燃?xì)馊?lián)供—熱泵容量優(yōu)化匹配分析方法

何桂雄, 黃子碩, 閆華光, 彭震偉, 于 航, 楊 柯

(1. 電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192; 2. 高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 同濟(jì)大學(xué), 上海市 200092; 3. 上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司, 上海市 200092)

0 引言

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供—熱泵(CCHP-HP)耦合系統(tǒng)由燃?xì)饫錈犭娙?lián)供與水源熱泵、土壤源熱泵及空氣源熱泵中的一種或多種熱泵耦合而成,是一種較為典型的分布式供能系統(tǒng)。確定燃?xì)饫錈犭娙?lián)供和熱泵的最佳匹配容量是該類綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵。下文中燃?xì)馊?lián)供均指燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，用CCHP表示。

建立能源系統(tǒng)仿真模型,通過模擬優(yōu)化得到三聯(lián)供、熱泵等各類設(shè)備的最佳設(shè)計(jì)容量是當(dāng)前的慣用做法[1]。Moussawi等對三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了分類,對其能效進(jìn)行了評估,并匯總了常見的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及配置方案選擇方法[2]。Eugenia等對相鄰建筑區(qū)域的熱和電力生產(chǎn)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行建模,得到了區(qū)域建筑間能源交換種類、交換量以及能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的型號(hào)與數(shù)量[3]。Van den Hil結(jié)合荷蘭代爾夫特市某一案例構(gòu)建了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型,探討社區(qū)綜合能源系統(tǒng)在提高能源自治、減少碳排放及降低用能成本方面的優(yōu)勢[4]。Li等建立了一個(gè)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)仿真模型以評估其可靠性[5]。Chauhan等考慮需求側(cè)響應(yīng),對一個(gè)可再生能源與化石能源互補(bǔ)利用的社區(qū)能源系統(tǒng)中各供能設(shè)備的容量進(jìn)行了優(yōu)化[6]。Mendes[7]和Huang[8]等對用于綜合能源系統(tǒng)綜合優(yōu)化的模型和工具DER-CAM、EAM、MARKAL/TIMES和RETScreen等進(jìn)行了總結(jié)和討論,指出了這些模型各自的特點(diǎn)和適用對象。王成山等提出了一種綜合能源網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度建模方法[9]。黃子碩等將區(qū)域建筑群的供用能系統(tǒng)視為一個(gè)總能系統(tǒng)并構(gòu)建了系統(tǒng)模型,對多建筑的冷熱電生產(chǎn)和分配系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化,得到不同能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的配置容量和冷熱交易量[10]。曾蓉利用遺傳算法對地源熱泵和CCHP耦合系統(tǒng)進(jìn)行了建模優(yōu)化[11]。楊中源等研究了負(fù)荷特征、購電價(jià)格、天然氣價(jià)格及熱電聯(lián)產(chǎn)效率與CCHP系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略的關(guān)系[12]。

綜合能源系統(tǒng)方案涉及燃?xì)夤尽㈦娏炯坝脩舻榷喾嚼?使各利益相關(guān)方能夠深度參與方案構(gòu)建對于綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的落地實(shí)施具有積極意義。信息透明和共享是各方協(xié)調(diào)合作的前提,對于綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行而言,其優(yōu)化的過程和結(jié)果同樣重要。當(dāng)前研究集中在對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化方面,這些模型通過計(jì)算機(jī)搜索算法,可輸出給定條件下綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)配置。但優(yōu)化過程的不可見性使得各利益相關(guān)方難以了解到最優(yōu)解產(chǎn)生的原因,不能根據(jù)情況的變化調(diào)整自身策略。

為此,本文提出基于各設(shè)備年等效滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)的變化和考察期內(nèi)凈現(xiàn)值計(jì)算確定CCHP-HP系統(tǒng)最佳配置方案的方法。該方法通過理論解析法將最優(yōu)方案產(chǎn)生的過程進(jìn)行呈現(xiàn),為各個(gè)規(guī)劃參與者的規(guī)劃決策提供更為詳盡的信息。

