絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與負(fù)荷匹配特性

夏 琦 ，何陽(yáng) ，徐玉杰 ，陳海生 ，鄧建強(qiáng)

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和可再生能源技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了電網(wǎng)負(fù)荷供應(yīng)波動(dòng)大、晝夜電力需求不均的問(wèn)題，而儲(chǔ)能技術(shù)能夠提供解決方案。電力儲(chǔ)能系統(tǒng)按照技術(shù)可分為機(jī)械儲(chǔ)能(抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能)、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等[1]。其中，壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)系統(tǒng)具有高效、無(wú)地形限制、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域有著極其廣闊的發(fā)展前景。

按照壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)熱源分類，可分為燃燒燃料的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、帶儲(chǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)以及無(wú)氣體預(yù)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。而絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(adiabatic compressed air energy storage，A-CAES)系統(tǒng)作為帶儲(chǔ)熱的系統(tǒng)中的一類，比燃燒燃料類系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性更好，比無(wú)氣體預(yù)熱的系統(tǒng)能量密度與效率更高[2]。

針對(duì)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量運(yùn)行模式及系統(tǒng)優(yōu)化研究。劉明義等[3]基于相同的基本配置，比較了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、燃燒燃料的CAES系統(tǒng)以及帶煙氣回?zé)岬腃AES系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，模擬結(jié)果顯示A-CAES系統(tǒng)效率為63.17%，而前兩類系統(tǒng)均不超過(guò)50%。韓中合等[4]比較了A-CAES系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)與膨脹機(jī)均定壓運(yùn)行以及壓縮機(jī)與膨脹機(jī)均滑壓運(yùn)行的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)雙滑壓運(yùn)行方式比雙定壓運(yùn)行方式的?效率更高，?流密度也更大。何青等[5]提出了變壓比的A-CAES系統(tǒng)，隨著儲(chǔ)罐壓力的下降，逐漸減少膨脹機(jī)串聯(lián)的級(jí)數(shù)，通過(guò)串并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓比的分級(jí)膨脹。劉嘉豪等[6]提出采用噴嘴配氣的方式改變膨脹機(jī)流量，研究結(jié)果表明，噴嘴配氣相比節(jié)流配氣功率可提高11.2%，總效率最大可提升9.4%。

除了能用于抵消電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，以及儲(chǔ)存可再生能源產(chǎn)出的多余電力，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)也可用于冷熱電三聯(lián)產(chǎn)。張遠(yuǎn)等[7]構(gòu)建了A-CAES技術(shù)應(yīng)用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)模型，分析了冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型和功輸出模型的能量輸出特性，研究表明冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型最高能量利用系數(shù)為182.3%，最高?效率為77.7%，而功輸出模型最高能量利用系數(shù)與?效率相等，均為72.4%。Liu等[8]對(duì)傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)做了改進(jìn)，僅在第1級(jí)膨脹機(jī)前采用熱水預(yù)熱氣體，第2級(jí)膨脹機(jī)前不再預(yù)熱，并回收第1級(jí)膨脹機(jī)尾氣中的低品質(zhì)熱量以預(yù)熱膨脹前氣體，改進(jìn)系統(tǒng)的末級(jí)膨脹機(jī)后氣體可提供冷量，系統(tǒng)?效率提升了3%。

在實(shí)際應(yīng)用中，冷熱電聯(lián)產(chǎn)的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)需要根據(jù)負(fù)荷的變化來(lái)調(diào)節(jié)電能輸出功率、冷量以及熱量。宋權(quán)斌等[9]將一個(gè)以小型燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合，通過(guò)改變?nèi)細(xì)夤┙o用戶、吸收式制冷設(shè)備和壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的比例來(lái)調(diào)節(jié)冷熱電產(chǎn)出量，結(jié)果顯示耦合系統(tǒng)供能成本比耦合前的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供能成本最高可降低28.7%。Wang等[10]提出當(dāng)膨脹機(jī)處于部分載荷工況時(shí)降低轉(zhuǎn)速可以提高部分載荷工況的膨脹機(jī)效率，文中給出了當(dāng)膨脹機(jī)輸出功率低于額定功率時(shí)應(yīng)當(dāng)采取的一系列最佳轉(zhuǎn)速，匹配最佳轉(zhuǎn)速后膨脹機(jī)等熵效率相較于額定轉(zhuǎn)速模式更高。He等[11]分析了充能階段壓縮機(jī)級(jí)間換熱器冷卻水流量對(duì)冷熱電產(chǎn)出的影響，結(jié)果顯示，改變冷卻水流量可大幅調(diào)節(jié)冷熱電產(chǎn)出，對(duì)電量產(chǎn)出也具有一定影響。

