某商業(yè)綜合體項(xiàng)目燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備容量的確定方法

張瑜

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)通過(guò)對(duì)能源的梯級(jí)利用[1]，一方面可以較好地解決項(xiàng)目的供熱制冷問(wèn)題、降低運(yùn)行成本，另一方面可增加自發(fā)電系統(tǒng)，保障項(xiàng)目的電力需求，提高供電可靠性和安全性，具有較高的能源綜合利用率[2]。三聯(lián)供系統(tǒng)具有電力燃?xì)庀碾p重削峰填谷、改善城市能源結(jié)構(gòu)[3]、顯著的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用逐漸增多。 目前，三聯(lián)供系統(tǒng)主要應(yīng)用在有恒定用熱的醫(yī)院、酒店項(xiàng)目中，而商業(yè)建筑內(nèi)應(yīng)用較少[4-5]，主要因?yàn)樯虡I(yè)建筑的用能特點(diǎn)不同。商業(yè)建筑冷熱負(fù)荷不均勻、熱電不平衡、部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于這樣的項(xiàng)目，三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機(jī)容量的選擇成為整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵[6]，近年來(lái)，也有對(duì)以熱定電、以電定熱、甚至以應(yīng)急電源大小確定燃?xì)鈾C(jī)組容量的探討[7-8]，但商業(yè)項(xiàng)目較少，且建模方法相對(duì)復(fù)雜。 本文從另一個(gè)思路，按全年機(jī)組提供高效累計(jì)負(fù)荷最大原則，通過(guò)對(duì)商業(yè)項(xiàng)目負(fù)荷特性進(jìn)行分析，解析不同負(fù)荷率下的小時(shí)數(shù)方程，確定發(fā)電設(shè)備的最優(yōu)容量，并通過(guò)投資回報(bào)對(duì)比分析，驗(yàn)證此方法的可行性。

1 確定思路

重慶地區(qū)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)只能并網(wǎng)，不能上網(wǎng)，方案需以電能“自發(fā)自用為主、余熱利用最大化”的原則進(jìn)行設(shè)備選型。 燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組和余熱型吸收機(jī)組的初投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用較低，為了保證聯(lián)供系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性，聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率和余熱利用率應(yīng)盡可能高，因此《燃?xì)夥植际侥茉唇ㄖ?yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]也作出了相關(guān)規(guī)定：“聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應(yīng)大于70%， 且發(fā)電設(shè)備最大利用小時(shí)數(shù)不應(yīng)小于2000h， 不宜小于3000h。 ”

燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)選擇發(fā)電機(jī)容量時(shí)，按照“以熱定電”的原則，通過(guò)空調(diào)熱負(fù)荷來(lái)確定發(fā)電機(jī)容量，其特點(diǎn)是最大程度地利用燃機(jī)所排放的熱量，提高能源利用率。發(fā)電機(jī)組選型過(guò)大，則滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)會(huì)減少；發(fā)電機(jī)組選型過(guò)小，雖能保證運(yùn)行小時(shí)數(shù)，但對(duì)全年空調(diào)系統(tǒng)高效累計(jì)負(fù)荷不一定最大，為了尋求發(fā)電機(jī)組余熱對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的最大貢獻(xiàn)值，必須求解負(fù)荷與小時(shí)數(shù)特性曲線的極值，找到最優(yōu)解。

2 商業(yè)建筑全年空調(diào)負(fù)荷特性

項(xiàng)目建筑面積約46 萬(wàn)㎡，其中空調(diào)面積約19 萬(wàn)㎡。 該項(xiàng)目地下2 層，地上4 層，主要功能包含商業(yè)步行街、宴會(huì)廳、超市、電影院和中心娛樂(lè)區(qū)等，高度為30m，為一類高層公共建筑。 根據(jù)業(yè)態(tài)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和管理需求，以及地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可再生能源利用的要求，方案確定影院預(yù)留風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)，后期業(yè)主自行安裝，其余業(yè)態(tài)共用一套燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，此系統(tǒng)能源綜合利用率高，符合國(guó)家的能源戰(zhàn)略和節(jié)能目標(biāo)。