1 CCHP和HP的單位凈現(xiàn)值計(jì)算

為考察各類熱泵和燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)在整個(gè)壽命周期(以20年為例)內(nèi)的投入產(chǎn)出,本節(jié)給出HP和CCHP單位裝機(jī)容量下的凈現(xiàn)值計(jì)算式。CCHP包括由原動(dòng)機(jī)、吸收式制冷機(jī)及余熱鍋爐等附屬設(shè)施組合而成一整套完整的冷、熱、電三聯(lián)供子系統(tǒng);HP是指一整套完整的供冷供熱子系統(tǒng),包括制冷制熱主機(jī)及配套的水冷或風(fēng)冷式冷卻塔(器)等。

在單位供能功率下CCHP系統(tǒng)20年的凈現(xiàn)值可由式(1)計(jì)算:

(1)

式中:vTG為CCHP系統(tǒng)單位供能功率下核算周期k=20年的凈現(xiàn)值;Ce為售電價(jià)格;Ch為售熱價(jià)格;Cc為售冷價(jià)格;Cf為燃?xì)鈨r(jià)格;ηTG,e為CCHP的發(fā)電效率;th,tc分別為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年等效滿負(fù)荷供熱、供冷時(shí)長;CTG′為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單位裝機(jī)的年均維護(hù)費(fèi)用;CTG為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單位裝機(jī)成本;年貼現(xiàn)率為d;本文計(jì)算中假設(shè)系統(tǒng)實(shí)際裝機(jī)容量為供能容量的1.4倍,設(shè)CCHP系統(tǒng)的熱電比為1。

空氣源熱泵(AHP)單位供能功率下20年的凈現(xiàn)值vAHP可由式(2)計(jì)算:

1.4CAHP

(2)

式中:PAHP,EAHP分別為空氣源熱泵制熱、制冷時(shí)的能效;CAHP為空氣源熱泵系統(tǒng)單位裝機(jī)成本;空氣源熱泵年維護(hù)成本忽略不計(jì)。

水源/土壤源熱泵(WHP)單位供能功率下20年的凈現(xiàn)值vWHP可由式(3)計(jì)算:

(3)

式中：PWHP,EWHP分別為水源熱泵制冷、制熱時(shí)的能效;CWHP′為水源熱泵系統(tǒng)單位裝機(jī)年均維護(hù)費(fèi)用;CWHP為水源熱泵系統(tǒng)單位裝機(jī)成本。

2 CCHP-HP年等效滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)分析

假設(shè)CCHP和HP總的裝機(jī)容量需滿足項(xiàng)目的冷熱需求,且在各運(yùn)行時(shí)段(峰、谷、供冷、供熱)供能收益最大者優(yōu)先開機(jī)運(yùn)行?；谝陨蟽牲c(diǎn)假設(shè),在給定年逐時(shí)冷熱負(fù)荷和能源價(jià)格數(shù)據(jù)時(shí),可以得到不同CCHP裝機(jī)容量下CCHP和HP各自的年等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)及相應(yīng)的凈現(xiàn)值。該方法的思路如圖1所示,具體步驟如下。

圖1 基于運(yùn)行時(shí)數(shù)分析的燃?xì)馊?lián)供-熱泵容量優(yōu)化匹配方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of analytical method for CCHP-HP capacity matching optimization based on service hour analysis

步驟1：計(jì)算供能對象全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷值,找出最小負(fù)荷值,并按照設(shè)計(jì)規(guī)范確定供能系統(tǒng)的總裝機(jī)容量。

步驟2：按照冷負(fù)荷、熱負(fù)荷及電價(jià)峰谷時(shí)段,分別統(tǒng)計(jì)冷、熱負(fù)荷在峰谷時(shí)段各負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的負(fù)荷值出現(xiàn)的小時(shí)數(shù),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見附錄A表 A1。

