伏組件和太陽能集熱器是最為普遍的用能方式，但太陽能能流密度低、不連續(xù)的特性也限制了其大規(guī)模發(fā)展；冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)以其節(jié)能減排的優(yōu)點一直處于研究熱點；多能互補將清潔能源與冷熱電三聯(lián)供相結合，一方面將清潔能源就地取用，另一方面減小聯(lián)供機組容量，提高了機組的使用效率，是近年來國家大力推行的用能方式[1]。

目前，有關太陽能與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)結合的研究大多集中于運行策略和優(yōu)化設計方面。文獻[2]以經濟、能源和環(huán)境為優(yōu)化目標，對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)不同運行模式之間的調度策略進行了研究。文獻[3]介紹了小型離網(wǎng)型太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的運行策略。文獻[4]研究了太陽能以光伏形式對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行優(yōu)化。文獻[5]研究了太陽能以太陽能集熱器形式對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集成優(yōu)化。文獻[6]以平板換熱器和光伏作為太陽能利用形式，對聯(lián)供系統(tǒng)的配置進行了優(yōu)化。可見，國內外學者分別對太陽能的利用與冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的集成方面都做了大量的研究，但對二者相結合的普適性研究還略顯不足。

本文介紹和分析了太陽能與傳統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)的耦合問題，將光伏組件、太陽能集熱器結合到三聯(lián)供系統(tǒng)當中，共同對需求側供應冷、熱、電，對多種供能模式下的三聯(lián)供系統(tǒng)建立了相應的數(shù)學模型，按照 “以熱定電”和“以電定熱”兩種選型運行方式，一方面分析了機組容量的選取對節(jié)能減排率的影響，另一方面分析了光伏組件與太陽能集熱器不同耦合比例下對節(jié)能減排率的影響。最后結合上海某實例進行分析，針對全年逐時負荷情況，分析了多種能源供給模式下的光伏組件與太陽能集熱器的耦合比例，優(yōu)化了太陽能聯(lián)供機組的容量，對多能互補的進一步發(fā)展提供了有益的參照和借鑒。

1 多能互補的太陽能三聯(lián)供系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構思

多能互補的太陽能三聯(lián)供系統(tǒng)主要由光伏組件、太陽能集熱器和傳統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)組成，系統(tǒng)流程圖如圖 1 所示。

圖1 太陽能與三聯(lián)供的耦合系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，通過燃氣輪機發(fā)電和光伏發(fā)電來供應電力負荷，不足部分通過電網(wǎng)提供，同時充分回收發(fā)電余熱，通過換熱器來采暖和提供生活熱水，與光伏集熱器一起共同承擔負荷，不足熱負荷通過燃氣鍋爐提供，通過吸收式制冷機供應冷負荷，輔以電制冷機增強供應可靠性。為達到最大節(jié)能減排效果，將太陽能的發(fā)電，產熱作為第一優(yōu)先級使用。

1.2 系統(tǒng)運行策略

系統(tǒng)選型、運行策略的選擇很大程度上決定了系統(tǒng)運行性能的優(yōu)劣。當前應用最廣泛的是“以電定熱”和“以熱定電”這兩種策略?！耙噪姸帷鳖櫭剂x，就是根據(jù)電負荷的變化來確定機組的選取容量，然后機組以優(yōu)先滿足電負荷為標準運行，產生的余熱制冷或供應熱負荷，不足部分由燃氣鍋爐提供。“以熱定電”就是將熱負荷作為選型、運行依據(jù)，將熱負荷的供應作為優(yōu)先考慮，產生的電力供應電負荷，不足部分由電網(wǎng)供應。

2 數(shù)學模型

2.1 太陽能系統(tǒng)

光伏組件的發(fā)電量和太陽能集熱器的發(fā)熱量主要取決于采光面積和當?shù)氐妮椪樟?。一旦使用面積確定，其各自的容量也就確定下來，由于實際工程中，可用使用面積是一定的，故二者之間使用存在制約關系。光伏組件，太陽能集熱器的工作功率如式（1）（2）所示：

