容量配置對三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響研究

賀越 阮應(yīng)君 張春雁 吳家正

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2國網(wǎng)上海綜合能源服務(wù)公司

0 引言

在研究三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時，需要明確系統(tǒng)的運營模式。系統(tǒng)的運營一般可以分為兩種模式，一種以盈利為目的，另一種不以盈利為目的。本研究建立在以盈利為目的的模式上。以盈利為目的的運營模式，設(shè)備投資主體為能源服務(wù)公司，運行時消耗的能源費用由能源服務(wù)公司承擔(dān)，能源公司向建筑業(yè)主提供冷、熱、電力并收取相應(yīng)的費用。

本研究以寧波地區(qū)的某辦公建筑作為冷熱電三聯(lián)供的對象，分析了在設(shè)計投資階段，內(nèi)燃機(jī)容量和吸收式制冷機(jī)容量的組合對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，給出了容量配置范圍參考表，同時提出了適用于該地區(qū)辦公建筑的容量配置比。本研究可為寧波地區(qū)辦公建筑三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計投資預(yù)期提供參考。

1 系統(tǒng)模型

傳統(tǒng)供能系統(tǒng)中，建筑的冷、熱、電供應(yīng)相對獨立。建筑的電力供應(yīng)只是由集中電網(wǎng)提供。而建筑的冷負(fù)荷需求通常是由空調(diào)制冷系統(tǒng)滿足，一般情況下空調(diào)能耗僅由電力提供。

三聯(lián)供系統(tǒng)供能形式則不同于傳統(tǒng)供能形式，由于發(fā)電原動機(jī)和吸收式制冷機(jī)的加入，供能方式可變性增強(qiáng)[1-2]。原動機(jī)燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電，同時回收余熱進(jìn)行供熱，天然氣可實現(xiàn)熱負(fù)荷電負(fù)荷雙線供應(yīng)。聯(lián)供系統(tǒng)綜合熱量由原動機(jī)和燃?xì)忮仩t同時提供。離心式電制冷機(jī)組和溴化鋰吸收式制冷機(jī)組混合制冷，冷負(fù)荷供應(yīng)方式增加。兩種系統(tǒng)的供能結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)對比

本研究建立了三聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，同時還建立了傳統(tǒng)系統(tǒng)的模型作為對比研究。

1.1 系統(tǒng)運行策略

本研究中三聯(lián)供系統(tǒng)采用“以熱定電”的運行模式[3-4]。該模式指三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)先滿足熱負(fù)荷需求的供應(yīng)，在選定原動機(jī)發(fā)電容量后，根據(jù)原動機(jī)熱電比，原動機(jī)最大與余熱輸出能力隨之確定，這里的最大余熱輸出能力可作為原動機(jī)余熱容量。在熱負(fù)荷需求低于余熱容量的情況下，原動機(jī)調(diào)整余熱輸出以完全滿足熱負(fù)荷需求。此時原動機(jī)電量輸出隨余熱輸出變化，將該發(fā)電量與電負(fù)荷需求量進(jìn)行匹配，當(dāng)電量供給不足，從集中電網(wǎng)購電。在熱負(fù)荷需求高于余熱容量的情況下，原動機(jī)滿負(fù)荷運行，熱負(fù)荷不足的部分通過鍋爐補(bǔ)充。該運行模式的公式表達(dá)如下：

先對需求側(cè)冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將建筑冷負(fù)荷需求通過離心式、吸收式制冷組合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電需求和熱需求，再分別加到建筑原來的電負(fù)荷、熱負(fù)荷需求中，形成總熱負(fù)荷需求量Htotal和總電負(fù)荷需求量Ptotal：

式中：LCooling，LHeating，Lpower分別表示建筑的冷、熱、電負(fù)荷需求，kWh；CCE-CH，CAB-CH分別表示離心式制冷機(jī)組制冷量和吸收式制冷機(jī)組制冷量，kWh；Htotal表示在冷負(fù)荷需求經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的熱需求總量，kWh；Ptotal表示在冷負(fù)荷需求經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電力需求總量，kWh；表示吸收式制冷機(jī)組容量，RT。