步驟3：根據(jù)設(shè)備初投資、設(shè)備能效、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)、購買電力和燃?xì)獾膬r(jià)格、供冷供熱供電價(jià)格,以年等效滿負(fù)荷供能小時(shí)數(shù)為變量,得到單位裝機(jī)容量下CCHP和HP系統(tǒng)在某一核算周期內(nèi)單位裝機(jī)容量的凈現(xiàn)值計(jì)算公式,如式(1)至式(3)所示。

步驟4：根據(jù)購買電力和燃?xì)獾膬r(jià)格,分別計(jì)算CCHP和HP系統(tǒng)峰谷時(shí)段供冷、供熱、供電的單位供能收益(不計(jì)初投資,僅計(jì)運(yùn)行收益)。

步驟5：假定CCHP和HP分別按照D0設(shè)定基準(zhǔn)裝機(jī)容量,基于峰谷時(shí)段單位供能收益較高的設(shè)備優(yōu)先開機(jī)運(yùn)行的原則,確定CCHP和HP年可能的滿負(fù)荷供能小時(shí)數(shù)。

某供能設(shè)備等效滿負(fù)荷在各運(yùn)行時(shí)段內(nèi)某一負(fù)荷區(qū)間(Di,Di+1)內(nèi)等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中:ti為各運(yùn)行時(shí)段內(nèi)某一負(fù)荷區(qū)間包含的小時(shí)數(shù);P′為其他供能子系統(tǒng)在該時(shí)段內(nèi)承擔(dān)的供能負(fù)荷;ti′為其他供能子系統(tǒng)在該時(shí)段內(nèi)供能小時(shí)數(shù);P為某一供能子系統(tǒng)的理論裝機(jī)容量。

步驟6：比較基準(zhǔn)裝機(jī)容量(D0)時(shí)vTG和vAHP的大小,若vTG≤vAHP,則本系統(tǒng)中CCHP越小越好,或者不配置CCHP;若vTG>vAHP,則分析CCHP裝機(jī)容量大于D0時(shí)的情況。

步驟7：若CCHP在基準(zhǔn)裝機(jī)容量(D0)時(shí)凈現(xiàn)值仍低于HP,則從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)本系統(tǒng)不宜安裝CCHP。

步驟8：若CCHP在基準(zhǔn)裝機(jī)容量(D0)時(shí)凈現(xiàn)值較大,按照負(fù)荷區(qū)間間隔依次增加CCHP的裝機(jī)容量,計(jì)算CCHP在不同裝機(jī)容量下CCHP和HP對應(yīng)的等效滿負(fù)荷工作小時(shí)數(shù),進(jìn)而計(jì)算得到CCHP和HP的凈現(xiàn)值,兩者相加得到系統(tǒng)總的凈現(xiàn)值,選擇凈現(xiàn)值最大的作為系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

由于供冷供熱負(fù)荷的波動(dòng)性,在部分時(shí)段供冷供熱系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)利用率較低的問題。該方法從燃?xì)馊?lián)供和熱泵系統(tǒng)可能達(dá)到的年等效滿負(fù)荷供能小時(shí)數(shù)出發(fā),按照經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的目標(biāo),優(yōu)化熱泵設(shè)備和熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的容量配置,通過提高初投資較高的設(shè)備的年利用率,相應(yīng)地減少初投資較低設(shè)備的年利用率,提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1項(xiàng)目負(fù)荷

選取的項(xiàng)目位于上海某商務(wù)區(qū),總建筑面積為9.2×105m2,包括酒店、商業(yè)、辦公及部分居住建筑。經(jīng)過模擬分析和項(xiàng)目調(diào)研,確定冷、熱負(fù)荷分布如表1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范確定該項(xiàng)目供冷、供熱裝機(jī)容量為73 MW。

表1 項(xiàng)目冷熱負(fù)荷分布Table 1 Heating and cooling load

3.1.2經(jīng)濟(jì)與能效數(shù)據(jù)

