綜合能源系統(tǒng)運行策略研究

羅正意, 邵雪奎

(1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410083)

1 引言

在全球化石能源的枯竭和氣候變暖的大背景下，綜合能源系統(tǒng)(Integrated energy systems,IES))由于其綠色高效的特點而受到廣泛的關(guān)注。綜合能源系統(tǒng)被認為是未來社會能源的主要承載形式，特指在規(guī)劃、建設、運行和管理等過程中，通過對能源的產(chǎn)生、輸配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化后形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。

科學合理地選擇綜合能源系統(tǒng)的運行策略對發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能減排效果至關(guān)重要。當前，對綜合能源系統(tǒng)基本運行策略的研究主要集中在以下3種：(1)以電定熱(Following the Electric Load，F(xiàn)EL)[1]，也可稱之為電跟隨模式(Electric Demand Management，EDM)，聯(lián)供系統(tǒng)動力發(fā)電機組發(fā)電優(yōu)先滿足用戶電負荷需求，發(fā)電產(chǎn)生的余熱滿足用戶熱負荷需求，若余熱供熱量不足，則由輔助鍋爐補充，而過剩的熱量存儲或排空。(2)以熱定電(Following the Thermal Load，F(xiàn)TL)[2]，又叫熱跟隨模式(Thermal Demand Management，TDM)，聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)先滿足系統(tǒng)熱負荷需求，不足電量從公共電網(wǎng)購電，對于多余電量按目前政策一般進行存儲或排空，而不能接入公共電網(wǎng)。(3)近些年國內(nèi)外學者對聯(lián)供系統(tǒng)的運行策略進一步研究，提出了一種混合運行策略(Following a Hybrid Electric—thermal Load, FHL)[3-4]，根據(jù)不同工況下用戶熱負荷和電負荷的相對大小關(guān)系，系統(tǒng)選擇以熱定電或以電定熱的策略運行，不足的電能則從電網(wǎng)補充，不足的熱量由輔助鍋爐提供，避免了單一運行方式下電能或熱能的浪費。然而，對于不包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)而言，F(xiàn)EL、FTL、FHL等運行策略并不適用。大量的研究[5-6]表明傳統(tǒng)的化石能源與太陽能、地熱能等可再生能源之間具有互補性，可以很好地彌補各自單獨應用的缺陷。隨著可再生能源在綜合能源系統(tǒng)中大規(guī)模的應用[7-8]，針對不包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)提出一種多能互補的運行策略迫在眉睫。

本文以長沙市某室內(nèi)游泳館綜合能源系統(tǒng)為工程案例，基于系統(tǒng)的各種輸入能源之間的互補特性，提出一種多能互補的運行策略，分別在傳統(tǒng)的運行策略和多能互補運行策略下，對系統(tǒng)的經(jīng)濟、環(huán)保和能效性能進行了對比分析。

2 工程概述

表1 游泳館四個季節(jié)典型日負荷需求 單位：kWh

表2 長沙市四個季節(jié)典型日室外環(huán)境參數(shù)

3 綜合能源系統(tǒng)

3.1 能量樞紐模型

游泳館的綜合能源系統(tǒng)以太陽能、地熱、空氣能、天然氣和電網(wǎng)購電為能量來源，聯(lián)合使用太陽能光伏電池板、平板太陽能集熱器、土壤源熱泵、空氣源熱泵、燃氣鍋爐、蓄電池、儲熱水箱、板式換熱器等設備，以滿足其電負荷、空調(diào)冷負荷、空調(diào)熱負荷和熱水負荷需求?；凇澳芰繕屑~(Energy Hub, EH)”的概念[9]，構(gòu)建的系統(tǒng)EH模型如圖1所示，清楚地描述了系統(tǒng)內(nèi)部能量的流動關(guān)系及耦合機制。系統(tǒng)各設備的容量、經(jīng)濟參數(shù)如表3所示。

圖1 游泳館綜合能源系統(tǒng)EH模型結(jié)構(gòu)圖

表3 游泳館綜合能源系統(tǒng)各設備參數(shù)

3.2 設備數(shù)學模型

為了提高設備建模的精度，獲取更準確的計算結(jié)果，本文在對游泳館綜合能源系統(tǒng)的設備建模時，充分考慮設備的變工況特性，具體建模過程如下。

(1)光伏電池板。光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣影響較大，其發(fā)電功率除了跟光伏電池板的安裝面積有關(guān)，還取決于外界太陽輻射強度和光伏電池板的能量轉(zhuǎn)化效率，可以表示為式(1)，其中電池板的能量轉(zhuǎn)化效率隨外界太陽輻射強度和室外環(huán)境溫度的變化而變化，可由式(2)計算得到[10]。