居民生活小區(qū)是對(duì)冷熱電均有需求的典型供能對(duì)象。張鐵峰等[12]調(diào)研了小區(qū)單個(gè)住戶的各類電器的用電特性，并以此建立家庭住戶工作日用電的負(fù)荷模型，模型顯示：住戶的工作日用電特性為早晚為用電峰值，夜晚與工作時(shí)段為用電低谷?？照{(diào)用電不同時(shí)段差異明顯。王連國(guó)[13]調(diào)研了山東某住宅小區(qū)的供熱特性，給出了住房單位面積的熱負(fù)荷實(shí)時(shí)變化模型，模型顯示，住宅熱負(fù)荷在夜間為谷值，在早晨為峰值，其余時(shí)段為平值。朱仁洪等[14]調(diào)研了不同面積的住宅在工作日與非工作日的實(shí)時(shí)冷量負(fù)荷，結(jié)果顯示，無(wú)論是否為工作日，住戶冷量負(fù)荷特征均為夜間和傍晚負(fù)荷大，白天負(fù)荷較小，但非工作日白天冷負(fù)荷高于工作日的冷負(fù)荷。

綜上所述，當(dāng)前壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域的研究多關(guān)注于系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)產(chǎn)出的調(diào)節(jié)，而針對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷端的變化分析以及壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在典型負(fù)荷需求下的冷熱電輸出特性、系統(tǒng)輸出與負(fù)荷匹配等方面的研究不多。據(jù)此，本文構(gòu)建了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型，模擬系統(tǒng)充釋能過(guò)程，分析冷凍水流量與預(yù)熱熱水流量對(duì)系統(tǒng)的冷熱電輸出特性的影響；分析了一個(gè)典型生活小區(qū)在不同季節(jié)的冷熱電負(fù)荷變化；將系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出與小區(qū)住戶冷熱電需求負(fù)荷進(jìn)行匹配以獲取滿足負(fù)荷需求的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；最后通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析將常規(guī)供能小區(qū)的供能成本與由A-CAES系統(tǒng)提供冷熱電的新型小區(qū)的供能成本進(jìn)行了對(duì)比。本工作對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)描述

本工作研究的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)由多級(jí)離心壓縮機(jī)、多級(jí)透平膨脹機(jī)、換熱器、儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)組后的節(jié)流閥、膨脹機(jī)組前的節(jié)流閥等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為4級(jí)壓縮、3級(jí)膨脹，使用節(jié)流閥保證壓縮機(jī)和膨脹機(jī)都始終運(yùn)行在固定的壓比下，即定壓運(yùn)行模式。系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)為：氣體儲(chǔ)罐容積為5000 m3，儲(chǔ)罐內(nèi)最高壓力為10 MPa，最低壓力為4.588 MPa，壓縮機(jī)額定壓比為3.15，額定氣體質(zhì)量流量10 kg/s，膨脹機(jī)額定壓比為3.18，額定氣體質(zhì)量流量10 kg/s，膨脹階段氣體預(yù)熱熱水流量為1.6～4.144 kg/s。在上述系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，得到系統(tǒng)運(yùn)行特性參數(shù)為：充能時(shí)長(zhǎng)為8 h，充能階段壓縮機(jī)組功率為5.64 MW，釋能時(shí)長(zhǎng)為7.2～7.7 h，釋能階段膨脹機(jī)組功率為2.96～3.15 MW，系統(tǒng)除了可充釋電能以外，還可向外界提供冷熱量，根據(jù)設(shè)定的水流量，確定熱水循環(huán)產(chǎn)出的熱水溫度為416 K，冷水循環(huán)產(chǎn)出的冷水溫度為278 K。系統(tǒng)如圖1所示，主要的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1，表1前半部分至膨脹機(jī)前節(jié)流壓力的參數(shù)為系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)，熱循環(huán)蓄熱溫度及以后的參數(shù)為系統(tǒng)運(yùn)行特性參數(shù)。