各類供能系統(tǒng)的能效值按照附錄A表A2選取。項(xiàng)目能源價(jià)格分別為Ce=1.02元/(kW·h),Ce′=0.49元/(kW·h),Cf=0.24元/(kW·h),Ch=Cc=0.4元/(kW·h),并假設(shè)每年的供能時(shí)長相等,則可得到各個(gè)供能時(shí)段各類供能子系統(tǒng)的供能收益,見附錄A表A3。

3.2 不同情景下經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案

3.2.1基礎(chǔ)容量 CCHP與WHP選擇的判斷依據(jù)

本項(xiàng)目的基準(zhǔn)負(fù)荷是38 MW,即某類供能技術(shù)裝機(jī)容量小于等于該值時(shí),該供能子系統(tǒng)分別在各個(gè)供能區(qū)段(峰、谷、供冷供熱)開機(jī)時(shí)長最大。由vTG-vWHP≥0有

2Ce-6.15Cf+Ce′≥0.74

(5)

當(dāng)Ce=1.02元/(kW·h),Ce′=0.49元/(kW·h)時(shí),CCHP具有競爭力時(shí)燃?xì)鈨r(jià)格Cf應(yīng)小于0.291 1元/(kW·h),本項(xiàng)目的燃?xì)鈨r(jià)格滿足式(5),從經(jīng)濟(jì)回報(bào)角度看基礎(chǔ)負(fù)荷可采用CCHP系統(tǒng)。

3.2.2燃?xì)馊?lián)供容量確定

從附錄A表A4和表A5可以看出,在當(dāng)前價(jià)格體系下,峰時(shí)供冷供熱及谷時(shí)供熱,CCHP系統(tǒng)均具有較好的收益,在這些時(shí)段應(yīng)優(yōu)先保證CCHP系統(tǒng)開機(jī)。谷時(shí)供冷時(shí),WHP系統(tǒng)供能成本最低,該時(shí)段應(yīng)優(yōu)先保證WHP系統(tǒng)開機(jī)。根據(jù)以上原則得到開機(jī)順序如下:

1)峰時(shí)供冷供熱及谷時(shí)供熱,在該時(shí)段CCHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出CCHP裝機(jī)容量時(shí),采用WHP系統(tǒng)補(bǔ)充供能。

2)谷時(shí)供冷,在該時(shí)段WHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出HP裝機(jī)容量時(shí),采用CCHP系統(tǒng)補(bǔ)充供能。

按照上述原則得到CCHP和WHP在CCHP不同裝機(jī)容量時(shí)的等效滿負(fù)荷供能小時(shí)數(shù)及單位裝機(jī)的凈現(xiàn)值v和子系統(tǒng)的凈現(xiàn)值V,見附錄 A表A4和表 A5所示。

系統(tǒng)總的凈現(xiàn)值V通過式(6)計(jì)算。

V=PTGvTG+(73-PTG)vWHP

(6)

式中：PTG為燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的裝機(jī)容量。

計(jì)算得到不同燃?xì)馊?lián)供理論裝機(jī)容量時(shí)項(xiàng)目總的凈現(xiàn)值V如圖2所示,在燃?xì)馊?lián)供理論裝機(jī)容量為53 MW時(shí),V最大值為46 173.024萬元。

3.2.3各類熱泵容量確定

CCHP系統(tǒng)裝機(jī)容量為53 MW時(shí),在WHP滿足余下負(fù)荷的情況下,由于運(yùn)行小時(shí)數(shù)的不足,WHP子系統(tǒng)部分容量的凈現(xiàn)值為負(fù)?？紤]AHP系統(tǒng)初投資較小,可通過對AHP的應(yīng)用來增加熱泵子系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此,所探討的WHP和AHP組合方案滿足20 MW的負(fù)荷需求。

圖2 CCHP不同裝機(jī)容量下V變化圖Fig.2 V when CCHP has different installed capacities

根據(jù)以上原則得到開機(jī)順序如下:

