未來低碳社區(qū)多聯(lián)供能源轉(zhuǎn)換及碳排放特性分析

俞李斌， 顧新壯， 竇蓬勃， 林俊光，張 曦， 趙申軼， 代彥軍

(1．浙江省低品位能源利用國際聯(lián)合實驗室，杭州 311100； 2．浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311100；3．上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

在傳統(tǒng)城市的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭、石油等化石燃料占據(jù)主導地位，其燃燒過程中會產(chǎn)生大量的SO2、CO2和NOx等有害氣體[1]，這些污染物對土壤、大氣和水源造成不可逆的傷害，因此現(xiàn)代城市在發(fā)展建設(shè)過程中越來越注重對再生能源的利用[2]。我國擁有豐富的太陽能、生物質(zhì)能等再生能源，中國能源研究會預(yù)測十四五期間將新增太陽能裝機(2.5～3)億kW，在能源比例上非化石能源占比將提高(3～5)個百分點，因此充分利用當?shù)卦偕茉?，并結(jié)合冷熱電聯(lián)供技術(shù)以解決能源供給問題，是實現(xiàn)未來社區(qū)低碳低能耗的重要途徑。

國內(nèi)外的未來社區(qū)案例有英國貝丁頓社區(qū)、瑞典斯德哥爾摩哈馬比社區(qū)、北京中糧萬科長陽半島和天津中心生態(tài)城[3]等社區(qū)，這些社區(qū)普遍利用太陽能、固體廢棄物和風能等再生能源進行發(fā)電，同時利用集熱器和熱泵等設(shè)備進行制冷和供熱。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括電力子系統(tǒng)、制冷空調(diào)子系統(tǒng)和采暖子系統(tǒng)，具有高效、經(jīng)濟等顯著特點[4-5]，冷熱電聯(lián)供在未來低碳社區(qū)的應(yīng)用上具有較高的經(jīng)濟價值和推廣前景。

貴州省具有較好的農(nóng)林生物質(zhì)資源和太陽輻照度，筆者以貴州省某地的未來低碳社區(qū)為例來分析其耗電量、采暖負荷及冷負荷，并利用氣化發(fā)電、光伏組件、制冷空調(diào)和集熱器等技術(shù)和設(shè)備進行供能平衡分析，本研究對于冷熱電聯(lián)供在未來低碳社區(qū)的應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 未來低碳社區(qū)概況

1.1 未來低碳社區(qū)介紹

未來低碳社區(qū)擬在貴州省規(guī)劃建設(shè)，總體規(guī)劃面積為328 km2。貴州省屬于亞熱帶季風濕潤氣候，氣候溫和。該社區(qū)在2020年月平均日照時長為85.8 h，太陽年輻射總量約為3 400～3 700 MJ/m2，年平均氣溫為15.7 ℃，最低氣溫為-2.3 ℃，月極端氣溫差為14～23.9 K，春、冬季節(jié)晝夜溫差較大[6]。

根據(jù)圖1中標注的功能定位，未來低碳社區(qū)可以劃分為住宅區(qū)、醫(yī)療教育區(qū)和生態(tài)區(qū)三大區(qū)域。住宅區(qū)和醫(yī)療教育區(qū)采用生活固體廢棄物氣化發(fā)電、光伏組件、燃氣爐、集熱器和制冷空調(diào)等技術(shù)和設(shè)備來滿足對電、熱、冷需求，其中住宅1區(qū)～4區(qū)規(guī)劃面積分別為634.06 hm2、380.37 hm2、462.75 hm2和594.04 hm2，對應(yīng)的可用于建設(shè)用地的面積分別為409.91 hm2、378.11 hm2、437.92 hm2和514.3 hm2，醫(yī)療教育區(qū)可規(guī)劃的用地面積和可用于建設(shè)用地的面積分別為1 280.78 hm2和767.77 hm2。生態(tài)南區(qū)和北區(qū)主要運用光伏組件、生物質(zhì)原料氣化發(fā)電和集熱器等設(shè)備和技術(shù)來滿足自身電、熱需求，同時依靠溴化鋰機組進行冷量平衡，生態(tài)南區(qū)和北區(qū)可規(guī)劃的用地面積分別為1 454.52 hm2和2 224.13 hm2，建設(shè)用地面積所占比例均為10%。