式（1）表示制冷過程優(yōu)先考慮吸收式制冷，這樣可以使得夏季的原動機(jī)余熱得以充分利用，保證“以熱定電”策略下原動機(jī)在夏季的運行時間。

然后對得到的總熱負(fù)荷需求量Htotal的總電負(fù)荷需求量Ptotal進(jìn)行“以熱定電”配置：

式中：Hboiler表示鍋爐熱供應(yīng)量，kWh；表示原動機(jī)余熱供應(yīng)量，kWh；表示原動機(jī)發(fā)電量，kWh；Pgrid表示電網(wǎng)購電量，kWh；表示原動機(jī)發(fā)電容量，kW；ηGE，分別表示原動機(jī)發(fā)電效率和余熱利用效率。

以上各式中建筑負(fù)荷需求為逐時負(fù)荷需求。上述各式表示在“以熱定電”模式下，三聯(lián)供系統(tǒng)中逐時的能流關(guān)系。

1.2 系統(tǒng)評價指標(biāo)

本文采用的評價方式是經(jīng)濟(jì)性評價，指標(biāo)有投資回收期、年運行收益、系統(tǒng)投資。進(jìn)行評價時，以傳統(tǒng)系統(tǒng)作參考。

式中：RCCHP，Rcon分別表示三聯(lián)供系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的年運行收益，元；SCCHP，Scon分別表示三聯(lián)供系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)備投資，元；u表示電網(wǎng)購電價格，元/kWh；v表示天然價格，元/kWh；表示三聯(lián)供系統(tǒng)原動機(jī)容量，kW；分別表示三聯(lián)供系統(tǒng)離心式機(jī)組容量和吸收式機(jī)組容量，RT；分別表示三聯(lián)供系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)鍋爐容量t/h；表示傳統(tǒng)系統(tǒng)離心式機(jī)組容量，RT；CGE表示原動機(jī)單位容量設(shè)備費用，元/kW；Cboiler表示鍋爐單位容量設(shè)備費用，元/t·h-1；CCE-CH，CCAB-CH分別表示離心式機(jī)組和吸收式機(jī)組單位容量設(shè)備費用，元/RT；m表示維護(hù)費用系數(shù)，取0.05。

式中：i表示折現(xiàn)率，這里取貸款基準(zhǔn)利率；t表示時間，年；R可由RCCHP和Rcon分別替代，S可由SCCHP和Scon分別替代，再通過式（14）可分別計算得出PBPCCHP和PBPcon。

這里PBP表示投資回收期，PBPCCHP和PBPcon分別表示三聯(lián)供系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的投資回收期，其含義為自系統(tǒng)建成開始運行后，當(dāng)運行總時間大于該回收期后，系統(tǒng)開始盈利，且每年盈利收入等于每年運行收益R。

2 計算條件

本研究供能對象為寧波市某典型辦公建筑，通過軟件模擬，預(yù)測該建筑全年能耗，作為建筑側(cè)負(fù)荷需求來源。將建筑能耗數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)啬茉磧r格數(shù)據(jù)導(dǎo)入已建立的系統(tǒng)模型，將機(jī)組容量的組合作為變量進(jìn)行調(diào)整。由于，目前國內(nèi)第三方能源服務(wù)的并網(wǎng)政策機(jī)制尚不完善，本研究中三聯(lián)供并網(wǎng)模式為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”。

2.1 建筑負(fù)荷預(yù)測

運用模擬計算軟件能快速方便地計算出逐時動態(tài)負(fù)荷[5-6]。本文所使用的模擬軟件為DesignBuilder，通過導(dǎo)入典型建筑信息參數(shù)及寧波市氣象參數(shù)，得到辦公建筑的全年逐時能耗數(shù)據(jù)如圖2。該辦公建筑的建筑面積為50120 m2。該辦公建筑冷、熱、電全年能耗指標(biāo)統(tǒng)計如表1所示。

