緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行策略及性能分析

馬漢

中南大學能源科學與工程學院

0 引言

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有能源綜合利用效率高， 排放低， 環(huán)境和經(jīng)濟效益好等優(yōu)點， 近年來得到了快速發(fā)展。如何提高系統(tǒng)能源效率， 供能穩(wěn)定性和運行經(jīng)濟性是冷熱電聯(lián)供領域研究的主要方向。蓄能技術可以有效緩解冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和建筑用戶間能量供需不平衡， 減少裝機容量， 提高系統(tǒng)運行效率和供能穩(wěn)定性，獲得了廣泛應用和研究。水蓄能是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可行的蓄能技術形式之一， 其具備可以蓄冷和蓄熱，吸收式和常規(guī)制冷設備均可使用， 技術要求低和維修方便等特點。然而，關于新型水蓄能裝置及其在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的應用研究仍不充分。

本文提出了以緩沖水蓄能(冷、 熱)模塊為蓄能設備的緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。采用 “以熱定電” 方式選擇系統(tǒng)配置， 分析了緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和無水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供運行策略?；诶錈犭娐?lián)供運行策略， 對緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源， 環(huán)境和運行經(jīng)濟性指標 [1] 進行對比分析。

1 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由聯(lián)供模塊和緩沖水蓄能模塊組成， 如圖1。

圖1 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

聯(lián)供模塊由燃氣發(fā)電機組 （PGU）， 煙氣型雙效吸收式一體化機組 （AM）， 燃氣熱水鍋爐 （GB）， 電制冷機組 （EC）， 電控制柜和相關管線等組成。聯(lián)供模塊運行時， 燃氣發(fā)電機組消耗天然氣發(fā)電， 排放的高溫煙氣驅動煙氣型吸收式一體化機組制冷或制熱。電制冷機組、 燃氣熱水鍋爐作為輔助制冷和制熱設備。電控制柜根據(jù)燃氣發(fā)電機組發(fā)電量和建筑用戶電負荷變化，通過向公共電網(wǎng)購電和售電方式， 實時調節(jié)聯(lián)供模塊供電量以滿足建筑用戶用電需求。

緩沖水蓄能模塊由蓄能水箱 （ST1～STn）， 緩沖水蓄能水箱 （ST g ，ST h ）， 水泵， 閥門和連接管路等組成。 蓄能（冷或熱）過程為依次將 ST2～STn中存儲回水經(jīng)聯(lián)供模塊獲取能量轉化為冷凍水或供暖熱水蓄存到 ST 1 ～STn-1中，而釋能過程則是依次將 ST n-1 ～ST1中蓄存冷凍水或供暖熱水經(jīng)建筑用戶釋能轉化為回水存儲到ST1～STn-1中。在 STg和STh的緩沖作用下， 緩沖水蓄能模塊可以實現(xiàn)蓄， 釋能狀態(tài)延時平穩(wěn)轉換和無極蓄存或補充聯(lián)供模塊與建筑用戶間動態(tài)不匹配冷熱量，增強了聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 數(shù)學方法

為簡化計算， 提出以下假設：

1） 忽略氣象環(huán)境條件變化對設備性能的影響。

2） 蓄能水箱采用有效保溫措施， 散熱量忽略不計，且內(nèi)部水溫分布均勻。

3） 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組變工況的計算參考王曉紅等[2]， 煙氣型雙效吸收式一體化機組變工況計算參考鄭劍橋等 [3] 和陳強等 [4] ， 電制冷機組參考王嘉等 [5] 。

2.1 運行計算及能耗分析

基于燃氣發(fā)電機組、 煙氣型吸收式一體化機組、 緩沖水蓄能模塊、 電制冷機組、 燃氣熱水鍋爐可行性組合， 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)逐小時供冷， 供熱和供電運行計算方法如式 （1）、 式 （2） 和式 （3） 所示。