(1)

(2)

(2)平板太陽能集熱器。與光伏電池板類似，平板太陽能集熱器的輸出功率取決于太陽能集熱器的安裝面積、外界太陽輻射強度和集熱器的能量轉(zhuǎn)化效率。其中，集熱器的效率跟太陽輻射以及集熱器本身的參數(shù)有關(guān)[11]。

(3)

(4)

(3)土壤源熱泵。土壤源熱泵的輸出功率取決于性能系數(shù)和負荷情況，如式(5)所示，而性能系數(shù)取決于土壤源熱泵自身的變工況特性，游泳館的綜合能源系統(tǒng)采用的是垂直單U埋管的土壤源熱泵，其變工況特性可以用式(6)描述[12]。

(5)

FPL=0.8337+0.1967RPL-0.03778RPL2+0.0073RPL3

(6)

(7)

(8)

(4)空氣源熱泵。類似的，游泳館的綜合能源系統(tǒng)采用的空氣源熱泵是變速空氣-水熱泵，其數(shù)學模型如公式(9)所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

(5)燃氣鍋爐。燃氣鍋爐的輸出功率跟其制熱效率和負荷情況有關(guān)，如式(13)所示，而制熱效率取決于鍋爐自身的變工況特性，其變工況特性可以用式(14)描述，燃氣鍋爐的模型如下式所示[13]：

(13)

(14)

(15)

(16)

(6)儲能裝置。游泳館的綜合能源系統(tǒng)的儲能裝置采用鉛酸蓄電池和顯熱儲熱水箱。通過可逆的化學反應，蓄電池實現(xiàn)化學能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，其數(shù)學模型如公式(17)所示[14-15]：

(17)

類似的，顯熱儲熱水箱其數(shù)學模型如公式(18)所示[14-15]：

(18)

4 運行策略

綜合能源系統(tǒng)的運行策略主要包括啟發(fā)式運行策略和優(yōu)化運行策略兩種類型，啟發(fā)式運行策略根據(jù)事先擬定的設備啟停優(yōu)先級制定系統(tǒng)的運行規(guī)則；優(yōu)化運行策略考慮一個調(diào)度周期內(nèi)的運行成本，以調(diào)度周期內(nèi)的總成本最低為目標，優(yōu)化系統(tǒng)運行，獲取系統(tǒng)的運行策略。本文主要探討啟發(fā)式的運行策略。

4.1 傳統(tǒng)運行策略

傳統(tǒng)運行策略下，冷、熱、電等網(wǎng)絡彼此之間無耦合，運行相對獨立。游泳館綜合能源系統(tǒng)傳統(tǒng)運行策略下，電負荷由太陽能電池板、蓄電池和電網(wǎng)滿足，光伏電池板發(fā)電首先用于滿足用戶電負荷需求，富余的電能存儲在蓄電池中；當光伏電池板發(fā)電不足以滿足用戶電負荷需求時，蓄電池放電來提供電力短缺的部分，若蓄電池仍不能滿足剩余的電力需求，從電網(wǎng)中購電?？照{(diào)冷、熱負荷由土壤源熱泵和空氣源熱泵共同提供，空調(diào)冷、熱負荷首先由土壤源熱泵滿足，當土壤源熱泵滿足時，開啟空氣源熱泵。熱水負荷由平板太陽能集熱器、儲熱水箱和燃氣鍋爐共同提供，平板太陽能集熱器首先用于滿足用戶熱水負荷需求，富余的熱水存儲在儲熱水箱中；當平板太陽能集熱器產(chǎn)生的熱身無法滿足用戶熱水負荷需求時，儲熱水箱放熱，若仍不能滿足，燃氣鍋爐開啟提供剩余所需的熱量。

