能源規(guī)劃中區(qū)塊化供能方案及運(yùn)行策略分析

金?？?健*，阮應(yīng)君，金馮梁

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；3.浙江浙能能源服務(wù)有限公司，杭州 310013)

能源的低碳、綠色、智慧成為21世紀(jì)很重要的詞匯之一，被多頻次、多場合提及。在此前提下，國際上主要發(fā)達(dá)國家紛紛提出建立低碳綠色的能源示范區(qū)，其中美國提出2030 年建立凈零能耗能源體系，英國2019 年公共建筑達(dá)到零碳，德國2020 年新建建筑達(dá)到近零能耗，芬蘭計(jì)劃率先打造全球第一個(gè)零碳城市等。

中國已確定了6 個(gè)低碳試點(diǎn)省區(qū)，36 個(gè)低碳試點(diǎn)城市，至今大陸31 個(gè)省市自治區(qū)當(dāng)中除湖南、寧夏、西藏和青海以外，每個(gè)地區(qū)至少有一個(gè)低碳試點(diǎn)城市[1]，“十三五”期間國家將組織創(chuàng)建100 個(gè)國家低碳示范社區(qū)，將低碳理念融入社區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、管理和居民生活之中，推動(dòng)城鄉(xiāng)社區(qū)低碳化發(fā)展。盡管如此，如何在能源示范區(qū)建立高效互聯(lián)的能源系統(tǒng)仍需要持續(xù)研究和創(chuàng)新。

總結(jié)了近幾年國內(nèi)外學(xué)者在區(qū)域綜合能源規(guī)劃方面的研究，其中易文飛等[2]以冷熱供應(yīng)為基礎(chǔ)研究了區(qū)域綜合能源站選址及能源傳輸管網(wǎng)路徑優(yōu)化布局問題；劉迪等[3]對(duì)綜合能源中的電、冷、熱等多能協(xié)同分配問題做了優(yōu)化研究；龍惟定[4-5]基于需求側(cè)提出了能源總線的概念，并在中國多個(gè)項(xiàng)目上有所應(yīng)用；雷雨[6]以京津城市群為例，對(duì)多元不確定區(qū)域能量系統(tǒng)進(jìn)行了柔性隨機(jī)規(guī)劃方法的研究；洪博文[7]對(duì)雙層總線結(jié)構(gòu)的模塊化區(qū)域用戶級(jí)能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃研究。

圖1 居住建筑和公共建筑區(qū)位

基于對(duì)區(qū)域綜合能源領(lǐng)域文獻(xiàn)的分析，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于能源系統(tǒng)從源網(wǎng)荷儲(chǔ)等方面都進(jìn)行過相關(guān)研究，從可再生能源與傳統(tǒng)能源的耦合配比優(yōu)化到能源系統(tǒng)微網(wǎng)的打造，再到需求側(cè)的特性匹配，最后到儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究。本文的區(qū)塊化供能是在具有共同特性的地塊打造高效精確的能源系統(tǒng)，其供能方式具有靈活化、精確化、高效化、自治性的特點(diǎn)，并結(jié)合區(qū)塊化能源系統(tǒng)用能時(shí)間的不同特征，可打造區(qū)塊化能源總線模式，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)之間的匹配互聯(lián)。

以某區(qū)域能源規(guī)劃實(shí)際項(xiàng)目為基礎(chǔ)，從區(qū)域能源需求的預(yù)測(cè)分析入手，結(jié)合系統(tǒng)側(cè)和儲(chǔ)能側(cè)，力求打造源網(wǎng)荷儲(chǔ)綜合考量的高效節(jié)能的區(qū)塊化能源系統(tǒng)。根據(jù)各片區(qū)周邊可再生資源稟賦，打造海水源熱泵能源總線系統(tǒng)，并進(jìn)一步闡述該系統(tǒng)的相關(guān)適用性和運(yùn)行策略，對(duì)于區(qū)域能源項(xiàng)目中的系統(tǒng)運(yùn)行具有一定的必要性和指導(dǎo)意義。

在能源系統(tǒng)方案選型和能源總線的應(yīng)用上具有一定的創(chuàng)新性和借鑒性。能源方案利用混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最小年化成本為目標(biāo)函數(shù)，確定能源系統(tǒng)最佳配置方案；結(jié)合兩個(gè)地塊的用能時(shí)間特性打造能源總線系統(tǒng)，提高整體能源效率，對(duì)于能源總線系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用具有一定的實(shí)踐意義。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目建筑分為公共建筑和居住建筑兩類，公共建筑又分為商業(yè)、商辦混合和研發(fā)辦公等類型；居住建筑總面積為130.31×104m2，公共建筑總面積為153.60×104m2。能源系統(tǒng)也將分建筑類型打造居住建筑區(qū)塊化能源系統(tǒng)和公共建筑區(qū)塊化能源系統(tǒng)；由于各類型建筑在用能方面的互補(bǔ)性，打造區(qū)塊化能源微網(wǎng)將有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源的互聯(lián)互通、互補(bǔ)互濟(jì)，并提高綜合能源效率。

