冷熱雙蓄與熱泵耦合的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

王俊杰，郭霄宇，王 含，張謹奕，白 寧，孫 嘉

(1.中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 海淀 100080；2.國家電投集團科學技術(shù)研究院有限公司，北京 昌平 102209)

0 引言

迄今為止，我國的能源結(jié)構(gòu)還保持著以非可再生能源為主的不利局面，在開采和使用該種類能源的過程中會對生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞[1]。近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，我國城鎮(zhèn)化已進入高速增長期，人們對居住環(huán)境舒適性要求日益提高，這導(dǎo)致我國建筑能量消耗水平逐年增加[2-3]。據(jù)統(tǒng)計表明，建筑能耗在我國能源總消耗量的占比已經(jīng)達到了 30%以上[4]，建筑物能源消耗在供冷季和供熱季所需要的冷、熱能量占到全年總量的70%左右[5]。面對日益加重的能源問題，國家部委出臺了應(yīng)對政策，清潔供暖替代燃煤供暖的趨勢逐漸明顯?？諝庠礋岜美錈嵩春弦?，既能供熱也能供冷，在冷熱聯(lián)供項目中使用熱泵技術(shù)可以使用同一套設(shè)備解決用戶的供冷供熱需求，減少源側(cè)設(shè)備投入，并且熱泵具有運行效率高、穩(wěn)定可靠、運行費用低等優(yōu)點。因此，目前大部分的清潔供暖“煤改電”項目都會采用熱泵作為替代傳統(tǒng)熱源的清潔熱源，尤其對于冷熱聯(lián)供項目，熱泵技術(shù)更具適用性。雖然熱泵在清潔熱源中優(yōu)勢顯著，但熱泵機組設(shè)備的初投資和運行費用與傳統(tǒng)燃煤供熱相比還是比較劣勢，在實際項目中采用熱泵供能的項目經(jīng)濟性并不樂觀。冷熱雙蓄技術(shù)利用單罐斜溫層水儲罐在供暖季儲熱、在供冷季儲冷，該技術(shù)與熱泵相結(jié)合可以在電費較低的谷電時段進行儲能，從而替代非谷電時段的耗電量，該耦合系統(tǒng)可以降低冷熱聯(lián)供項目運行成本，提高清潔供能項目經(jīng)濟效益。

本文以鄭州市某建筑面積為6×104m2的商務(wù)辦公樓建筑作為研究對象，通過對其供冷、供熱逐時負荷進行分析，提出冷熱雙蓄與熱泵耦合的綜合供能系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的多項經(jīng)濟效益指標進行分析，并與空氣源熱泵直接供冷供熱系統(tǒng)進行對比，為建筑供冷供熱綜合能源系統(tǒng)的技術(shù)方案設(shè)計提供優(yōu)化方向和技術(shù)保障。

1 供冷供熱技術(shù)

1.1 冷熱雙蓄技術(shù)

冷熱雙蓄技術(shù)可以實現(xiàn)能量在時間上的移動，當熱源/冷源產(chǎn)生的能量大于用戶需求量時，多余的能量進入冷熱雙蓄儲罐儲存；當需要儲罐釋能時，冷熱雙蓄儲罐中的能量可以替代一部分熱源/冷源產(chǎn)生的能量，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于清潔供暖和綜合智慧能源領(lǐng)域。

冷熱雙蓄技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備為單罐斜溫層水儲罐，利用水的溫度不同時，密度也會有所差異的原理，在一個足夠大的儲罐中，由于重力的作用，密度不同的水會形成自然分層，密度較小的熱水將位于密度較大的冷水上部，中間會形成1 m左右的斜溫層，可以實現(xiàn)單個儲罐內(nèi)同時儲存熱水和冷水。儲罐工作原理如圖1所示。斜溫層水儲罐儲熱溫度為5～98 ℃，可以在冬季儲存熱水，在夏季儲存冷水，利用同1個儲能設(shè)備可以實現(xiàn)冬季儲熱和夏季儲冷，節(jié)約了設(shè)備投資。