表1 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of adiabatic compressed air energy storage system

本文采用如下一些運(yùn)行設(shè)定及假設(shè)：①系統(tǒng)使用了5個(gè)儲(chǔ)罐，分別為儲(chǔ)存壓縮氣體的儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)存壓縮階段產(chǎn)熱的熱水保溫水罐、儲(chǔ)存膨脹階段產(chǎn)冷的冷水保溫水罐以及分別供完冷熱之后的回收水罐；②系統(tǒng)產(chǎn)熱一部分用于釋能階段預(yù)熱膨脹氣體，其余全部供給用戶，系統(tǒng)產(chǎn)冷全部供給用戶，充當(dāng)儲(chǔ)熱與儲(chǔ)冷介質(zhì)的水每次循環(huán)時(shí)的初始溫度為環(huán)境溫度；③不同級(jí)數(shù)的壓縮機(jī)壓縮比相同，膨脹機(jī)也是如此。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)性模型

2.1 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)消耗電能，其功耗計(jì)算式如下

式中，Wc為壓縮機(jī)功率；mc為氣體質(zhì)量流量；hc,in為入口氣體焓值；hc,out為出口氣體焓值。本文參考了Zhang等[15]提出的估算離心壓縮機(jī)和軸流壓縮機(jī)非設(shè)計(jì)性能的計(jì)算式，以修正非設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)的運(yùn)行結(jié)果。

2.2 膨脹機(jī)模型

氣體進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹釋能，膨脹機(jī)輸出功率計(jì)算式如下

式中，We為膨脹機(jī)輸出功率；me為氣體質(zhì)量流量；he,in為入口氣體焓值；he,out為出口氣體焓值。考慮到膨脹機(jī)的非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，本文使用了Wang等[10]提出的膨脹機(jī)特征圖用于擬合模型。

2.3 換熱器模型

所有換熱器均為逆流換熱器，采用ε-NTU法建模。換熱量計(jì)算式如下

式中，Q為換熱量；ma為氣體流量；mw為用于換熱的水流量；ha,in、ha,out、hw,in、hw,out分別為氣體進(jìn)出口焓值，水進(jìn)出口焓值。與氣體換熱后的水進(jìn)入儲(chǔ)水罐內(nèi)，不斷混合，最終水溫計(jì)算式如下

式中，hmix為儲(chǔ)罐內(nèi)水單位質(zhì)量焓值；mi為模擬過(guò)程單次積分時(shí)間(20 s)內(nèi)水質(zhì)量流量；hi為該段時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收壓縮熱產(chǎn)出熱水的單位質(zhì)量焓值。通過(guò)水的單位質(zhì)量焓值和壓力可使用狀態(tài)方程計(jì)算出儲(chǔ)罐內(nèi)熱水的最終溫度。

2.4 氣體儲(chǔ)罐模型

采用質(zhì)量方程和能量方程建立了儲(chǔ)罐的動(dòng)力學(xué)模型，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體質(zhì)量和內(nèi)能變化計(jì)算式如下

式中，Mst為儲(chǔ)罐內(nèi)氣體質(zhì)量；ust為氣體單位質(zhì)量?jī)?nèi)能；mst,in為進(jìn)入儲(chǔ)罐的氣體流量；mst,out為出儲(chǔ)罐的氣體流量；hst,in為入儲(chǔ)罐的氣體焓值；hst,out為出儲(chǔ)罐的氣體焓值；Ken,st為儲(chǔ)罐和環(huán)境的傳熱系數(shù)；Ast為儲(chǔ)罐和環(huán)境換熱的表面積；Tst與Ten為儲(chǔ)罐溫度和環(huán)境溫度。