1)峰時(shí)供冷供熱及谷時(shí)供熱,在該時(shí)段由CCHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出CCHP裝機(jī)容量時(shí),WHP系統(tǒng)補(bǔ)充供能,最后由AHP系統(tǒng)供能。

2)谷時(shí)供冷,在該時(shí)段由WHP優(yōu)先供能,冷熱負(fù)荷超出WHP裝機(jī)容量時(shí),采用CCHP系統(tǒng)補(bǔ)充供能,最后由AHP供能。

CCHP系統(tǒng)裝機(jī)容量為53 MW時(shí),改變WHP和AHP系統(tǒng)匹配容量,可得到整個(gè)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及系統(tǒng)總凈現(xiàn)值V,計(jì)算結(jié)果如附錄A表A6和表A7所示。

從表2可以看出,隨著AHP的引入,由于任何時(shí)段CCHP的供能收益都大于AHP,其等效滿負(fù)荷供能小時(shí)數(shù)將增加。

表2 WHP不同裝機(jī)容量下相應(yīng)的CCHP等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)、v及V(CCHP為53 MW)Table 2 Annually equivalent full capacity service hour, v and V of CCHP when WHP has different capacities (CCHP is 53 MW)

如圖3所示,CCHP在電價(jià)較高時(shí)供能成本低于熱泵,但是其初投資遠(yuǎn)大于熱泵系統(tǒng),在設(shè)備利用小時(shí)數(shù)較低時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差。因此,案例項(xiàng)目的最佳配置為CCHP子系統(tǒng)取53 MW,WHP子系統(tǒng)取5 MW,AHP子系統(tǒng)取15 MW,此時(shí)項(xiàng)目總凈現(xiàn)值V為48 286.171萬元,比不采用AHP時(shí)提高了2 113.147萬元。

圖3 WHP不同容量下各子系統(tǒng)及V變化(CCHP為53 MW)Fig.3 V when WHP has different installed capacities (CCHP is 53 MW)

4 結(jié)語

本文介紹了一種通過解析法分析確定CCHP-HP最佳匹配容量的方法。該方法遵循的基本原則是由初投資和運(yùn)維成本相對較低而運(yùn)行收益較差的子系統(tǒng)承擔(dān)峰值負(fù)荷,由初投資及運(yùn)維成本較高而運(yùn)行收益較好的子系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的供能任務(wù),以改善項(xiàng)目投資回報(bào)。研究得到如下結(jié)論。

1)相較于借助于計(jì)算機(jī)搜索尋優(yōu)的模型優(yōu)化法,解析法將最優(yōu)解產(chǎn)生的過程予以呈現(xiàn)?？紤]到在多方參與項(xiàng)目方案決策時(shí),支撐決策的最優(yōu)化過程和最優(yōu)化結(jié)果同樣重要,本研究提出的解析法有助于各方明晰最優(yōu)結(jié)果產(chǎn)生的具體過程,從而掌握各個(gè)相關(guān)因素與最優(yōu)化結(jié)果間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,幫助提升協(xié)作效率。

2)在園區(qū)級綜合能源項(xiàng)目中,燃?xì)夂碗娏κ墙K端用戶采購的最為主要的兩種能源,而CCHP-HP最終的配置容量可視為兩種能源競爭結(jié)果的體現(xiàn)。借助于案例分析可以發(fā)現(xiàn),項(xiàng)目負(fù)荷特征對于系統(tǒng)的配置具有重要影響。燃?xì)馊?lián)供分布式能源項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性既受到能源價(jià)格的影響,又受項(xiàng)目負(fù)荷特征的制約。對于給定的能源價(jià)格體系,燃?xì)夂碗娏Φ南鄬Ω偁巸?yōu)勢在不同項(xiàng)目上存在差異性。

由于蓄能系統(tǒng)的蓄能和釋能時(shí)段具備靈活性特征,本文研究暫未將蓄能系統(tǒng)運(yùn)行納入。如何對含蓄能系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)的配置過程進(jìn)行解析分析仍需進(jìn)一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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