式中：Qusers_c、Qusers_h分別為建筑用戶冷負荷和熱負荷，kWh；Q AM_c、QAM_h分別為煙氣型雙效吸收式一體化機組制冷量和制熱量，kWh；Qst_c、Qst_h分別為緩沖水蓄能模塊已蓄存冷量和熱量， kWh，上標 -1 代表上一小時；Q st_cs、Qst_cr分別為緩沖水蓄能模塊蓄冷量和釋放冷量，kWh；Q st_hs、Qst_hr分別為緩沖水蓄能模塊蓄熱量和釋放熱量，kWh；QCCHP_c、QCCHP_h分別為緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)制冷量和制熱量， kWh；QEC為電制冷機組制冷量，kWh；QGB為燃氣熱水鍋爐制熱量，kWh；Eusers為建筑用戶電負荷， kWh；EPGU為燃氣發(fā)電機組發(fā)電量，kWh；ES為向公共電網(wǎng)售電量，kWh；Egrid為從公共電網(wǎng)購電量， kWh。

緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)耗氣量（m3）、 耗電量（kWh） 計算方法如式 （4） 和 （5） 所示。

式中：FPGU、FGB分別為燃氣發(fā)電機組和燃氣熱水鍋爐耗氣量，m3；ηPGU為燃氣發(fā)電機組發(fā)電效率；ηGB為燃氣熱水鍋爐熱效率；HLng為天然氣低位熱值，kJ/m3；COPEC為電制冷機組制冷效率。

無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基于設備全工況模型的供冷、 供熱和供電運行計算方法即在式 （1）， 式 （2） 和式（3） 中去除蓄能相關項。常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)供冷、 供熱和供電運行計算方法則是在式 （1）， 式 （2） 和式 （3） 中去除蓄能、 燃氣發(fā)電機組和煙氣型雙效吸收式一體化機組等相關項。無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)耗氣量和耗電量計算方法與緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相同。

2.2 評價指標

常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)耗電量Esp，一次能源消耗PEsp， 二氧化碳排放當量CE sp，運行費用OCsp計算方法如式（6）， 式 （7）， 式 （8） 和式 （9） 所示。

式中：ηgrid為公共電網(wǎng)綜合效率；pecrelec為電力一次能源轉換系數(shù)；cerelec為電力二氧化碳當量系數(shù)，g/kWh；pelec為電價， 元 /kWh。

無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)一次能源消耗PECCHP、一次能源節(jié)約率PERR計算方法如式（10） 和式 （11） 所示； 二氧化碳排放量CE CCHP、 二氧化碳當量減少率CERR的計算方法如式 （12） 和式 （13） 所示； 運行費用OC CCHP、 運行費用節(jié)省率OCRR計算方法如式 （14） 和式 （15） 所示[1]。

其中，pecrng是天然氣一次能源轉換系數(shù)。

其中，cerng為天然氣二氧化碳當量系數(shù)，g/kWh。

其中，png為天然氣價格，元 /kWh；ps_elec為上網(wǎng)售電電價，元 /kWh。

3 案例研究

3.1 案例描述

本文以某飯店建筑為分析對象， 其設計工況最大冷負荷為872 kW， 最大熱負荷為510 kW， 最大電負荷375 kW， 夏季供冷期和冬季供暖期各120 天。圖 2 為該飯店季典型日冷， 電負荷及冬季典型日熱， 電負荷。飯店緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用圖 1 組織結構。夏季供冷時， 閥門②、 ④、 ⑦關閉， 煙氣型吸收式一體化機組和電制冷機組聯(lián)合供冷， 緩沖水蓄能模塊蓄存或補充聯(lián)供模塊相比建筑用戶冷負荷供冷剩余或不足的冷量。 冬季供暖時， 閥門①、 ③、 ⑥、 ⑩關閉， 煙氣型吸收式一體化機組和燃氣熱水鍋爐聯(lián)合供熱， 緩沖水蓄能模塊蓄存或補充聯(lián)供模塊相比建筑用戶熱負荷過量或不足的熱量。

圖2 飯店夏季典型日冷，電負荷及冬季典型日熱，電負荷

3.2 系統(tǒng)配置

本文采用 “以熱定電” 方式確定緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設備配置。先根據(jù)飯店夏季典型日冷負荷，同時考慮蓄能空間盡量小， 選取煙氣型吸收式一體化機組制冷容量， 然后選擇與之匹配的燃氣發(fā)電機組、 電制冷機組和燃氣熱水鍋爐。 鑒于飯店最大電負荷較小，本文選擇燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組 （ICE） 作為聯(lián)供系統(tǒng)燃氣發(fā)電機組。飯店緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設備及其參數(shù)見表1。