2.5 節(jié)流閥模型

氣體通過(guò)節(jié)流閥的過(guò)程為等焓過(guò)程，式中hin和hout為進(jìn)出節(jié)流閥的氣體焓值。

2.6 經(jīng)濟(jì)性參數(shù)模型

該系統(tǒng)成本分兩部分：運(yùn)行成本即壓縮機(jī)耗電電費(fèi)和系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備成本。收益則來(lái)自三部分：膨脹機(jī)產(chǎn)電的電費(fèi)，壓縮階段產(chǎn)熱的熱量?jī)r(jià)值以及膨脹階段產(chǎn)冷的冷量?jī)r(jià)值。系統(tǒng)年總利潤(rùn)(ATP)計(jì)算式如下

值得注意的是，壓縮過(guò)程產(chǎn)熱部分用于釋能階段預(yù)熱膨脹空氣不計(jì)入熱量?jī)r(jià)值，供給用戶的熱量才計(jì)入熱量?jī)r(jià)值中。式中，Qheat為壓縮熱量；Qcool為冷量；Qpreheat為預(yù)熱氣體熱量；Cpeak為峰值電價(jià)；Cvalley為谷值電價(jià)；Cheat為參考中小型燃煤鍋爐的熱量?jī)r(jià)格；Ccool為冷量?jī)r(jià)格，該價(jià)格為結(jié)合空調(diào)實(shí)時(shí)用電價(jià)格以及假定空調(diào)能效比為3.2計(jì)算而得。這些能量?jī)r(jià)格分別為225.97元/GJ、97.64元/GJ[12]、43.76元/GJ、29.233元/GJ[16]。峰谷電價(jià)的運(yùn)行時(shí)段見(jiàn)表2。

表2 峰谷電價(jià)運(yùn)行時(shí)段Table 2 Operation period of peak valley electricity price

設(shè)備總成本(TIC)計(jì)算式如下

式中，IC為系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的成本，成本計(jì)算式見(jiàn)表3[11]，由于水循環(huán)的設(shè)備成本較低，因此本文僅考慮壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲(chǔ)罐以及換熱器的成本，其他費(fèi)用如安裝費(fèi)用、工程建設(shè)費(fèi)用、預(yù)備費(fèi)等按照系統(tǒng)設(shè)備總費(fèi)用的20%估算[17]。

表3 系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用計(jì)算式Table 3 Calculation formula of system equipment cost

最終給出系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期(SPP)計(jì)算式如下

3 冷熱電供應(yīng)對(duì)象負(fù)荷特性分析

本文中冷熱電供應(yīng)對(duì)象為一個(gè)含660戶住戶的小區(qū)。假定每戶人口數(shù)為3人，住宅面積為100 m2。住宅電力負(fù)荷特性在夏季和非夏季的區(qū)別在于夏季有空調(diào)用電，夏季與非夏季電負(fù)荷變化趨勢(shì)類似，早晨與凌晨前晚上為用電高峰，而凌晨后至清晨以及10:00—17:00點(diǎn)的工作時(shí)段為用電低谷，為典型的工作日用電規(guī)律；住戶冷負(fù)荷只存在于夏季，由空調(diào)用電按照空調(diào)能效比計(jì)算得到；住宅熱負(fù)荷分冬季的供暖熱負(fù)荷和四季的日常用熱水的熱負(fù)荷，因此冬季熱負(fù)荷大于其他季節(jié)的熱負(fù)荷。