圖1 未來低碳社區(qū)能源分區(qū)規(guī)劃示意圖

1.2 供能平衡技術(shù)方案

如圖2所示，該社區(qū)可利用生物質(zhì)能和太陽能等再生能源，同時發(fā)電量外聯(lián)市電外網(wǎng)進行動態(tài)自維持，制熱量外聯(lián)市政燃氣以確保額外熱源的補充。社區(qū)可利用的生物質(zhì)能主要包括生活固體廢棄物和農(nóng)林生物質(zhì)，其中住宅區(qū)和醫(yī)療教育區(qū)利用區(qū)域內(nèi)的生活固體廢棄物進行氣化發(fā)電，生態(tài)區(qū)則利用農(nóng)林生物質(zhì)進行氣化發(fā)電。生活固體廢棄物和農(nóng)林生物質(zhì)等生物質(zhì)原料可經(jīng)過氣化爐轉(zhuǎn)化為CO、CH4和H2等可燃氣體，可燃氣體在內(nèi)燃機發(fā)電機組中由化學能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，其中煙氣和缸套水等的余熱用于驅(qū)動雙效溴化鋰機組制取冷量。

對于太陽能，社區(qū)主要通過光伏組件、農(nóng)光互補和集熱器等方式進行利用，其中住宅區(qū)和醫(yī)療教育區(qū)利用光伏組件和集熱器進行發(fā)電和制熱，生態(tài)區(qū)可利用農(nóng)光互補進行發(fā)電。天然氣作為社區(qū)的補充熱源，一方面當內(nèi)燃機余熱不足時可以輔助驅(qū)動溴化鋰機組制取冷量，另一方面可通過燃氣爐等裝置為用戶直接供熱。夏季冷負荷較大時，富余電量可被用于制冷空調(diào)制取冷量。

圖2 未來低碳社區(qū)供能平衡技術(shù)方案

2 數(shù)學模型

2.1 社區(qū)負荷

社區(qū)中不同類型建筑的耗電量為：

(1)

式中：Eb為該社區(qū)建筑的耗電量，(kW·h)/a；Ei為貴州省不同類型建筑物的近零能耗單位耗電量，(kW·h)/(m2·a)；Ri為容積率；Ai為用地面積，m2;i=1～5分別表示居住建筑、辦公建筑、醫(yī)院建筑、商業(yè)建筑和公用設(shè)施。

社區(qū)的市政交通耗電量Emt主要由通行交通工具和道路照明裝置2個部分的耗電量組成：

Emt=mebEeb+mlEl

(2)

式中：meb和ml分別為電動汽車和路燈的數(shù)量，分別取3萬輛和7 500盞；Eeb和El分別為電動汽車和路燈的單位耗電量，分別取3 600 kW·h和900 kW·h。

社區(qū)的冬季采暖負荷和夏季冷負荷為：

(3)

(4)

式中：Qh和Qc分別為該社區(qū)建筑的采暖負荷和冷負荷，MJ/a；qh,i和qc,i分別為貴州省不同類型建筑物的單位采暖負荷和單位冷負荷，MJ/(m2·a)；Fi為不同類型建筑物的建筑面積，m2。

因為道路及公用設(shè)施主要由道路用地、供應(yīng)設(shè)施及綠化等用地構(gòu)成，所以不考慮道路及公用設(shè)施的冬季采暖負荷及夏季冷負荷。

表1為貴州省近零能耗建筑的單位耗電量、單位采暖負荷和單位冷負荷，表2為社區(qū)各區(qū)域的建筑面積，其取值標準參考文獻[7]和文獻[8]。

表1 近零能耗建筑的單位負荷

表2 未來低碳社區(qū)各區(qū)域的建筑面積

2.2 機組模型

生物質(zhì)原料在氣化爐內(nèi)的熱化學反應(yīng)方程式[9-10]為:

CaHbOcNdSe+f(O2+3.76N2)+gH2O=

hH2+iCO+jCO2+kH2O+lCH4+mN2+

nNO2+pSO2+ncharC+ntarC6H6

(5)