表1 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設備及其參數(shù)

為了對緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行能源， 環(huán)境和經(jīng)濟性分析，選取常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)為基準系統(tǒng)， 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為對比系統(tǒng)。常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)和無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)制冷容量和制熱容量均按照飯店設計工況最大冷負荷、 最大熱負荷選取。其中， 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組和煙氣型吸收式一體化機組與緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相同。電制冷機組選取為兩臺制冷功率 275 kW的微型離心式電制冷機 （EC1、 EC2）。燃氣熱水鍋爐選取與緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)同樣類型，制熱功率為280kW （GB1）。常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)由電制冷機組和燃氣熱水鍋爐組成， 電制冷機組制冷系數(shù)取 4， 燃氣熱水鍋爐熱效率取0.9。由以上配置可知， 緩沖水蓄能模冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)，制冷容量減少 36.81%，制熱容量減少31.17%。

緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析中， 涉及計算參數(shù)見表2 [1、 6-9] 。

表2 計算參數(shù)

4 結果與討論

4.1 運行策略

4.1.1 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行策略

圖 3 為夏季典型日緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能運行策略。燃氣內(nèi)燃機全天處于額定工況運行發(fā)電狀態(tài)，煙 氣型雙效吸收式一體化機組全天處于額定工況運行制冷狀態(tài)。詳細的供冷運行策略如下。

1）22:00 至次日 8:00，煙氣型吸收式一體化機組制冷量大于飯店冷負荷，多 余制冷量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電量大于飯店電負荷，多 余電量售于公共電網(wǎng)。電制冷機組處于停機狀態(tài)。

2）9:00至11:00及 21:00，煙 氣型吸收式一體化機組制冷量小于飯店冷負荷，不 足的冷量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄冷量提供。電制冷機組處于停機狀態(tài)。

3）12:00 至 20:00，煙 氣型吸收式一體化機組和電制冷機組額定工況運行制冷，總 制冷量仍小于飯店冷負荷， 不足的冷量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄冷量提供。

圖3 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日供能運行策略

圖4 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季典型日供能運行策略

圖4 為冬季典型日緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能運行策略。其中，燃氣內(nèi)燃機全天處于額定工況運行發(fā)電狀態(tài)，煙 氣型吸收式一體化機組全天處于額定工況運行制熱狀態(tài)。具體供熱運行策略如下：

1）20:00至0:00及4:00至7:00，煙氣型吸收式一體化機組額定工況運行制熱，制 熱量大于飯店熱負荷，多余制熱量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。燃氣熱水鍋爐（GB）處 于停機狀態(tài)。

2）1:00至 3:00，煙 氣型吸收式一體化機組額定工況運行制熱，制 熱量小于飯店熱負荷，不 足熱量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄熱量提供。燃氣熱水鍋爐處于停機狀態(tài)。

3）7:00，9:00，11:00，12:00 及 14:00，煙 氣型吸收式一體化機組和燃氣熱水鍋爐額定工況運行制熱，制 熱量大于飯店熱負荷，多 余制熱量蓄存到緩沖水蓄能模塊中。

4）8:00，10:00，13:00 及 15 至 19:00，煙氣型吸收式一體化機組和燃氣熱水鍋爐額定工況運行制熱，制熱量小于飯店熱負荷，不 足熱量由緩沖水蓄能模塊釋放蓄熱量提供。

4.1.2 常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)和無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行策略

常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)由定制冷系數(shù)的電制冷機組， 定熱效率的燃氣熱水鍋爐及公共電網(wǎng)組成， 其供冷策略為電制冷機組制冷量實時滿足飯店冷負荷， 供熱策略為燃氣熱水鍋爐制熱量實時滿足飯店熱負荷， 供電策略為公共電網(wǎng)購電量實時滿足飯店熱負荷。

結合飯店負荷特點， 基于燃氣內(nèi)燃機、 煙氣型吸收式一體化機組、 電制冷機組變工況數(shù)學模型， 計算得出無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)典型日供冷、 供熱、 供電策略。

圖5 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日供能運行策略

圖5 為無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日供能運行策略。具體供冷、供 電運行策略如下：