4.2 多能互補運行策略

前文已提到，F(xiàn)EL、FTL、FHL等運行策略并不適用于不包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)。基于不同能源之間的互補性制定綜合能源系統(tǒng)的運行策略，來提高能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性、能效性、穩(wěn)定性和安全性，已經(jīng)取得廣泛共識，并有了不少成功應用[15]?，F(xiàn)有研究表明傳統(tǒng)的化石能源、太陽能、空氣能和地熱能等可再生能源之間具有互補性[16-19]。太陽能發(fā)電、太陽能低溫集熱、土壤源熱泵、空氣源熱泵、燃氣鍋爐等技術(shù)已發(fā)展成熟，可滿足用戶對熱水、區(qū)域供冷/供熱、電能的需求。然而，太陽能具有間歇性、波動性的特點，能量密度低，利用太陽能發(fā)電或集熱容易受到晝夜、天氣、季節(jié)等不利因素的制約，無法實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供能；空氣能利用技術(shù)受外界環(huán)境的影響較大；地熱能相對穩(wěn)定，可以實現(xiàn)連續(xù)供能，能量密度同樣較低，但其開發(fā)利用又受到經(jīng)濟性和場地空間的限制；天然氣能量密度高，可以滿足用戶沖擊負荷的需求，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供能，但經(jīng)濟性相對較低。由此可見，太陽能、地熱能、空氣能、天然氣在時間、空間和品位方面具有很好的互補性，充分利用這種互補性可以很好地彌補各自在單獨應用上的缺陷，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定低成本的供能。

本文針對游泳館的綜合能源系統(tǒng)提出了一種啟發(fā)式的多能互補運行策略，具體介紹如下：

(1)電力供應策略。與傳統(tǒng)運行策略下的電力供應策略類似，光伏電池板發(fā)電首先用于滿足用戶電負荷需求，富余的電能存儲在蓄電池中，無法滿足用戶用電需求時，蓄電池放電，若仍不能滿足，則從電網(wǎng)中購電。

(2)冷量供應策略。游泳館的冷負荷需求為空調(diào)制冷所需的冷量。空調(diào)冷負荷首先由土壤源熱泵提供，當土壤源熱泵提供的冷量不足以滿足空調(diào)冷負荷需求時，空氣源熱泵開啟以滿足剩余部分空調(diào)冷負荷。需要注意的是，當平板太陽能集熱器和儲熱水箱提供的熱水不能滿足熱水負荷需求時，土壤源熱泵和空氣源熱泵中空余的容量用來生產(chǎn)熱水以滿足熱水負荷。

(3)熱量供應策略。游泳館的熱負荷需求為空調(diào)制熱及恒溫泳池池水加熱所需的熱量。與電力供應策略類似，平板太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水首先滿足熱負荷需求。如果平板太陽能集熱器提供的熱量有富余，富余的熱水存儲在儲熱水箱中；當平板太陽能集熱器無法同時滿足空調(diào)制熱及恒溫泳池池水加熱的熱負荷時，平板太陽能集熱器首先用來供應恒溫泳池池水加熱所需的熱量；如果平板太陽能集熱器可以滿足該部分負荷，那么平板太陽能集熱器中富余的熱水和儲熱水箱中儲存的熱水用于提供空調(diào)制熱所需的熱量，此時若不能滿足空調(diào)熱負荷，剩余的空調(diào)熱負荷將依次由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐提供，直至滿足為止；否則，剩余的池水加熱負荷和空調(diào)熱負荷由儲熱水箱、土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐共同承擔。若儲熱水箱可以滿足剩余的池水加熱熱負荷，儲熱水箱將繼續(xù)放熱以提供空調(diào)供熱需求，此時若儲熱水箱提供的熱量不足以滿足空調(diào)熱負荷，那么剩余部分的空調(diào)熱負荷依次由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐提供，直至滿足為止；若儲熱水箱無法滿足剩余的池水加熱熱負荷，則將由土壤源熱泵、空氣源熱泵和燃氣鍋爐承擔空調(diào)熱負荷，其中未被利用的容量可用來滿足剩余的池水加熱負荷。

5 評價指標

5.1 經(jīng)濟性指標

綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性一直以來都是用戶比較關(guān)注的問題。本文采用年值法計算游泳館綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，系統(tǒng)年總費用( Annual Total Cost，ATC) 包括年運行費用和年維護費用兩部分，以公式(19)表示：

(19)

表4 長沙市天然氣和外購電價格

5.2 環(huán)保性指標

近年來，隨著全球氣候變化，世界各國越來越關(guān)注溫室氣體的排放，特別是CO2的排放。因此本文將CO2年排放量(Annual Total CO2Emissions, ATE)作為系統(tǒng)環(huán)保性評價指標，系統(tǒng)CO2年排放量越小，系統(tǒng)越環(huán)保。游泳館綜合能源系統(tǒng)的CO2年排放量可用公式(20)計算：

(20)