式中，EPV為光伏組件發(fā)電效率，ESC為光熱轉換效率，HA為傾斜面逐時太陽能輻射量，K1光伏組件的綜合效率系數(shù)，K2為光伏組件耦合率，S為屋頂面積（可用使用面積），T1為光電轉化效率 ，T2為光熱轉換效率。為了便于貼近工程實際應用，根據(jù)《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》[7]GB50797，光伏組件的綜合效率系數(shù)如表1所示。

表1 光伏組件綜合效率系數(shù)表

2.2 三聯(lián)供系統(tǒng)

（1）傳統(tǒng)能源系統(tǒng)

以傳統(tǒng)熱電分供系統(tǒng)作為參照系統(tǒng)，由此，對于給定建筑，其年一次能源消費量如式（3）所示：

式中，F(xiàn)t為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)年一次能源消耗總量，ηgrid為電網(wǎng)供電效率,COPec為電制冷效率，ηb為鍋爐熱轉換效率，EE為電負荷，EC為冷負荷，EH為熱負荷，i為第i小時。

根據(jù)上述計算得到了一次能源消費量，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的年CO2排放量可由式（4）計算。

式中，Ct為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)年CO2排放量，Tgrid為電廠碳排放系數(shù)，F(xiàn)b為燃氣鍋爐耗能量，Tgas為天然氣碳排放系數(shù)。

（2）太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

在太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，將給定建筑群作為一個整體考慮，根據(jù)前述整個系統(tǒng)運行策略，計算其年一次能源消費量，主要包括電網(wǎng)購電所折算一次能源消費量，以及原動機和燃氣鍋爐所消耗燃氣量，如式（5）所示：

表2 系統(tǒng)技術參數(shù)設定

式中，F(xiàn)SC為系統(tǒng)年一次能源消費總量，為 時刻電網(wǎng)購電量，光伏i時刻發(fā)電量，為原動機發(fā)電量，為原動機逐時發(fā)電效率，為天然氣鍋爐逐時供熱量，i 為太陽能集熱器i時刻集熱量。

對于太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其年CO2排放量可由式（6）求得。

式中，CSC太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)溫室氣體排放量。

表2為本文分析所涉及的相關設備技術參數(shù)。

需要指出的是，本文考慮了原動機在部分負荷變工況運行時，發(fā)電效率和余熱回收效率會發(fā)生變化，在容量相近的機組之間存在相近的特性。根據(jù)文獻[8]查得不同負載率下燃氣發(fā)電機組的發(fā)電效率和熱回收效率可計算如下：

2.3 系統(tǒng)評價指標

由于太陽能的不連續(xù)性，為了更好地揭示節(jié)能效果，直觀地表現(xiàn)評價指標，本文使用全年相對節(jié)能率ESR（Energy saving ratio）和全年相對減排率COR（emission reduction ratio）作為評價準則，并以此為基礎，提出節(jié)能減排率EC（Energy conservation and emission reduction ratio）：

圖2 原動機發(fā)電、熱回收效率隨機組負載率的變化曲線

式中，EC值越小，說明太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對于分產系統(tǒng)的整體效益越好。本文選取原動機額定功率和光伏組件耦合面積為優(yōu)化變量。

3 實例分析

本項目的全年負荷預測采用由清華大學開發(fā)的DeST軟件進行，本項目設計日負荷采用華電源HDY-SMAD空調負荷計算軟件進行計算。其中住宅建筑設為13層，建筑面積2 334m2；辦公建筑亦為13層，建筑面積7156 m2。建筑的外墻、樓板和屋面均為鋼筋混凝土結構，內墻為普通磚，外窗均為鍍low-e膜中空玻璃。所有功能房間夏季室內溫度設定為26℃,冬季室內溫度設定為20℃。通過確定室內環(huán)境控制參數(shù)、室內熱擾參數(shù)、維護結構參數(shù)，模擬得到建筑的全年逐時負荷，