式中：f～p為單位時間內(nèi)各氣體的物質(zhì)的量的變化量，mol/s；nchar和ntar分別為生成物中焦炭和焦油的生成量，mol/s。

合成氣的低位發(fā)熱量與CO、CH4和H2等可燃氣體的比例有關(guān)：

Ql,sg=108φH2+126φCO+359φCH4

(6)

式中：Ql,sg為合成氣的低位發(fā)熱量，MJ/m3；φH2、φCO和φCH4分別為H2、CO和CH4占合成氣的體積分數(shù)。

內(nèi)燃機發(fā)電機組的發(fā)電效率η為：

η=28.08×(6.62×10-3-6.41×10-3×0.824Nel)×

(7)

光伏光熱組件的電效率和熱效率[11]分別為：

(8)

(9)

式中：ηe、ηh和ηref分別為光伏光熱組件的電效率、熱效率和電池標稱效率，%；tc和tref分別為特征溫度和參考溫度，分別取270 ℃和25 ℃；tpv為光伏板的溫度，℃；qm為空氣的質(zhì)量流量，kg/s；cp為空氣的比熱容，J/(kg·K)；tin和tout分別為空氣的進、出口溫度，℃；A為光伏板面積，m2；I為太陽輻射強度，W/m2。

溴化鋰機組的冷凝器制冷量Qac和蒸發(fā)器的熱源熱量Qac,g[12]分別為：

Qac=15.459(tG-2.162tcw+4.499te)-911.572

(10)

Qac,g=10.807(tG-2.162tcw+4.499te)-603.85

(11)

式中：tG和te分別為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，℃；tcw為冷卻水進口溫度，℃。

住宅區(qū)、醫(yī)療教育區(qū)和生態(tài)區(qū)的基地總面積、人口數(shù)量、農(nóng)林面積和光伏組件面積等數(shù)據(jù)分別見表3和表4。

2.3 運行策略

2.3.1 以電定熱

以電定熱運行策略優(yōu)先考慮未來低碳社區(qū)的供電平衡，即生物質(zhì)原料和燃氣的消耗量取決于內(nèi)燃機發(fā)電機組的發(fā)電量[13]；制熱量由內(nèi)燃機發(fā)電機組的發(fā)電量決定，不足時由集熱器和燃氣補充；溴化鋰機組制冷量由內(nèi)燃機發(fā)電機組余熱和燃氣決定，不足時由制冷空調(diào)補充冷量。

表3 住宅區(qū)和醫(yī)療教育區(qū)生活固體廢棄物量和光伏組件面積

表4 生態(tài)區(qū)的生物質(zhì)原料量和光伏組件面積

氣化發(fā)電機組的發(fā)電需求量為：

(12)

式中：Epvt為光伏光熱組件的發(fā)電量，kW。

社區(qū)從市外電網(wǎng)的需求電量Egrid,in為：

Egrid,in=Eb+Emt-Epvt-Nel

(13)

從內(nèi)燃機發(fā)電機組中回收的余熱Qeh為：

(14)

式中：Qeh,cal為可從內(nèi)燃機發(fā)電機組中回收的余熱的理論計算最大值，kW;Qpvt為集熱器發(fā)電量，kW。

為滿足采暖負荷，社區(qū)對市政燃氣的需求量Vng,h為：

(15)

式中：ηgf為燃氣爐的效率。

當溴化鋰機組的制冷量小于社區(qū)冷負荷時，社區(qū)用于制冷空調(diào)的需求電量Egrid,c和為溴化鋰機組提供額外熱源而消耗的天然氣量Vng,c分別為：

(16)

(17)

式中：Qac,max是溴化鋰機組最大制冷量，kW；CCOP為制冷空調(diào)的性能系數(shù)；Qc,eh為內(nèi)燃機發(fā)電機組余熱的最大制冷量，kW；Qeh,de為達到溴化鋰機組熱源驅(qū)動溫度所需要的熱量，kW；Qeh,max為可從內(nèi)燃機發(fā)電機組中回收的余熱最大值，kW；Qeh,de,max為溴化鋰機組最大制冷量時達到熱源驅(qū)動溫度所需要的熱量，kW。