圖2 建筑全年逐時能耗

表1 建筑全年能耗統(tǒng)計

2.2 能源價格參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)

本研究中電網(wǎng)電價參數(shù)采用分時電價，當(dāng)?shù)仉妰r數(shù)據(jù)如表2 所示（2017-7-1發(fā)布）。由于寧波地區(qū)尚無冷熱定價政策，本研究中冷熱價數(shù)據(jù)參考上海世博B片區(qū)能源中心冷熱價格數(shù)據(jù)，按冷熱同價，均為0.5 元/kWh。本研究中選擇內(nèi)燃機(jī)作為發(fā)電原動機(jī)，價格參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表2 電網(wǎng)電力價格參數(shù)

表3 系統(tǒng)價格及效率參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 容量配置對經(jīng)濟(jì)性的影響

在系統(tǒng)的設(shè)計投資階段，價格參數(shù)為已知參數(shù)，機(jī)組容量是變量參數(shù)。因此，容量組合的變量參數(shù)有兩個，一個是內(nèi)燃機(jī)容量，另一個是吸收式制冷機(jī)容量。

容量的變化范圍區(qū)間依據(jù)的是圖2的逐時能耗曲線。本研究中設(shè)定的并網(wǎng)條件為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”，而能耗曲線建筑電負(fù)荷峰值為1000kW，所以內(nèi)燃機(jī)容量范圍上限取1000kW，避免容量選取過大。內(nèi)燃機(jī)容量范圍下限取100kW。根據(jù)式（1），冷負(fù)荷優(yōu)先由吸收式制冷提供，而根據(jù)表3系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率與余熱利用效率相當(dāng)，吸收式制冷機(jī)容量范圍上限取350RT，即1231kW，與1000kW的內(nèi)燃機(jī)余熱出力相接近，以保證夏季利用內(nèi)燃機(jī)余熱進(jìn)行吸收式制冷，從而保證內(nèi)燃機(jī)全年的利用小時數(shù)。吸收式制冷機(jī)容量范圍下限取50RT。

對于CCHP系統(tǒng)，容量組合對投資回收期的影響如圖3所示。當(dāng)容量配置為1000kW/50RT（前者表示內(nèi)燃機(jī)容量后者表示吸收式制冷機(jī)容量，下文同）時，投資回收期最長，為9.30年。當(dāng)容量配置為100kW/50RT時，投資回收期最短，為5.55年。回收期最長與最短相差3.75年。

圖3 投資回收期隨容量組合的變化曲面

在內(nèi)燃機(jī)容量保持1000kW不變時，隨著吸收式制冷機(jī)容量配置的上升，回收期下降明顯，容量配置為1000kW/350RT時，回收期降至6.45年，比最大回收期下降30.6%。不過這一規(guī)律隨著內(nèi)容燃機(jī)容量的降低而改變。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)容量為100kW時，回收期會隨著吸收式制冷機(jī)容量的上升而上升，不過變化幅度不大，當(dāng)容量配置為100kW/350RT時，回收期為6.08年。當(dāng)吸收式制冷機(jī)容量保持50RT不變，內(nèi)燃機(jī)容量下降時，回收期同樣有明顯下降。1000kW/350RT的配置與100kW/50RT的配置相比，回收期僅升高0.90年。

圖4為圖3中數(shù)據(jù)點的二維表示，選取了中4組吸收式制冷機(jī)容量不變的情況下，投資回收期隨內(nèi)燃機(jī)容量變化的數(shù)據(jù)。從變化曲線可以更直觀的看出，在容量組合過程中，隨著吸收式制冷機(jī)容量的增大，在調(diào)配內(nèi)燃機(jī)的容量過程中，投資回收期的變化幅度在減小。因此，在設(shè)計階段在機(jī)組選型時，配置大容量級別的吸收式制冷機(jī)更有利于減弱內(nèi)燃機(jī)選型對回收期帶來的影響。