圖1 冷熱雙蓄儲罐原理圖Fig.1 Schematic diagram of cold and hot dual storage tank

1.2 空氣源熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)是利用高位能(例如電能)使得能量從低位熱源向高位熱源搬運的節(jié)能技術(shù)[6]，具有運行效率高、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟效益優(yōu)越等優(yōu)點?？諝饽軣岜檬强稍偕茉赐昝赖膽?yīng)用典范，因其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，得到廣泛的應(yīng)用[7]。本文利用壓縮式空氣源熱泵作為節(jié)能技術(shù)，在供冷季采用熱泵供冷，在供熱季利用熱泵供熱，其供冷供熱原理如圖2所示。

圖2 熱泵供冷供熱原理圖Fig.2 Schematic diagram of heat pump cooling and heating

2 項目概況及負荷分析

2.1 項目概況

本項目中所需供冷/暖面積63 750 m2，供暖時間共120天、供冷時間共153天，項目用戶的用能需求并非全天一致，冬季供暖、夏季制冷時間為每天08:00—18：00[8]，其余時間在供暖季采用防凍負荷，在供冷季則停止供冷。

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準有關(guān)規(guī)定，選取本項目的供熱指標為60 W/m2，冬季采暖室外計算溫度為-3.8 ℃；供冷指標為95 W/m2，夏季空調(diào)室外計算日平均溫度為30.2 ℃[9-10]。本項目用戶末端采用風機盤管，供冷時供水溫度設(shè)計為5 ℃，回水溫度設(shè)計為15 ℃；供熱時供水溫度設(shè)計為50 ℃，回水溫度設(shè)計為40 ℃[11]。

2.2 冷負荷分析

鄭州市夏季供冷期為5月1日至9月31日，共153天，根據(jù)用戶用能特點分析本項目商務(wù)辦公區(qū)域供冷時間為08:00—18：00，供冷溫度定為26 ℃，其余時間不供冷。夏季供冷設(shè)計冷負荷為

Qc=qcA×10-3

(1)

式中：Qc為夏季設(shè)計冷負荷，kW；qc為空調(diào)冷指標，W/m2；A為供冷面積，m2。商務(wù)辦公樓冷負荷數(shù)據(jù)如表1、圖3所示。

表1 商務(wù)辦公樓冷負荷Table 1 Cooling load of business office building

圖3 供冷季月平均逐時冷負荷Fig.3 Monthly average hourly cooling load in cooling season

由于供冷季全天戶外溫度隨著時間變化較大，且戶外溫度會對實際供冷負荷產(chǎn)生較大影響，因此在計算供冷負荷時，需要通過氣象軟件Meteonorm 7查詢鄭州供冷季每日供冷時段逐時氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)如下公式算出該商務(wù)辦公區(qū)供冷季逐時實際供冷負荷。

(2)

式中：Qca為供冷季逐時實際供冷負荷，kW；tn為室內(nèi)設(shè)計溫度，取26 ℃；ta為供冷季逐時實際室外溫度，℃；tcn為夏季空調(diào)室外計算日平均溫度，為30.2 ℃。

2.3 熱負荷分析

鄭州冬季供熱期為11月15日至3月15日，共120天，商務(wù)辦公樓建筑需要全天供熱，根據(jù)對用戶用能特點的分析，每天08:00—18：00需要正常供熱，保證室內(nèi)溫度為18 ℃，其余時間采用低溫供熱，室內(nèi)防凍溫度取5 ℃。通冬季供熱設(shè)計負荷公式為

Qh=qhA×10-3

(3)