2.3.2 以冷定電

以冷定電運行策略則優(yōu)先考慮未來低碳社區(qū)的制冷平衡，在滿足驅(qū)動溴化鋰機組制冷量和制冷空調(diào)制冷量的前提下考慮發(fā)電量，制冷量不足時由光伏組件補充；制熱量不足時由集熱器和燃氣補充。該策略需要分以下2種情況討論。

當Qc

Nel=

(18)

式中:Nel,cal和Nel,max分別為內(nèi)燃機發(fā)電機組的計算發(fā)電量和最大發(fā)電量，kW。

從內(nèi)燃機發(fā)電機組中回收的余熱為：

(19)

為平衡額外電負荷與額外采暖負荷，對市外電網(wǎng)的需求電量Egrid,in和市政燃氣的需求量Vng,h可分別根據(jù)以電定熱運行策略下的式(13)和式(15)計算；制冷空調(diào)的額外需求電量Egrid,c和為溴化鋰機組提供額外熱源而消耗的天然氣量Vng,c均為零。

當Qc>Qac,max時，生物質(zhì)原料的消耗量取決于溴化鋰機組最大制冷量。內(nèi)燃機發(fā)電機組的發(fā)電需求量Nel和從內(nèi)燃機發(fā)電機組中回收的余熱Qeh可由式(18)和式(19)計算得到；對市外電網(wǎng)的需求電量Egrid,in由式(13)計算得到；制冷空調(diào)的額外需求電量Egrid,c由式(16)計算得到；為溴化鋰機組提供額外熱源而消耗的天然氣量Vng,c為零。

2.4 性能指標

本系統(tǒng)采用CO2氣體減排率Ccer來評估系統(tǒng)的運行性能，其定義式[14]為：

(20)

Egrid=Egrid,in+Egrid,c

(21)

Vng=Vng,h+Vng,c

(22)

式中：Ce,bio為生物質(zhì)原料的CO2氣體當量率，kg/kg；Ce,grid和Ce,AI分別為市外電網(wǎng)和光伏發(fā)電量的CO2氣體當量率，kg/(kW·h)；Ce,ng為天然氣的CO2氣體當量率，kg/m3；mbio為生物質(zhì)原料消耗量，kg/h;Egrid,con為傳統(tǒng)系統(tǒng)下電量，kW·h；Vng,con為傳統(tǒng)系統(tǒng)下天然氣的消耗量，m3/h。

2.5 計算流程

系統(tǒng)模型的計算流程圖如圖3所示。首先，計算未來低碳社區(qū)中住宅區(qū)、醫(yī)療教育區(qū)和生態(tài)區(qū)等各個區(qū)域的電負荷、冬季采暖負荷和夏季冷負荷，進而確定對耗電量、供暖量和制冷量的需求量。其次，選取住宅1區(qū)作為典型案例來進一步分析內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電量和溴化鋰機組制冷量對市外電網(wǎng)輸入電量、天然氣消耗量、生物質(zhì)原料消耗量和CO2氣體減排率等參數(shù)的影響。最后，以CO2氣體減排率達到最大值為運行目標，對社區(qū)整體的供電平衡、供熱平衡和制冷平衡進行分析與討論。

圖3 模型計算流程圖

3 結(jié)果與討論

3.1 社區(qū)負荷分析

圖4給出了未來低碳社區(qū)的電負荷、采暖負荷及冷負荷情況。該社區(qū)的全年耗電量、冬季采暖負荷和夏季冷負荷分別為8.28×108(kW·h)/a、2.457×109MJ/a和1.564×109MJ/a，由于醫(yī)療教育區(qū)中能耗水平較高的教育辦公用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地和商業(yè)設(shè)施用地等面積遠遠大于其他區(qū)域面積，并且有實驗醫(yī)療器材等高耗能設(shè)備，因此最大耗電量、最大采暖負荷和最大冷負荷均為醫(yī)療教育區(qū)，分別占32.4%、41.5%和54.5%。生態(tài)北區(qū)電負荷、采暖負荷和冷負荷所占比例均高于生態(tài)南區(qū)，生態(tài)北區(qū)/生態(tài)南區(qū)占3種負荷總量的比例分別為7.6%/5%、13.1%/8.5%和16.6%/10.8%。