2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

居住建筑及公共建筑的負(fù)荷由DesignBuilder 軟件進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，軟件利用具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)建筑進(jìn)行建筑冷熱電負(fù)荷模擬，得到建筑冷熱電負(fù)荷的逐時(shí)動(dòng)態(tài)特性[8]。

Design Builder軟件中的參數(shù)設(shè)置主要包括建筑外形參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、內(nèi)擾參數(shù)和室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)等[9]。上述參數(shù)均按《浙江省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33—1015—2015)和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)規(guī)范選擇。

區(qū)域能源規(guī)劃中大部分建筑為未建建筑，建筑外形參數(shù)經(jīng)簡化原則，建筑底面形狀統(tǒng)一為矩形；其他的建筑外形幾何參數(shù)在模型樣本量確定過程中基本確定，可以在 DesignBuilder 軟件里建立簡化的計(jì)算模型[10]，圖2為標(biāo)準(zhǔn)建筑模型及分區(qū)情況。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)建筑模型及分區(qū)

2.1 居住建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)

居住建筑標(biāo)準(zhǔn)模型面積為12 527 m2，單層建筑面積約為750 m2，共18層，屬于多層住宅建筑。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)居住建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果和居住建筑總面積，得到區(qū)塊內(nèi)居住建筑總的典型日冷、熱、電負(fù)荷，如圖3所示。

由圖3(a)、圖3(b)可知，居住建筑的典型日冷熱負(fù)荷曲線的趨勢(shì)是一致的，但由于地域問題，居住建筑的冷負(fù)荷需求大于熱負(fù)荷需求，冷熱負(fù)荷需求峰值均出現(xiàn)在晚上21:00左右。該片區(qū)居住建筑總面積為130.31萬m2，其冷、熱、電負(fù)荷峰值和年總負(fù)荷詳如表1所示。

圖3 居住建筑典型日負(fù)荷曲線

表1 居住建筑負(fù)荷

2.2 公共建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)

辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)模型面積為33 940 m2，單層建筑面積約為1 500 m2，共20 層；商業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)模型面積為56 916 m2，單層建筑面積約為7 500 m2，共8 層；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公共建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果和不同類型建筑總面積，得到區(qū)塊內(nèi)公共建筑總的典型日冷、熱、電負(fù)荷，如圖4所示。

圖4 公共建筑典型日負(fù)荷曲線

由圖4(a)、圖4(b)可知，公共建筑的典型日冷熱負(fù)荷曲線的趨勢(shì)基本也是一致的；公共建筑的冷負(fù)荷需求在9:00—17:00相對(duì)平衡，峰值達(dá)到290 MW左右；熱負(fù)荷峰值在10:00左右，大約123 MW，并且公共建筑中冷負(fù)荷需求遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷需求。該片區(qū)公共建筑總面積153.60萬m2,其冷、熱、電負(fù)荷峰值和年總負(fù)荷詳如表2所示。

表2 公共建筑負(fù)荷

3 區(qū)塊化能源系統(tǒng)供能方案

能源方案利用混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合源網(wǎng)荷儲(chǔ)四個(gè)方面，以最小年化成本為目標(biāo)函數(shù)，能量平衡、環(huán)境低影響、設(shè)備生產(chǎn)能力為約束，確定能源系統(tǒng)最佳配置方案。

3.1 公共建筑能源系統(tǒng)供能方案及投資估算

當(dāng)?shù)囟?、夏季海水水溫適宜用作熱泵冷熱源，可在公共建筑集中用能區(qū)域規(guī)劃較大規(guī)模海水源熱泵設(shè)施，結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)打造復(fù)合式能源系統(tǒng)。并與另一居住建筑片區(qū)結(jié)合打造海水源熱泵能源總線系統(tǒng)。其能源系統(tǒng)形式如圖5所示。

圖5 公共建筑能源系統(tǒng)形式

該片區(qū)能源系統(tǒng)采用天然氣內(nèi)燃機(jī)+吸收式制冷+電制冷+海水源熱泵+儲(chǔ)能罐。設(shè)備清單詳如表3所示。

在規(guī)劃區(qū)建設(shè)進(jìn)程初期，負(fù)荷率不足50%的時(shí)候，建議優(yōu)先配置3 MW內(nèi)燃機(jī)1 臺(tái)、對(duì)應(yīng)1 臺(tái)3 MW吸收式制冷機(jī)、1 臺(tái)5 MW海水源熱泵、離心