其年負荷統(tǒng)計如表3所示。

表3 全年負荷概況

圖3 全年逐時熱負荷圖

圖4 全年逐時電負荷

圖5 “以熱定電”模式下太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化曲線

圖6 “以電定熱”模式下太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化曲線

本項目進行了全年8 760 h的逐時空調冷負荷、空調熱負荷及電負荷計算。供冷時取同時使用系數(shù)為0.7，供熱時取同時使用系數(shù)為0.65。全年空調逐時熱負荷如圖3所示，全年逐時電負荷如圖4所示。

將分供系統(tǒng)和太陽能聯(lián)供系統(tǒng)分別用于該建筑，由上述數(shù)據(jù)和公式得到優(yōu)化結果。兩種運行策略下太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的綜合性能優(yōu)化過程曲線如圖 5、6所示。從圖中可知，圖中目標函數(shù)多數(shù)為正值，這說明無論采用哪種運行模式，太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的性能都要優(yōu)于分供系統(tǒng)。對于“以熱定電”策略來說，最優(yōu)光伏耦合比例為100%， 這表明此時全部太陽能都用于發(fā)電，節(jié)能效果最好，原動機的最佳容量是350 kW。在“以電定熱”模式中，太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能減排特性隨著光伏耦合比例的增加逐漸達到峰值，之后開始回落，最優(yōu)光伏耦合比例為84%，大部分太陽能用于發(fā)電，少部分用于制熱。當隨著機組容量的增大，節(jié)能減排率表現(xiàn)出較強的波動性，機組容量達到161 kW之后，節(jié)能減排率開始整體性下降。

兩種模式下效果迥異的原因是負荷特征所導致的。分析圖3，圖4可知，全年熱負荷均值要高于電負荷，并表現(xiàn)出強烈的波動性，而電負荷則相對平穩(wěn)。在“以熱定電”模式下，優(yōu)先考慮熱負荷的供應，導致電出力不足，故需要光伏發(fā)電作為補充；在“以電定熱”模式下，需要以電負荷作為出力指標，當原動機組容量小于電負荷峰值時，需要電網(wǎng)輸電補充，故提高光伏耦合比例會快速提高節(jié)能減排效果，節(jié)能減排曲線出現(xiàn)較強變化，先急劇上升，當接近峰值后趨于平穩(wěn)，此時電負荷基本滿足，加裝太陽能集熱器補充熱負荷才是最佳的選擇。

4 結論

本文設計了集成太陽能利用的三聯(lián)供系統(tǒng)，對需求側供應冷、熱、電三種產品。以上海某實例分析，按8 760 h/a為分析周期，與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)作比較，同時進一步比較采用不同法方法下了機組的容量選擇，得出以下結論：

（1）太陽能聯(lián)供系統(tǒng)無論采用哪種運行模式，其能源和環(huán)境效益都要優(yōu)于分供系統(tǒng)；

（2）太陽能與聯(lián)供系統(tǒng)的集成存在最佳的組合方式；在“以熱定電”模式下，適合全部以光伏形式進行集成，聯(lián)供機組的最佳容量為350 kW；在“以電定熱”模式下，光伏的最佳耦合比例為84%，對應聯(lián)供機組的最佳裝機容量為161kW。

太陽能與聯(lián)供系統(tǒng)相結合，為解決當前聯(lián)供系統(tǒng)效率不高的問題給出了新的思路，光伏與太陽能集熱器合適的耦合比例會產生更好的節(jié)能減排效果，同時，傳統(tǒng)的機組選型方法和運行策略都要針對需求側的負荷特征重做考慮，以提高整個系統(tǒng)的節(jié)能性。

1國家發(fā)展改革委. 《國家能源局關于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見》. 發(fā)改能源[2016]1430號.2016.7.4

China national development and reform commission, the implementation of the national energy administration's implementation of the implementation of the multi-energy complementary integration optimization demonstration project, and the implementation of the energy reform (2016) 1430

2荊有印,白 鶴,等. 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標優(yōu)化設計與運行策略分析[J]. 中國電機工程學報,2012,(20):82-87+143.