圖2為一戶住宅單日用電負(fù)荷的簡(jiǎn)化模型[12]，柱狀圖中綠色部分為空調(diào)用電，黃色部分為除空調(diào)以外的電器用電，假定夏季與非夏季用電特性的區(qū)別僅在于是否有空調(diào)用電，則黃色部分為非夏季住戶的用電功率變化，而疊加后的柱狀圖為夏季住戶的用電功率變化。小區(qū)的冷量需求是根據(jù)空調(diào)用電反推而得：根據(jù)圖2給出的空調(diào)用電需求，并假定空調(diào)能效比為3.2，可得住宅單日冷量需求為0.15 GJ。小區(qū)熱量供應(yīng)分為2個(gè)部分：冬季供暖和全季節(jié)恒定供生活熱水。冬季供暖熱量為一戶單日消耗0.2592 GJ[13]。全季節(jié)單人單日恒定熱水供應(yīng)為50 L，溫度為50℃，假設(shè)該熱水加熱前溫度為環(huán)境溫度即300 K，供熱前后熱水溫差較小，取平均定壓比熱容為4.181 kJ/(kg·K)，則單人單日熱量負(fù)荷為0.00475 GJ，假定一戶3人，則一戶單日消耗熱水的熱量為0.01425 GJ。圖3為住宅單日熱量負(fù)荷模型，圖中橙色部分為固定的熱水需求，綠色部分為實(shí)時(shí)供暖負(fù)荷，冬季單日熱量負(fù)荷為兩者之和即0.273 GJ，非冬季只有熱水的熱負(fù)荷為0.01425 GJ。整合上述單一負(fù)荷的模型，可得整個(gè)小區(qū)的不同季節(jié)的冷熱電負(fù)荷分時(shí)變化如圖4所示，圖中用電負(fù)荷未區(qū)分夏季與非夏季，這是因?yàn)榭照{(diào)耗電已經(jīng)換算為冷量負(fù)荷，不應(yīng)再納入電力負(fù)荷部分。

圖2 住宅單日用電負(fù)荷Fig.2 Daily electric load of a house

圖3 住宅單日熱量負(fù)荷Fig.3 Daily heating load of a house

圖4 小區(qū)冷熱電負(fù)荷分時(shí)變化Fig.4 Variation of residential cooling,heating and electric load

綜上所述，住宅小區(qū)的冷熱電負(fù)荷需求特征可總結(jié)為：全季節(jié)電力負(fù)荷特性一致；只有夏季有冷量需求；冬季熱量負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他季節(jié)的熱量負(fù)荷。

4 系統(tǒng)冷熱電輸出特性

小區(qū)住戶不同季節(jié)冷熱負(fù)荷的差異對(duì)系統(tǒng)冷熱量產(chǎn)出的調(diào)節(jié)范圍提出了要求，需尋找能夠大幅改變冷熱量產(chǎn)出的系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)。

本文研究的調(diào)控參數(shù)共兩個(gè)：釋能階段預(yù)熱熱水流量和釋能階段冷凍水流量。冷凍水為膨脹機(jī)和節(jié)流閥后的換熱器中的換熱介質(zhì)，用于吸收膨脹機(jī)和節(jié)流閥產(chǎn)生的冷量。預(yù)熱熱水為充能階段冷水吸收壓縮熱后的產(chǎn)物，通入膨脹機(jī)前的換熱器中用于預(yù)熱膨脹前氣體，預(yù)熱熱水流量決定了進(jìn)入膨脹機(jī)前氣體的溫度，對(duì)于系統(tǒng)冷熱電的產(chǎn)出有著極其重要的影響。

圖5為不同冷凍水流量下的冷熱電量產(chǎn)出和冷凍水溫度，所有工況點(diǎn)下預(yù)熱熱水流量均為1.6 kg/s以保證冷量產(chǎn)出最大化且膨脹后氣體與冷凍水換熱不會(huì)導(dǎo)致冷凍水結(jié)冰。隨著冷凍水流量從2.5 kg/s升至5.0 kg/s，冷凍水溫度從278 K升至288 K，冷量從23.5 GJ升至25.5 GJ，電量產(chǎn)出和熱量產(chǎn)出基本不變化。可見(jiàn)冷凍水流量對(duì)冷熱電產(chǎn)出的調(diào)控能力極低，但對(duì)冷凍水的品質(zhì)有著重要影響，可選用2.5 kg/s使冷凍水溫度最低。