(a) 電負荷

(b) 采暖負荷

(c) 冷負荷

住宅1區(qū)～3區(qū)的電負荷和采暖負荷所占比例較為接近，在8%～9%，而住宅3區(qū)冷負荷所占比例為2.2%，明顯低于住宅1區(qū)～2區(qū)冷負荷所占比例(3.5%～5%)，其原因在于住宅3區(qū)的商業(yè)設(shè)施用地面積明顯小于住宅1區(qū)～2區(qū)，此外，由于住宅4區(qū)的教育辦公用地面積和商業(yè)設(shè)施用地面積明顯高于其余住宅分區(qū)，因此住宅4區(qū)電負荷、采暖負荷和冷負荷所占比例均高于住宅1區(qū)～3區(qū)，分別為12.6%、11.6%和7.3%。

該社區(qū)全年運行的主要負荷為電負荷和采暖負荷，所占比例分別為42.57%和35.1%，冷負荷所占比例較低，為22.33%，其原因在于貴州省位于建筑氣候區(qū)劃中的溫和地區(qū)，表1中單位冷負荷值略低于單位采暖負荷值，且居住建筑采用被動式超低能耗，無大型冷負荷需求。

3.2 住宅1區(qū)供能平衡分析

圖5中，在2種運行策略下，Egrid的變化范圍為0～1 995 kW。根據(jù)式(13)和式(16)，隨著Nel和Qac的增加，Egrid的總體趨勢均為降低。當Qac保持不變且Nel大于90%時，圖5(a)中的Egrid不隨Nel的變化而變化，其原因為Nel大于90%時已滿足住宅1區(qū)的電負荷，該原因也同樣適用于圖5(b)中Qac大于30%時Egrid隨Nel的變化情況。當Qac等于10%時，隨著Nel由10%增加至100%，圖5(b)中Egrid由1 995 kW下降到1 475 kW，而圖5(a)中Egrid由1 995 kW下降到489 kW，其原因為以冷定電運行策略下，生物質(zhì)原料的消耗量取決于冷負荷，當Qac較小時，mbio也較低，導致Nel較低，因此相對于圖5(a)，圖5(b)需要較大的Egrid來達到供電平衡。

(a) 以電定熱

(b) 以冷定電

(a) 以電定熱

(b) 以冷定電

(a) 以電定熱

(b) 以冷定電

當Qac等于10%且Nel等于90%時，圖6(a)中Vng最小值為1 645 kW，其原因為當Qac保持不變，根據(jù)式(15)，內(nèi)燃機發(fā)電機組的余熱隨著發(fā)電量的增加而增加，Vng逐漸降低。同時，當Qac小于20%和Nel大于80%時，以電定熱運行策略下的內(nèi)燃機發(fā)電機組所回收的余熱為定值，Vng也保持一致，之后隨著Qac增加，由于需要為溴化鋰機組提供驅(qū)動熱量，Vng隨之增加。當Qac等于40%且Nel等于100%時，圖6(b)中Vng最小值為2 660 kW，其原因為當Qac小于30%時，以冷定電運行策略下，內(nèi)燃機發(fā)電機組的余熱和發(fā)電量均較低，導致Vng較高。

圖7(a)中以電定熱運行策略下，mbio僅與Nel有關(guān)，且當Nel大于90%時，mbio最大值為5 424 kW，其原因為此時已滿足住宅1區(qū)的電負荷。對于圖7(b)，當Qac大于30%且Nel等于100%時，mbio最大值為6 488 kW。圖7(b)中mbio大于圖7(a) 中mbio的原因為住宅1區(qū)最大冷負荷大于最大電負荷，同時在以電定熱運行策略滿足需求電量的前提下，其發(fā)電量略低于額定發(fā)電量。

由圖5～圖7可知，當內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電量和溴化鋰機組制冷量取最大值，即分別為2 064 kW和1 900 kW時，以電定熱和以冷定電2種運行策略下住宅1區(qū)的Egrid、Vng和mbio分別為0 kW、2 971 kW、5 392 kW和0 kW、2 701 kW、6 488 kW。