式中：Qh為冬季設(shè)計熱負荷，kW；qh為供暖熱指標，W/m2。商務(wù)辦公樓冷負荷數(shù)據(jù)如表2、圖4所示。

表2 商務(wù)辦公樓熱負荷Table 2 Heating load of business office building

圖4 供熱季月平均逐時熱負荷Fig.4 Monthly average hourly heat load in heating season

供熱負荷需要根據(jù)供暖季戶外實際溫度和設(shè)計熱負荷計算實際供熱負荷。通過氣象軟件Meteonorm 7查詢鄭州供熱季逐時氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)如下公式算出該商務(wù)辦公區(qū)供熱季逐時實際供熱負荷。

(4)

式中：Qha為供熱季逐時實際供熱負荷，kW；t′n為室內(nèi)設(shè)計溫度，正常供熱取18 ℃、防凍供熱取5 ℃；ta為供熱季逐時室外溫度，℃；thn為冬季采暖室外計算溫度，為-3.8 ℃。

3 技術(shù)方案分析

3.1 空氣源熱泵直供方案

根據(jù)本項目中商務(wù)辦公區(qū)用能特點，設(shè)計空氣源熱泵直供方案，在供冷季和供暖季時根據(jù)用戶實際負荷變化，實時提供冷熱負荷，滿足用戶需求。在供冷季，采用空氣源熱泵進行制冷，15 ℃的供冷回水流入蒸發(fā)器，被冷卻到5 ℃后直接向用戶進行供冷；在供熱季，空氣源熱泵進行制熱，40 ℃的供熱回水流入冷凝器，被加熱到50 ℃后直接向用戶進行供熱。

由于本方案在供冷/供暖季，使用熱泵直接供冷/暖，熱泵裝機容量按照設(shè)計負荷來選型。供冷設(shè)計負荷為6 056 kW，供熱的設(shè)計負荷為3 825 kW，因此熱泵裝機容量按照供熱設(shè)計負荷進行選型，供冷負荷不足部分通過配備單冷機組進行補充供冷，這樣既可以保障供能功率，又可以降低設(shè)備初投資。

式中：NHP為熱泵機組數(shù)量，臺；QHP為單臺熱泵機組功率， kW；NCW為單冷機組數(shù)量，臺；QCW為單臺單冷機組功率，kW；η為系統(tǒng)綜合熱效率，取95%。

通過計算可得，熱泵機組的總裝機容量為4 026 kW，擬選30臺名義制熱量為138 kW的熱泵機組；單冷機組的總裝機容量為2 348 kW，擬選18臺名義制冷量為130 kW的單冷機組?？諝庠礋岜弥惫┓桨赶到y(tǒng)如圖5所示。

圖5 空氣源熱泵直供方案系統(tǒng)圖Fig.5 System diagram of air source heat pump direct supply scheme

3.2 冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案

在空氣源熱泵系統(tǒng)中增加冷熱雙蓄系統(tǒng)，可以在谷電時段開啟熱泵機進行儲能，替代非谷電時段的負荷，起到降本增效的作用。本方案考慮在谷電時段運行熱泵機組進行儲熱/冷，替代峰電時段所需負荷。供冷季，谷電時段，空氣源熱泵進行制冷，15 ℃的供冷回水流入蒸發(fā)器，由于用戶沒有冷負荷需求，被冷卻到5 ℃的冷水全部進入冷熱雙蓄水罐中儲存。非谷電時段，利用冷熱雙蓄水罐中所儲存的冷水和空氣源熱泵對外供冷，儲冷量不足的部分，在部分平電時段開啟熱泵組進行補充供冷。供熱季，谷電時段，空氣源熱泵進行制熱，40 ℃的供熱回水和儲冷/熱水罐中冷水一起流入冷凝器，被加熱至50 ℃，一部分去供熱，另一部分進入冷熱雙蓄水罐儲存。非谷電時段，利用冷熱雙蓄水罐中所儲存的熱水和空氣源熱泵對外供熱，儲熱量不足的部分，在部分平電時段開啟熱泵組進行補充供熱。