表3 公共建筑能源系統(tǒng)設(shè)備

式冷水機(jī)組10 000 RT和15 t·h-1的鍋爐。隨著建設(shè)進(jìn)程完善，逐步配置全部機(jī)組。

冬、夏季能源系統(tǒng)運(yùn)行策略示意如圖6所示。

圖6 冬、夏季能源系統(tǒng)運(yùn)行策略示意圖

夏季供冷運(yùn)行策略：①優(yōu)先滿足內(nèi)燃機(jī)使用10 h，吸收式制冷并通過蓄熱削峰填谷；②其次盡量使離心式冷水機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行；③剩余冷量由海水源熱泵提供。

冬季供熱運(yùn)行策略：①優(yōu)先滿足內(nèi)燃機(jī)使用10 h；②其次通過蓄熱削峰填谷；③剩余使用海水源熱泵制熱，其中運(yùn)行策略如表4所示，冬夏季各機(jī)組負(fù)荷分配如圖7所示。

表4 分布式能源站系統(tǒng)運(yùn)行策略

圖7 冬、夏季各機(jī)組能源供給占比

公共建筑分布式能源站投資及運(yùn)行費(fèi)用估算如表5所示。公共建筑片區(qū)方案，系統(tǒng)初投資總計(jì)34 177萬元，運(yùn)行費(fèi)用總計(jì)4 631萬元，運(yùn)行收入總計(jì)8 116萬元，投資回收期為9.81年。

表5 公共建筑分布式能源站投資及運(yùn)行費(fèi)用估算

3.2 居住建筑能源系統(tǒng)供能方案及投資估算

能源總線系統(tǒng)(energy bus system，EBS)是近年來被提出的一種可實(shí)現(xiàn)在區(qū)域范圍內(nèi)冷、熱能量互通互融的新系統(tǒng)，是一種集成化規(guī)?；瘧?yīng)用在區(qū)域內(nèi)的低品位能源、可再生能源及未利用能源的低碳區(qū)域供冷供熱能源系統(tǒng)。能源總線系統(tǒng)半集中的末端系統(tǒng)形式不但可以規(guī)避區(qū)域供冷系統(tǒng)末端負(fù)荷率低導(dǎo)致的系統(tǒng)能效降低的問題，還可以在區(qū)域級(jí)別上集成應(yīng)用多種天然冷熱源，同時(shí)回收熱量，提高系統(tǒng)能效比。

根據(jù)居住建筑片區(qū)的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，可知居住建筑總負(fù)荷需求相對(duì)較低，可以首選低品位熱源、可再生能源及熱回收的利用，并綜合考慮到收費(fèi)及運(yùn)行圍護(hù)管理因素，居住建筑適宜采用能源總線的方式進(jìn)行供能，又由于居住建筑和公共建筑在冷熱需求時(shí)間上具有互補(bǔ)性，因此居住建筑冷熱負(fù)荷和公共建筑部分冷熱需求適宜采用能源總線進(jìn)行供能。

能源總線系統(tǒng)方案中，系統(tǒng)消耗電能向用戶供冷供熱，主要投資為海水側(cè)站房及管線投資等，系統(tǒng)原理如圖8所示。

本方案中能源總線初投資根據(jù)建筑面積確定參考價(jià)為35元/m2，其相應(yīng)投資及費(fèi)用估算如表6所示。

圖8 居住建筑能源系統(tǒng)形式

表6 能源總線系統(tǒng)投資及運(yùn)行費(fèi)用估算

該區(qū)居住建筑方案系統(tǒng)初投資總計(jì)4 560萬元，運(yùn)行費(fèi)用總計(jì)2 516萬元，運(yùn)行收入總計(jì)2 993萬元，投資回收期為9.56 年。

4 結(jié)論

旨在打造區(qū)塊化能源系統(tǒng)，通過對(duì)居住建筑和公共建筑地塊進(jìn)行針對(duì)性負(fù)荷預(yù)測(cè)，并結(jié)合地塊周邊可再生資源稟賦，打造綠色高效的區(qū)塊化能源系統(tǒng)，從以上分析和計(jì)算中，得出如下結(jié)論。

(1)通過對(duì)居住建筑和公共建筑的用能需求分析，得到居住建筑和公共建筑典型日負(fù)荷曲線，利用居住建筑和公共建筑在用能時(shí)間上的互補(bǔ)性，規(guī)劃公共建筑能源系統(tǒng)組合為天然氣內(nèi)燃機(jī)+吸收式制冷+電制冷+海水源熱泵+儲(chǔ)能罐，居住建筑利用海水源能源總線系統(tǒng)進(jìn)行供能。

(2)通過對(duì)居住建筑和公共建筑能源系統(tǒng)初投資、運(yùn)行費(fèi)用、收益等的分析計(jì)算，得出居住建筑和公共建筑的動(dòng)態(tài)回收期在9 年左右，相對(duì)合理。

(3)區(qū)塊化能源系統(tǒng)的打造有利于能源系統(tǒng)之間的互聯(lián)匹配，根據(jù)不同區(qū)塊用能需求時(shí)間上不同的特征，利用能源總線的方式實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)之間的聯(lián)系，形成真正的能源微網(wǎng)互聯(lián)、互通、互濟(jì)。