圖4 投資回收期隨容量組合的變化曲線

圖5 投資隨容量組合的變化曲面

對回收期隨容量組合的變化規(guī)律進(jìn)行分析：影響投資回收期的因素有系統(tǒng)投資和年運行收益。投資隨容量配置的變化如圖5所示，容量配置為100kW/50RT時投資最小757萬元，容量配置為1000kW/350R曲線T時投資最大1231萬元，在三維坐標(biāo)中近似為一個平面。而年運行收益隨設(shè)備容量組合的變化如圖6所示，當(dāng)容量配置為1000kW/350RT時年運行收益最大228.14萬元。當(dāng)容量配置為100kW/350RT時年運行收益最小154.48萬元。

圖6 年運行收益隨容量組合的變化曲面

由圖4聯(lián)系圖5：當(dāng)配置為1000kW50RT時，投資水平較高，而收益水平較低，回收期最長。當(dāng)配置為1000kW350RT時，雖然投資最大，但收益也最大，而經(jīng)過計算得回收期較短。當(dāng)配置為100kW350RT時，雖然收益最低，但是投資小，計算結(jié)果為回收期較短。當(dāng)配置為100kW50RT時，雖然收益較低，但投資最小，計算結(jié)果為回收期最短?；厥掌谑峭顿Y和收益綜合影響的結(jié)果。

對于三聯(lián)供系統(tǒng)，寧波地區(qū)的天然氣價格較低，有利于天然氣發(fā)電[7-8]，使天然氣發(fā)電有正運行收入。在以熱定電運行模式下，選擇更大容量的內(nèi)燃機(jī)意味著系統(tǒng)在冬季能通過發(fā)電滿足更高的峰值電力負(fù)荷需求，從而提高發(fā)電量，提高運行收入。如果吸收式制冷機(jī)容量不隨之提高，內(nèi)燃機(jī)在夏季的利用小時數(shù)就難以保證，內(nèi)燃機(jī)在夏季的“冗余容量”就會增多，“冗余容量”只會增大投資而不會提高運行收入。因此，在系統(tǒng)選型時容量的組合應(yīng)該在合適的范圍內(nèi)，容量的配置需按照配比進(jìn)行。

需要指出的是，本研究中的系統(tǒng)是以盈利為目的建立的系統(tǒng)。實際上，研究中投資回收期的含義為：自系統(tǒng)建成開始運行后，當(dāng)運行總時間大于該回收期后，系統(tǒng)開始盈利，且每年盈利收入等于每年運行收益。經(jīng)濟(jì)性評價不能只依據(jù)回收期，還需要投資者考慮自己的實際需求或目標(biāo)，以及投資貸款的限額。比如，根據(jù)本研究中回收期的計算結(jié)果，如果投資者擔(dān)心遠(yuǎn)期市場風(fēng)險希望盡快回收而且看輕回收后的收益，在設(shè)計階段可以選擇100kW/50RT的配置，此時投資回收期為5.55年，年運行收益為159.50萬元。如果投資者看重回收后的收益，對回收期要求不高，在設(shè)計階段可以選擇1000kW/350RT的配置，此時投資回收期為6.45年，年運行收益為228.14萬元。因此，本研究給出的容量配置范圍參考表，如表4。

表4 辦公三聯(lián)供系統(tǒng)容量配置范圍參考表

表4根據(jù)模型的計算數(shù)據(jù)，給出了投資回收期小于7年時，容量配置的參考范圍及相應(yīng)的回收期、收益、投資參考范圍。在確定內(nèi)燃機(jī)容量規(guī)模后，可通過該表查出吸收式制冷機(jī)容量規(guī)模的建議配置范圍，以及相應(yīng)的回收期、運行收益、系統(tǒng)投資預(yù)期范圍。投資方可據(jù)此制定滿足自己投資預(yù)期的容量組合方案。