3.3 CO2氣體減排率分析

圖8給出了住宅1區(qū)在以冷定電運行策略下Nel和Qac對CO2氣體減排率的影響。由圖8可知，隨著Nel和Qac的增加，Ccer總體趨勢為逐漸增加，住宅1區(qū)Ccer的最小值和最大值分別為0.598和0.710，即當住宅1區(qū)主要采用光伏組件、市外電網(wǎng)供電、市政燃氣和集熱器進行供能時，相對于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)可降低59.8%的CO2減排量，并且隨著Nel和Qac的增加，CO2氣體減排率最高可上升至71%。

圖8 以冷定電運行策略下CO2氣體減排率變化

住宅1區(qū)最終選擇的系統(tǒng)配置如下：內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電量為2 064 kW，溴化鋰機組的制冷量為1 900 kW，燃氣爐功率為2 700 kW，氣化爐機組進料速率為1 335 kg/h，光伏組件布置面積為41.7 hm2。

3.4 社區(qū)整體供能分析

圖9給出了未來低碳社區(qū)的供電平衡、供熱平衡和制冷平衡情況。社區(qū)各區(qū)域的發(fā)電量主要來自光伏發(fā)電，其余部分由內(nèi)燃機發(fā)電機組進行調(diào)配和補充。對于供電平衡，住宅區(qū)和生態(tài)區(qū)的光伏和生活固體廢棄物發(fā)電量可滿足自身的電負荷需求，此外，醫(yī)療教育區(qū)電負荷大于發(fā)電量，因此需要將生態(tài)區(qū)富余發(fā)電量輸送到醫(yī)療教育區(qū)以補充電力，社區(qū)整體在電力調(diào)度的基礎(chǔ)上仍富余1.06×108(kW·h)/a電能，多余電力可考慮用于制冷空調(diào)以平衡冷負荷。

圖9 未來低碳社區(qū)整體供能平衡

社區(qū)制熱量由集熱器制熱量、燃氣制熱量和內(nèi)燃機制取熱水量等組成，制熱量主要來自于前兩者，而內(nèi)燃機制熱量所占比例較小，其原因為機組余熱主要用于驅(qū)動溴化鋰機組，同時缸套水余熱和煙氣余熱通過換熱器制取熱水后又分別返回機組和排入環(huán)境中。供熱平衡情況類似于電負荷，除醫(yī)療教育區(qū)外，住宅區(qū)和生態(tài)區(qū)中的制熱量均大于各區(qū)域的采暖負荷，生態(tài)區(qū)富余的熱量可由熱力管道輸送到醫(yī)療教育區(qū)，此時社區(qū)整體富余2.28×108MJ/a電能。

對于制冷量，住宅區(qū)和生態(tài)區(qū)利用內(nèi)燃機發(fā)電機組余熱和燃氣供熱來驅(qū)動溴化鋰機組制冷，可以滿足各區(qū)域的夏季冷負荷，醫(yī)療教育區(qū)在溴化鋰機組制冷的基礎(chǔ)上，利用社區(qū)富余電力驅(qū)動制冷空調(diào)，可滿足額外的冷負荷。根據(jù)本節(jié)對醫(yī)療教育區(qū)供能情況的分析，除市外電網(wǎng)和市政燃氣的動態(tài)自維持外，后期可以考慮增加醫(yī)療教育區(qū)光伏組件和集熱器的布置面積，從而減少生態(tài)區(qū)電力與熱量的調(diào)度。

4 結(jié) 論

(1) 未來低碳社區(qū)的全年耗電量、采暖負荷和冷負荷分別為8.28×108(kW·h)/a、2.457×109MJ/a和1.564×109MJ/a，所占比例分別為42.57%、35.1%和22.33%。

(2) 住宅1區(qū)的系統(tǒng)配置如下：內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電量為2 064 kW，溴化鋰機組的制冷量為1 900 kW，燃氣爐功率為2 700 kW，氣化爐機組進料速率為1 335 kg/h，光伏組件布置面積為41.7 hm2。

(3) 隨著內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電量和溴化鋰機組制冷量的增加，住宅1區(qū)的CO2氣體減排率從59.8%升高至71%。