5.3能效性指標

在當前使用的多種評價能源系統(tǒng)的能效性的指標中，基于熱力學第一定律的一次能源利用率較為常見。一次能源利用率(Primary Energy Ratio,PER)指的是需求側(cè)系統(tǒng)輸出總能量與供給側(cè)一次能源消耗量的比值，系統(tǒng)一次能源利用率越高，說明系統(tǒng)的節(jié)能性越好。游泳館綜合能源系統(tǒng)的一次能源利用率可以用公式(21)計算：

(21)

6 結(jié)果與討論

根據(jù)建立的綜合能源系統(tǒng)的模型以及系統(tǒng)的運行策略，在MATLAB中模擬系統(tǒng)在春、夏、秋、冬四個季節(jié)典型日的運行情況，各典型日持續(xù)時間分別為77 d、102 d、61 d和125 d，據(jù)此計算分析系統(tǒng)在傳統(tǒng)運行策略和多能互補運行策略下的性能表現(xiàn)。

6.1 經(jīng)濟性分析

根據(jù)四個季節(jié)典型日各時段系統(tǒng)的運行和維護費用，以及各典型日的天數(shù)計算得到的四個季節(jié)兩種運行策略下的運行和維護費用如圖2所示。在春季、秋季和冬季，多能互補運行策略的經(jīng)濟性優(yōu)于傳統(tǒng)運行策略，比傳統(tǒng)運行策略下的運行和維護費用分別低約21.5%、6.8%和24.8%，且在冬季尤為顯著；在夏季，兩種運行方式的經(jīng)濟性一樣。在傳統(tǒng)運行策略和多能互補運行策略下，系統(tǒng)的年運行和維護費用分別為176 810元/a、147 420元/a，多能互補運行策略下的年運行和維護費用比傳統(tǒng)運行策略的減少了約16.7%。因此，多能互補運行策略比傳統(tǒng)的運行策略具有更好的經(jīng)濟性。

圖2 兩種運行策略下不同季節(jié)系統(tǒng)的運行和維護費用

6.2 環(huán)保性分析

系統(tǒng)的環(huán)保性采用CO2年排放量指標來評價。如圖3所示，兩種運行策略下，四個季節(jié)CO2排放量的差距并不明顯，其中，多能互補運行策略下，春季、秋季和冬季的CO2排放量僅比傳統(tǒng)運行策略的增加了約17.4%、8.2%和3.7%，夏季二者的CO2排放量相同，均為55 799 kgCO2。傳統(tǒng)運行策略和多能互補運行策略下，系統(tǒng)的CO2年排放量分別為164 050、170 640 kg/a，多能互補運行策略下的CO2年排放量僅比傳統(tǒng)運行策略的增加了約4%。因此，多能互補運行策略的環(huán)保性僅略低于傳統(tǒng)的運行策略。

圖3 兩種運行策略下不同季節(jié)系統(tǒng)的CO2排放量

6.3 能效性分析

系統(tǒng)的能效性采用一次能源利用率指標來衡量。如圖4所示，兩種運行策略下，春季、秋季和冬季的一次能源利用率差距較為明顯，夏季的一次能源利用率相同。其中，多能互補運行策略下春季、秋季和冬季的一次能源利用率分別比傳統(tǒng)運行策略的增加了約260%、72.5%和192%，夏季二者的一次能源利用率均為5.1。傳統(tǒng)運行策略和多能互補運行策略下，系統(tǒng)的年平均一次能源利用率分別為1.8和3.9，多能互補運行策略下的年平均一次能源利用率比傳統(tǒng)運行策略增加約117%。因此，多能互補運行策略比傳統(tǒng)的運行策略具有更高的能效性。

圖4 兩種運行方式下不同季節(jié)系統(tǒng)的一次能源利用

7 結(jié)論

基于綜合能源系統(tǒng)輸入的不同能源在時間、空間和品位方面的互補性的多能互補運行策略比傳統(tǒng)策略更具有優(yōu)勢。傳統(tǒng)運行策略和多能互補運行策略下系統(tǒng)的經(jīng)濟性、環(huán)保性和能效性的分析表明：多能互補運行策略下系統(tǒng)的年運行和維護費用比傳統(tǒng)運行策略的減少了約16.7%，年平均一次能源利用率比傳統(tǒng)運行策略的增加約117%，但CO2年排放量僅比傳統(tǒng)運行策略的增加了4%，綜合考慮三因素，多能互補運行策略比傳統(tǒng)運行策略更具有優(yōu)勢。