Jing Youyin,Bai He, et al.The multi-objective optimization design and operation strategy analysis of [J]. Chinese Journal of Electrical Engineering 2012 (20): 82-87+143.

3張 云,范 江. 小型離網(wǎng)太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J]. 煤炭技術,2015,34(08):310-312. [2017-08-23]. DOI：10.13301/j.cnki.ct.2015.08.121.

Zhang Yun, fan Jiang. Optimum design of a small off grid solar energy

CCHP system [J]. coal technology, 2015,34 (08): 310-312. [2017-08-23].DOI:10.13301/j.cnki.ct.2015.08.121.

4吳紅斌,王東旭,等. 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的策略評估和優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,(21):46-51.

Wu Hongbin, Wang Dongxu, et al. Strategy evaluation and optimal allocation of solar cooling and heating combined system [J]. automation of electric power systems, 2015, (21): 46-51.

5 蔣潤花,蔡睿賢,等. 太陽能與冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)集成[J]. 工程熱物理學報,2009,30(05):721-724. [2017-09-25].

Jiang Runhua, Cai Ruixian, et al. Integration of solar energy and CCHP system [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009,30 (05): 721-724.[2017-09-25].

6 Annamaria Buonomano, Francesco Calise.Solar heating and cooling systems by absorption and adsorption chillers driven by stationary and concentrating photovoltaic_thermal solar collectors_ Modelling and simulation,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 81, Part 1,January 2018, Pages 1112-1146.

7 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB 50797-2012, 光伏發(fā)電站設計規(guī)范[S]. (CNGB),2012.

China Federation of power enterprises.GB 50797-2012, photovoltaic power station design specification [S]. (CN-GB), 2012.

8 Yasuhiro Higuchi, Ryo Nakayama, et al. Environmental evaluation of a combined system composed of micro grid and district heating and cooling[J]. Transactions of the JSME, 2015, 81(827):161-177 (in Japanese).

黃浦區(qū)節(jié)能降碳工作獲市節(jié)能降碳考核組好評

近日，上海市節(jié)能降碳目標責任評價考核組到黃浦區(qū)開展年度節(jié)能降碳工作考核。

市考核組通過走訪、查閱了12大類、100余份節(jié)能工作材料，充分肯定了黃浦區(qū)的節(jié)能工作，認為黃浦區(qū)節(jié)能工作有4大亮點：（1）節(jié)能降碳評價考核機制健全、落實到位。（2）試點示范全面推進。（3）增加資金投入，強化能力建設。（4）開展節(jié)能低碳項目國際合作。

黃浦區(qū)需求側管理示范項目被國家發(fā)改委列為中美合作項目。開展北京東路地區(qū)、臺灣路等慢行交通國際合作研究。

Characteristics Analysis of Solar Power and CCHP Coupling System

Yang Zhenge1, Yang Tianhai2, Li Qifeng1, Hu Huizhong1
1.Shanghai Electrical Power University Energy and Mechanical Engineering College 2.Shanghai Minghua Electrical Power Technology Engineering Co.，Ltd

The author chooses solar power and CCHP integration system as research object and designs photovoltaic module and solar collector with CCHP integrated multi-energy complementary system and constructs load analysis model with photovoltaic module and solar collector coupling rate as characteristics parameter. The article selects traditional CCHP as reference object and puts forward energy saving and emission reducing rate as system evaluation index. Through ‘thermal following’ and ‘electric following’ operation strategy research under the condition of annual hourly supply model, the results show that using photovoltaic module is the best coupling method for solar power with CCHP system when system chooses ‘electric counts on thermal’ operation. There is the best coupling proportion when CCHP chooses ‘thermal counts on electric’ operation.

Multi-Energy Complementary, CCHP, Photovoltaic Module, Solar Collector, Energy Saving and Emission Reducing Rate, Coupling Rate

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.005

楊鎮(zhèn)閣：（1992-），男，碩士研究生，研究方向：分布式能源及多能互補技術。

楊天海（1969-），男，高級工程師。

（區(qū)發(fā)改委）