圖5 不同冷凍水流量下的冷熱電量產(chǎn)出和冷凍水溫度Fig.5 Cooling,heating,electric output and temperature of chilled water under different chilled water mass flow rates

圖6為不同熱水流量下的冷熱電產(chǎn)出，所有工況點(diǎn)冷凍水流量均為2.5 kg/s。隨著熱水流量從1.6 kg/s升至4.144 kg/s，熱量產(chǎn)出和冷量產(chǎn)出均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而電量產(chǎn)出呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。熱量產(chǎn)出范圍為0～107 GJ，冷量產(chǎn)出范圍為0～23.5 GJ，電量產(chǎn)出范圍為76.87～87.61 GJ。熱量產(chǎn)出下降的原因是供給用戶的熱量是充能階段產(chǎn)熱減去釋能階段預(yù)熱量，因此預(yù)熱熱水流量越大，供給用戶的熱量呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。冷量產(chǎn)出下降的原因是隨著熱水流量的增加，氣體預(yù)熱充分，通過(guò)膨脹機(jī)后溫度也隨時(shí)上升，當(dāng)熱水流量為2.4 kg/s時(shí)，產(chǎn)出冷量為0，說(shuō)明此時(shí)膨脹機(jī)后氣體溫度已經(jīng)超過(guò)環(huán)境溫度。電量產(chǎn)出上升的原因是隨著預(yù)熱熱水流量的上升，膨脹機(jī)前氣體預(yù)熱更充分，但熱水流量在升至3.0 kg/s后膨脹機(jī)電產(chǎn)出基本不再提升，這說(shuō)明此時(shí)即使進(jìn)一步提升熱水流量，空氣預(yù)熱后的溫度也不再上升，電量產(chǎn)出基本達(dá)到最大值。

圖6 不同預(yù)熱熱水流量下的冷熱電量產(chǎn)出Fig.6 Cooling,heating and electric output under different preheating hot water mass flow rates

為進(jìn)一步解釋冷熱電產(chǎn)量隨預(yù)熱熱水流量的變化規(guī)律，圖7給出了系統(tǒng)在不同預(yù)熱熱水流量下的充能階段和釋能階段的功率以及時(shí)長(zhǎng)。壓縮機(jī)組功率恒定為5.64 MW，充能時(shí)長(zhǎng)恒定為8 h，因?yàn)樽宰兞績(jī)H影響釋能階段氣體的溫度，對(duì)充能階段無(wú)影響。隨著預(yù)熱熱水流量自1.6 kg/s升至4.144 kg/s，釋能階段膨脹機(jī)組功率自2.96 MW升至3.15 MW，而釋能階段的時(shí)長(zhǎng)自7.2 h上升至7.7 h。釋能時(shí)長(zhǎng)上升的原因是氣體溫度上升導(dǎo)致密度下降，隨之氣體質(zhì)量流量下降，釋能時(shí)間延長(zhǎng)。氣體溫度上升的過(guò)程中，氣體通過(guò)膨脹機(jī)的焓變?cè)龃?，且氣溫更接近膨脹機(jī)額定工作溫度，膨脹機(jī)輸出功率上升。釋能時(shí)間與膨脹機(jī)功率均上升，因此輸出的總電量上升。隨著釋能時(shí)長(zhǎng)的上升以及本身預(yù)熱熱水流量的上升，用于供給用戶的熱量即呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。冷凍水溫度隨著氣體溫度的上升而下降，冷凍水溫度是決定冷量大小的主要因素，釋能時(shí)長(zhǎng)的小幅度增長(zhǎng)對(duì)冷量產(chǎn)出影響不大。

圖7 不同預(yù)熱熱水流量下的充釋能功率和時(shí)長(zhǎng)Fig.7 Power and duration of charging and discharging period under different preheating hot water mass flow rates

5 儲(chǔ)能系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與負(fù)荷匹配特性與經(jīng)濟(jì)性

在獲得了系統(tǒng)冷熱電輸出特性與住戶單日冷熱電的負(fù)荷后，需將兩者進(jìn)行匹配，給出滿足住戶小區(qū)不同季節(jié)冷熱電負(fù)荷的釋能階段預(yù)熱熱水流量。