由于供冷季谷電時段不供冷，因此按照供熱季最冷月最大供熱負荷日作為典型日進行熱泵和冷熱雙蓄水罐選型。儲熱水罐的儲熱量為典型日峰電時段所需供熱量總和，根據(jù)儲熱量可以根據(jù)公式(8)計算冷熱雙儲罐儲罐的體積。熱泵選型按照典型日谷電時段制熱量進行計算，谷電時段熱泵制熱量為谷電時段供熱負荷與峰電時段供熱負荷的平均值，熱泵選型臺數(shù)根據(jù)公式(9)進行計算。

式中：qHS為冷熱雙蓄水罐最大儲熱量，kW·h；qhF為典型日峰電時段需熱量，kW·h；qi為典型日峰電時段第i時刻用戶需熱量，kW·h；V為冷熱雙蓄水罐體積，m3；ΔT為供回水溫差，為10 ℃；ηHS為冷熱雙蓄水罐效率，取97%；cp為水的比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)；ρ為水密度，取60 ℃時密度為979.43 kg/m3；h為谷電時長，8小時；N′HP為熱泵機組數(shù)量，臺；qhG為典型日谷電時段需熱量，kW·h。

通過計算可得，熱泵機組的總裝機容量為3 043 kW，擬選22臺名義制熱量為138 kW的熱泵機組；冷熱雙蓄儲罐最大儲量為22.69 MW·h，體積為2 110 m3。冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案系統(tǒng)圖Fig.6 System diagram of the integrated energy system coupled with heat and cold storage and heat pump

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 初投資

本文設(shè)計的冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案較空氣源熱泵直供方案增加了冷熱雙蓄水罐系統(tǒng)，供能系統(tǒng)更加復(fù)雜，運行過程中需要根據(jù)戶外氣溫調(diào)節(jié)熱源直供和儲能控制策略，因此該系統(tǒng)會相應(yīng)的增加系統(tǒng)管道閥門、儀表部分的投資。兩種方案的初投資概況如表3—4所示。

表3 空氣源熱泵直供系統(tǒng)初投資Table 3 Initial investment of air source heat pump direct supply system 104元

表4 冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能系統(tǒng)初投資Table 4 Initial investment of the integrated energy system coupled with heat and cold storage and heat pump 104元

綜上所述，空氣源熱泵直供方案初投資為875.28×104元；冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案初投資為941.37×104元，較前者的初投資增加了66×104元。

4.2 運行成本

本項目商務(wù)辦公樓建筑的變電站為10 kV/0.4 kV，鄭州市1～10 kV大工業(yè)用電電費標準執(zhí)行的是峰谷平電價，具體時段和電價如表5所示。

表5 河南省1～10 kV工業(yè)電費表Table 5 Industrial electricity charge of 1～10 kV in Henan Province

本項目中運行成本主要分為供冷運行費用和供熱運行費用，根據(jù)鄭州供熱/冷季逐時氣象數(shù)據(jù)計算得出用戶逐時實際供冷/熱負荷，進而計算日均供冷量/供熱量；通過對照廠家樣本，可以得出熱泵逐時實際的能效比(coefficient of performance, COP)，進而計算日均供冷/供熱消耗電量，再根據(jù)運行時段電價計算運行電費。

式中：Ccool為供冷運行費用，元；c(i)為逐時電價，元/(kW·h)；Qca(i)為第i時刻實際供冷負荷，kW；λCOP(i)熱泵的逐時COP值，根據(jù)廠家樣本計算；Cheat為供熱運行費用，元；Qha(i)為第i時刻實際供熱負荷，kW。

經(jīng)過對逐時實際冷/熱負荷計算分析，得到2個方案年供冷/供熱運行費用如圖7所示。

圖7 年供冷供熱運行成本Fig.7 Annual operation cost of cooling and heating

由供冷/供熱運行費用對比可知，空氣源熱泵直供方案年運行費用為230.43×104元，冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案年運行費用為159.17×104元，后者運行費用減少了71.26×104元，降低率為30.92%，由此可見冷熱雙蓄技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合對于本項目運行費用降低有著顯著作用。

