某綜合區(qū)域燃氣分布式能源耦合可再生能源供能方案研究

區(qū)域能源可通過向終端用戶提供或回收過剩的、低品位的熱量和冷量，整合區(qū)域內各類資源，使得區(qū)域內能源系統(tǒng)達到最優(yōu)配置。同時由于區(qū)域能源系統(tǒng)內建筑業(yè)態(tài)相對豐富，有利于負荷的優(yōu)化，從而降低總體設備投資，提高設備利用效率，減少能源成本，降低用戶能源使用價格。

以燃氣分布式能源作為支撐，可以克服可再生能源不穩(wěn)定，不連續(xù)等缺點，實現系統(tǒng)節(jié)能高效運行。本文以實際項目為例，探討燃氣分布式能源耦合可再生能源的技術路線，驗證技術路線的可行性和經濟性，為同類項目研究與建設提供參考。

1 項目概要及負荷分析

該項目總供能面積22.6 萬m2，由數據中心、辦公、廠房、宿舍組成。數據中心需全年24h 不間斷供冷供電；其他建筑冷、熱負荷供能時間為夏季5月15 日至9月15 日，冬季11 月15 日至3月15 日，每天8：00～21：00。

結合設計院建議值、公司類似項目實際運行值及規(guī)范，綜合計算項目冷負荷18024kW，熱負荷9814kW。其中數據中心3.39萬m2，冷負荷8996kW；其他建筑19.2 萬m2，冷負荷9028kW，熱負荷9814kW。

數據中心用電包括IT、精密空調等，合計電負荷9157kW。

2 項目技術路線確定

為進一步提高項目節(jié)能環(huán)保特性，本項目采用燃氣分布式能源與熱源熱泵耦合的方式，原因如下：

①數據中心冷負荷與電負荷需求比例基本為1：1，能量密度大，且穩(wěn)定，而燃氣分布式能源的內燃發(fā)電機熱電比也基本為1：1，負荷匹配性好。

②數據中心全年不間斷冷負荷需求，使燃氣分布式能源發(fā)電的余熱可充分利用，利用小時數增加，可以顯著提高項目經濟性和能源利用率。

③地源熱泵與燃氣分布式能源相耦合，實現了運營模式上的互補。分布式能源發(fā)電可直接供應地源熱泵用電，余熱可有效解決地源熱泵冬夏季取放熱不平衡對地層溫度和系統(tǒng)運行效率的影響，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性、能效和經濟性均有所提高。

裝機方案為：4 臺2300kW 燃氣內燃發(fā)電機及配套余熱機，1臺制冷功率2650kW制熱功率2450kW的地源熱泵機組和2 臺3850kW 的電制冷機組。

3 項目運行策略分析

本項目采用并網不上網的原則、以熱定電的策略運行，保證余熱充分利用。項目所在地實施峰谷電價，在用電尖峰、高峰、平段和低谷時價格分別為1.4167、1.2884、0.7697 和0.3023 元/kWh。發(fā)電氣價為2.57 元/Nm3，發(fā)電天然氣成本為0.625 元/kWh，故夜間數據中心所有負荷由電網承擔更具經濟效益。

項目數據中心冷負荷和電負荷為全年性的穩(wěn)定負荷，因此本文主要討論其他功能建筑在不同負荷率時項目的整體供應策略。

3.1 夏季工況運行策略

由于該項目在夏季和過渡季夜間數據中心冷負荷均由電制冷和地源熱泵承擔，且冷負荷高于熱負荷，因此若在夏季和過渡季優(yōu)先利用地源熱泵供冷會造成地源側取放不平衡；且制冷工況下地源熱泵機組與電制冷機組相比并無明顯優(yōu)勢，因此在夜間低谷電價時，供冷優(yōu)先選用電制冷機組，不足部分由地源熱泵機組進行補充。

圖1 是項目夏季100%、75%、50%和25%負荷下的運行策略示意圖。夜間低谷電價時，發(fā)電機停機無余熱，其他地塊無冷負荷需求，數據中心冷負荷由電制冷機組及地源熱泵機組共同承擔，且優(yōu)先利用電制冷機組供冷，地源熱泵機組補充供冷。在非低谷電時段，4 臺發(fā)電機組全部開機運行，余熱制冷供應數據中心冷負荷；其他地塊冷負荷由電制冷機組及熱源熱泵機組共同承擔并參與調峰，且優(yōu)先使用電制冷機組，不足時用地源熱泵補充調峰。如圖1b、1c、1d 所示，當白天電制冷機組滿足非數據中心用戶所有供冷需求時，地源熱泵機組不開機。

圖1 夏季工況運行策略示意圖

3.2 冬季工況運行策略

冬季工況時，數據中心冷負荷全部由冷卻塔承擔且負荷穩(wěn)定，因此冬季工況僅討論對其他功能建筑供熱的運行策略。具不同負荷下的運行策略見圖2。

如圖2 所示，夜間低谷電價時，發(fā)電機停機無余熱，用戶熱負荷主要由地源熱泵機組承擔，不足部分啟動余熱冷溫水機組的補燃功能進行補充。非低谷電時段，用戶熱負荷主要由發(fā)電機余熱承擔，不足部分由地源熱泵補充并調峰。

圖2 是項目冬季100%、75%、50%和25%負荷下的運行策略示意圖?；凇耙詿岫?，余熱充分利用”的原則，冬季100%負荷工況下開啟3 臺發(fā)電機，75%負荷工況開啟2 臺發(fā)電機，50%負荷和25%負荷工況開啟1 臺發(fā)電機，不足熱量由地源熱泵提供。

圖2 冬季工況運行策略示意圖

3.3 運行策略校核

根據上述運行策略，計算地源熱泵冬季取熱量1.24 萬GJ，夏季放熱量1.19 萬GJ，則地源熱泵取、放熱量不平衡率為4.3%。在運行階段可通過適當調節(jié)進行有效控制，因此以上運行策略基本合理。

4 經濟效益分析

該項目運行成本由燃氣費、電費、水費、人工費、修理費、管理費等構成。該方案與常規(guī)市電、鍋爐、電制冷方案相比，在同樣供應4342 萬kWh 電、3.8 萬GJ 熱及31 萬GJ 冷情況下，每年可節(jié)約運行成本1000 余萬元，效益顯著。

5 結語

燃氣分布式能源與可再生能源地源熱泵的耦合是未來能源領域發(fā)展的方向，兩類技術的耦合可同時提高項目的安全性、經濟性及系統(tǒng)能效，同時數據中心類項目是燃氣分布式能源的理想實施項目，其負荷特性決定該類項目經濟效益非?？捎^，燃氣分布式能源與地源熱泵的耦合方案、運行策略，較常規(guī)鍋爐、電制冷系統(tǒng)，可以大幅度降低系統(tǒng)運行成本，對于能源服務公司具有可觀的經濟效益，應予以推廣。