關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)向小區(qū)供應(yīng)冷熱電量的方式本文提出以下3點(diǎn)假設(shè)：①冷熱電量供應(yīng)小區(qū)的過(guò)程無(wú)損耗；②系統(tǒng)充釋能時(shí)段參考峰谷電價(jià)運(yùn)行時(shí)段，系統(tǒng)充能時(shí)段為谷值電價(jià)時(shí)段，為23:00至次日7:00，系統(tǒng)釋能時(shí)段為峰值電價(jià)時(shí)段，為7:00—11:00和19:00—23:00；③若膨脹機(jī)輸出功率大于小區(qū)需求，則多余電力入網(wǎng)，按峰值電價(jià)計(jì)算收益。對(duì)于產(chǎn)出的多余熱量與冷量則棄用，不計(jì)入收益。

由圖4的小區(qū)冷熱電負(fù)荷分時(shí)變化可得660戶的小區(qū)單日冷負(fù)荷為98.8 GJ；冬季單日熱負(fù)荷為180.5 GJ，非冬季單日熱負(fù)荷為9.4 GJ；全季節(jié)單日電負(fù)荷為57.74 GJ。由系統(tǒng)輸出特性圖6可知，所有工況點(diǎn)電量產(chǎn)出均大于57.74 GJ，現(xiàn)需根據(jù)不同季節(jié)的單日冷熱負(fù)荷，匹配滿足冷熱負(fù)荷的膨脹機(jī)前預(yù)熱換熱器的熱水流量，預(yù)熱熱水流量的選取原則為：在滿足冷熱需求的前提下，盡可能提高電量產(chǎn)出以實(shí)現(xiàn)收益最大化。

圖8為系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與小區(qū)負(fù)荷匹配圖，以春季為例說(shuō)明匹配過(guò)程，在冷熱電產(chǎn)出特性圖上做出熱量負(fù)荷線，與熱量產(chǎn)出特性線交點(diǎn)橫坐標(biāo)為3.9 kg/s，由于冷熱產(chǎn)出隨著熱水流量的增加而降低，因此選取冷熱負(fù)荷線與產(chǎn)出線交點(diǎn)左端的工況點(diǎn)才滿足冷熱需求，但電力產(chǎn)出隨著熱水流量的增加而增加，因此需在滿足冷熱負(fù)荷的前提下選取最右側(cè)的工況點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)電量產(chǎn)出最大化，最終選取3.9 kg/s作為春季預(yù)熱熱水流量。夏季與冬季采用與上述類似的匹配方法，冬季熱量負(fù)荷為180.5 GJ，超出了系統(tǒng)輸出熱量范圍，因此選取1.6 kg/s使熱量產(chǎn)出最大化為107 GJ，剩余熱負(fù)荷由鍋爐補(bǔ)充。夏季冷量負(fù)荷為98.8 GJ，也超出了系統(tǒng)輸出冷量范圍，因此選取1.6 kg/s使冷量產(chǎn)出最大化為23.5 GJ，剩余冷負(fù)荷由空調(diào)補(bǔ)充，熱量負(fù)荷為9.4 GJ，而此時(shí)產(chǎn)出為107 GJ，也滿足需求。綜上，滿足系統(tǒng)夏季、冬季以及春秋季冷熱負(fù)荷的最佳預(yù)熱熱水流量分別為1.6、1.6和3.9 kg/s。

圖8 系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與小區(qū)負(fù)荷匹配Fig.8 matching diagram of cooling,heating and electric output with load of resident