1）22:00至次日 8:00，一 臺電制冷機組（ EC1）變 工況運行制冷。公 共電網(wǎng)提供EC1耗電量和飯店電負荷需求電量。燃氣內(nèi)燃機和EC2處于停機狀態(tài)。

2）9:00 至11:00 及21:00，煙 氣型雙效吸收式一體化機組（ AM）和 EC1變工況運行制冷。ICE變工況運行發(fā)電，發(fā) 電量首先用于 EC1 耗電，剩 余電量提供飯店使用。公共電網(wǎng)提供飯店電負荷需求電量與ICE剩余發(fā)電量差額。EC2處于停機狀態(tài)。

3）12:00至20:00，A M，E C1和EC2變工況運行制冷。燃氣內(nèi)燃機變工況運行發(fā)電，發(fā)電量首先用于EC1和EC2耗電，剩 余電量提供飯店使用。飯店電負荷需求電量與ICE剩余電量差額。

圖6為無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季典型日供能運行策略。具體供熱、供 電運行策略如下：

1）22:00，飯店無熱負荷，ICE，A M 和 GB 均處于停機狀態(tài)。公共電網(wǎng)提供飯店電負荷需求電量。

2）23:00，0:00，4:00和 5:00，A M 變工況運行制熱。ICE變工況運行發(fā)電，發(fā)電量首先滿足飯店電負荷需求電量，剩 余電量售于公共電網(wǎng)。GB處于停機狀態(tài)。

3）1:00 至 3:00、6:00 至 19:00，A M 額定工況運行制熱。G B變工況運行制熱。ICE額定工況運行發(fā)電，發(fā)電量首先滿足飯店電負荷需求電量，剩 余電量售于公共電網(wǎng)。

4）20:00和21:00，G B變工況運行制熱。公共電網(wǎng)提供飯店電負荷需求電量。ICE和AM處于停機狀態(tài)。

圖6 無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季典型日供能運行策略

4.2 能源，環(huán)境和經(jīng)濟性分析

基于飯店供冷， 供熱和供電策略， 分產(chǎn)系統(tǒng)， 無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季及冬季典型日的一次能源消耗量， 二氧化碳排放量和運行費用的計算結果如圖7所示?？梢钥闯觯瑹o蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬季或夏季典型日的一次能源消耗量、 二氧化碳排放量、 運行費用相對常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)均有所降低， 且緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)降低力度大于無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

圖7 一次能源消耗量，二氧化碳排放當量和運行費用

表 3 為無蓄能和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)一次能源節(jié)約率， 二氧化碳排放當量減少率和運行費用節(jié)省率。從表中可以看出， 相比無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)， 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日一次能源節(jié)約率，二氧化碳排放當量減少率，運行費用節(jié)省率分別提高 15.56%，24.10%和13.02%，冬季典型日則分別提高 5.07%，6.25%和4.96%。

表3 一次能源節(jié)約率，二氧化碳排放當量減少率和運行費用節(jié)省率

5 結論

本文提出了以緩沖水蓄能 （冷、 熱） 模塊為蓄能設備的緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時滿足建筑用戶冷熱電負荷同時， 動力設備全時段額定工況運行， 降低了系統(tǒng)裝機制冷容量和制熱容量。以常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)為基準， 對比分析了無蓄能型和緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在飯店類型建筑夏季、 冬季典型日的運行策略及能源， 環(huán)境， 運行經(jīng)濟性指標。 研究結果表明，無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)可以實現(xiàn)夏季典型日一次能源節(jié)約率 14.11%， 二氧化碳排放當量減少率22.69%和運行費用節(jié)省率27.9%， 冬季典型日一次能源節(jié)約率34.87%， 二氧化碳排放當量減少率63.75%和運行費用節(jié)省率22.34%。同時， 緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比無蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季典型日一次能源節(jié)約率提高了 15.56%， 二氧化碳排放當量減少率提高了24.10%， 運行費用節(jié)省率分別提高了13.02%， 冬季典型日一次能源節(jié)約率提高了5.07%， 二氧化碳排放當量減少率提高了 6.25%，運行費用節(jié)省率分別提高了4.96%。結果說明緩沖水蓄能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有很好的能源， 環(huán)境和運行經(jīng)濟性指標， 為水蓄能技術在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的應用提供一種新的思路。

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