4.3 內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率(internal rate of return, IRR)是指當項目現(xiàn)金流入的現(xiàn)值總和與現(xiàn)金流出現(xiàn)值總和相等時的折現(xiàn)率，是評判項目經(jīng)濟性的重要指標，該指標越大越好。內(nèi)部收益率(IRR)計算公式為

(12)

式中：δIRR為內(nèi)部收益率，%；Pt為第t年項目的凈現(xiàn)金流，元；P0為項目初始投資，元[12]。

本項目收入為供冷費和供熱費，供冷單價為每日0.2元/m2，供熱單價為每日0.24元/m2?？偝杀举M用除運行費用之外，還包括固定資產(chǎn)折舊費、設(shè)備修理費、工資福利及管理費等。若不考慮貸款，經(jīng)過計算，20年經(jīng)營期，空氣源熱泵直供方案全投資內(nèi)部收益率為8.5%，冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案全投資內(nèi)部收益率為14.6%，可見后者經(jīng)濟性更優(yōu)。

4.4 財務(wù)凈現(xiàn)值

財務(wù)凈現(xiàn)值(financial net present value，F(xiàn)NPV)是指把項目計算期內(nèi)各年的財務(wù)凈現(xiàn)金流量，按照一個給定的標準折現(xiàn)率(基準收益率)折算到建設(shè)期初(項目計算期第一年年初)的現(xiàn)值之和。財務(wù)凈現(xiàn)值是考察項目在其計算期內(nèi)盈利能力的主要動態(tài)評價指標。財務(wù)凈現(xiàn)值(FNPV)計算公式為

(13)

式中：PFNPV為財務(wù)凈現(xiàn)值，元；(CI(t)-CO(t))為第t年的凈現(xiàn)金流量，元；n為項目運營期，本項目取20年；ic為基準收益率，本項目取8%。

經(jīng)計算，當基準收益率為8%時，20年經(jīng)營期，空氣源熱泵直供方案凈現(xiàn)值為26.4×104元，冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案凈現(xiàn)值為449.2×104元，后者較前者高422.8×104元。

4.5 靜態(tài)投資回收期

靜態(tài)投資回收期(簡稱回收期)，是指以使項目累計現(xiàn)金流量為0時所需要的全部時間，回收期越短項目經(jīng)濟性越好。

經(jīng)計算，空氣源熱泵直供方案回收期為9.03年，冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案回收期為6.26年，后者較前者早2.77年收回原始投資。

4.6 投資利潤率

投資利潤率是指項目在項目運營期內(nèi)所獲得的年平均利潤總額與項目全部投資的比率。

經(jīng)計算，空氣源熱泵直供方案投資利潤率為12.6%，冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案投資利潤率為19.1%。

5 結(jié)論

(1) 空氣源熱泵直供方案的項目初投資為875.28×104元，年總運行費用為230.43×104元；冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案項目初投資為941.37×104元，年總運行費用為159.17×104元。后者運行費用減少了71.26×104元，降低率為30.92%。

(2) 空氣源熱泵直供方案全投資內(nèi)部收益率為8.5%，凈現(xiàn)值為26.4×104元，投資回收期為9.03年，投資利潤率為12.6%；冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能方案全投資內(nèi)部收益率為14.6%，凈現(xiàn)值為449.2×104元，投資回收期為6.26年，投資利潤率為19.1%。

(3) 冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能系統(tǒng)在谷電時段利用冷熱雙蓄儲罐進行儲能，雖然其初投資較熱泵直供系統(tǒng)有所增加，但是可以大幅度降低項目的運行費用，經(jīng)過對項目多項經(jīng)濟性指標的計算分析可知，冷熱雙蓄與熱泵耦合的供能系統(tǒng)經(jīng)濟性效益是優(yōu)于空氣源熱泵直供系統(tǒng)的。