本文比較了常規(guī)供能小區(qū)與由A-CAES系統(tǒng)提供冷熱電的新型小區(qū)的供能成本。常規(guī)供能小區(qū)由燃煤鍋爐供熱，空調(diào)供冷，電網(wǎng)實(shí)時(shí)供電；新型小區(qū)與A-CAES系統(tǒng)視為整體，冷熱量不足部分由空調(diào)及鍋爐補(bǔ)充，電網(wǎng)供電，若A-CAES系統(tǒng)產(chǎn)出的電量大于小區(qū)需求則送入電網(wǎng)，按照峰值電價(jià)計(jì)算收益。表4為常規(guī)供能小區(qū)與新型小區(qū)供能成本對(duì)比，由表可見(jiàn)耦合了A-CAES系統(tǒng)后的小區(qū)在冬季、春秋季節(jié)和夏季相較于常規(guī)供能小區(qū)分別節(jié)省了21.7%、25.8%和13.3%的供能成本，夏季節(jié)省成本明顯低于其他季節(jié)。通過(guò)比較新型小區(qū)春秋季節(jié)和夏季成本后發(fā)現(xiàn)，夏季的冷量成本比春秋季單日降低了1000元，而夏季的電量成本比春秋季高出2200元，兩者熱量成本均為0，可見(jiàn)夏季為產(chǎn)出成本為1000元的冷量而損失了成本為2200元的電量，系統(tǒng)自產(chǎn)冷量的模式經(jīng)濟(jì)性差。若夏季也采用3.9 kg/s的預(yù)熱熱水流量以產(chǎn)出最大電量，而冷量全部由空調(diào)供應(yīng)，則夏季節(jié)省成本比例為20.4%，高于1.6 kg/s的節(jié)省成本比例13.3%。在這一運(yùn)行策略下，整合CAES系統(tǒng)的小區(qū)年供能成本可節(jié)省156萬(wàn)元，所節(jié)省的年供能成本即為系統(tǒng)年總利潤(rùn)（ATP），結(jié)合表5所示的系統(tǒng)各部件成本，可得靜態(tài)投資回收期（SPP）為15.6年。

表4 常規(guī)供能小區(qū)與新型小區(qū)供能成本對(duì)比Table 4 Comparison of energy supply cost between traditional community and new community

表5 系統(tǒng)各部件成本Table 5 System components cost

6 結(jié) 論

（1）住宅小區(qū)的冷熱電負(fù)荷需求特征可總結(jié)為：電力負(fù)荷方面，夏季與非夏季的用電特性區(qū)別為是否使用空調(diào)，當(dāng)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)全部冷量后，全季節(jié)電力負(fù)荷特性一致。冷量負(fù)荷方面，只有夏季有冷量需求；熱量負(fù)荷方面，冬季熱量負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他季節(jié)的熱量負(fù)荷。

（2）為滿足不同季節(jié)的負(fù)荷需求，尤其是季節(jié)差距較大的冷熱負(fù)荷，本文探究了兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)：預(yù)熱熱水流量和冷凍水流量。其中，預(yù)熱熱水流量能有效調(diào)控系統(tǒng)單日冷熱量的產(chǎn)出，對(duì)電量產(chǎn)出也有一定影響。而冷凍水流量基本只影響冷水品質(zhì)，因此建議選取定值2.5 kg/s使冷凍水品質(zhì)更高。

（3）匹配系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出與小區(qū)負(fù)荷，即在盡可能滿足冷熱負(fù)荷的條件下選取電量產(chǎn)出最大化的運(yùn)行參數(shù)，得到夏季、冬季以及春秋季的預(yù)熱熱水流量分別為1.6、1.6和3.9 kg/s。但在后續(xù)經(jīng)濟(jì)性分析中發(fā)現(xiàn)夏季采用3.9 kg/s的熱水流量，而冷量負(fù)荷全部由空調(diào)承擔(dān)的模式節(jié)省成本比例為20.4%，高于1.6 kg/s工況的13.3%，因此夏季采用較高的熱水流量使產(chǎn)電量最大化為宜。

（4）比較了常規(guī)供能小區(qū)與由A-CAES系統(tǒng)供能的新型小區(qū)的供能成本，發(fā)現(xiàn)新型小區(qū)相較于常規(guī)供能小區(qū)在冬季、春秋和夏季分別可節(jié)省21.7%、25.8%和20.4%的單日供能成本。年供能成本可節(jié)省156萬(wàn)，系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期為15.6年。