研究中作為參考的傳統(tǒng)系統(tǒng)，其回收期為5.44年，運行收益為149.20萬元，投資為696萬元。

3.2 容量配置比

根據(jù)容量組合對回收期的計算結(jié)果，得到如圖7所示的容量配置比擬合曲線，其中：在內(nèi)燃機(jī)容量（單位為kW）一定的情況下，取使得回收期最短的吸收式制冷機(jī)容量（單位換算為kW）為縱坐標(biāo)Y的值，以該內(nèi)燃機(jī)容量作為橫坐標(biāo)X的值，構(gòu)成表示容量組合的數(shù)據(jù)點。再改變內(nèi)燃機(jī)容量，找到各內(nèi)燃機(jī)容量值下，回收期最短的數(shù)據(jù)點。對這些點進(jìn)行線性擬合得到圖7中的擬合曲線。由擬合曲線可以的到式（15）。

圖7 容量配置比擬合曲線

式中：θ為本研究提出的容量配置比，建議寧波地區(qū)的辦公建筑按1.32:1的比例配置系統(tǒng)吸收式制冷機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的容量時；Y和X分別表示需要配置的吸收式制冷機(jī)容量大小和內(nèi)燃機(jī)容量大小，kW。以此比例配置吸收式容量的方案，可以保證比同等內(nèi)燃機(jī)容量下的其他方案更快的回收投資。

圖8為各經(jīng)濟(jì)參數(shù)隨設(shè)備容量的變化，其中吸收式制冷機(jī)與內(nèi)燃機(jī)容量按比例θ=1.32配置。

圖8 經(jīng)濟(jì)參數(shù)隨配置容量的變化率

采用三聯(lián)供系統(tǒng)后，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，年運行收益提高了，但由于設(shè)備方面的投資，回收期也增大了。圖8中縱坐標(biāo)表示以傳統(tǒng)系統(tǒng)作為參考，三聯(lián)供系統(tǒng)各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化率。當(dāng)三聯(lián)供系統(tǒng)按容量配置比θ=1.32同時增大內(nèi)燃機(jī)容量和吸收式制冷容量時，回收期的變化率由2.0%提高到18.5%，變化幅度不大，這意味著按照配置配置容量時，系統(tǒng)投資都易于回收。而運行收益由6.9%提高到52.9%，變化幅度大，這意味著在滿回收期后，系統(tǒng)每年可以為投資者帶來可觀的收益。當(dāng)然投資幅度也隨著容量的增大而顯著提升，因此投資者還需根據(jù)自己投資能力和收益需求確定容量規(guī)模。

4 結(jié)論

本研究針對寧波地區(qū)辦公建筑，采用“以熱定電”的運行模式，建立了以盈利為目的的三聯(lián)供系統(tǒng)模型，分析了內(nèi)燃機(jī)與吸收式制冷機(jī)容量組合對系統(tǒng)投資、運行收益及投資回收期的影響，得到以下結(jié)論：

1）在寧波地區(qū)，辦公建筑的三聯(lián)供系統(tǒng)回收期在5.55～9.30年之間，內(nèi)燃機(jī)大容量和吸收式制冷小容量的配置經(jīng)濟(jì)性最差。

2）在系統(tǒng)選型時內(nèi)燃機(jī)容量和吸收式制冷容量的組合應(yīng)該在合適的范圍內(nèi)。當(dāng)所配置的內(nèi)燃機(jī)容量增大時，吸收式制冷容量也應(yīng)適度增大。

3）配置容量時建議按容量配置比進(jìn)行。寧波地區(qū)辦公建筑的容量配置比建議值為1.32。按配置比同時增大內(nèi)燃機(jī)容量和吸收式制冷容量時，回收期增長幅度不大，投資始終易于回收，年收益和系統(tǒng)初始投資都有較大幅度增長，投資者還需根據(jù)自己投資能力和收益需求確定容量規(guī)模。