根據(jù)本地地區(qū)氣候特點(diǎn)，結(jié)合該項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)時(shí)間（10：00～22：00），參考《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]，全年空調(diào)夏季運(yùn)行時(shí)間設(shè)置如下：每年5 月1 日至10 月15 日共168 天，每日9：00 至21：00 共12h，供冷季運(yùn)行2016h；全年冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間設(shè)置如下： 每年12 月1 日至次年2 月28 日共90 天， 每日9：00至21：00 共12h，供熱季運(yùn)行1080h。 采用DEST 對(duì)該項(xiàng)目空調(diào)全年進(jìn)行逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算， 得出系統(tǒng)夏季供冷負(fù)荷40853kW，冬季供熱負(fù)荷7056.8kW。 導(dǎo)出冬夏季每個(gè)小時(shí)的負(fù)荷率，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1、表2。

表1 夏季不同負(fù)荷率下的小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 冬季不同負(fù)荷率下的小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)夏季不同負(fù)荷率下的小時(shí)數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 用Excel 擬合二次方程，得到負(fù)荷率與小時(shí)數(shù)之間的關(guān)系（圖1）：

圖1 夏季負(fù)荷率與小時(shí)數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖

式中，y 為小時(shí)總數(shù)，x 為負(fù)荷率。

根據(jù)冬季不同負(fù)荷率下的小時(shí)數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 用Excel 擬合二次方程，得到負(fù)荷率與小時(shí)數(shù)之間的關(guān)系（圖2）：

圖2 冬季負(fù)荷率與小時(shí)數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖

式中，y 為小時(shí)總數(shù)，x 為負(fù)荷率。

3 三聯(lián)供系統(tǒng)容量的確定方法

由于不同品牌發(fā)電機(jī)的部分負(fù)荷效率有差異， 且可能遠(yuǎn)低于滿負(fù)荷運(yùn)行效率，為簡(jiǎn)化模型，本次分析未考慮發(fā)電機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行的情況，僅考慮高效率累計(jì)負(fù)荷，即發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。為尋求發(fā)電機(jī)組余熱對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的最大貢獻(xiàn)值，必須讓發(fā)電機(jī)余熱所提供的負(fù)荷與小時(shí)曲線所圍成的矩形面積S 最大，即尋找圖3 中不同負(fù)荷區(qū)間的最大累計(jì)負(fù)荷。

圖3 不同負(fù)荷區(qū)間的累計(jì)負(fù)荷量

夏季10%負(fù)荷以下只有58h，占總小時(shí)數(shù)的比例很少，而冬季負(fù)荷率小時(shí)數(shù)曲線較為平緩， 負(fù)荷率的變動(dòng)對(duì)小時(shí)數(shù)影響很大，并且整體設(shè)計(jì)原則為以熱定電，因此，以冬季負(fù)荷率曲線作為計(jì)算基礎(chǔ)。

冬季負(fù)荷率曲線解方程y=-949.3x2+1255x+298.6，假設(shè)y=y1=y2時(shí)，矩形面積S 最大，此時(shí)的面積方程為：

將方程（4）、式（5）帶入方程（3），得到面積方程式：

對(duì)方程（6）求導(dǎo)，得到極值為x1=45.9%。即當(dāng)發(fā)電機(jī)組預(yù)熱提供的熱負(fù)荷占總熱負(fù)荷的45.9%時(shí)，發(fā)電機(jī)預(yù)熱對(duì)全年空調(diào)負(fù)荷的貢獻(xiàn)率最大，滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)3001h。

根據(jù)45.9%的負(fù)荷率選用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，發(fā)電量為3120kW。 由于商業(yè)項(xiàng)目招商不確定因素較多，為了項(xiàng)目投入初期也能高效運(yùn)行，減少初投資，選用2 臺(tái)1560kW 發(fā)電機(jī)組，可進(jìn)一步提升發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，并可分期投入。 項(xiàng)目對(duì)應(yīng)配備1 臺(tái)余熱型吸收機(jī)組，供熱負(fù)荷3184kW。發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量在空調(diào)季節(jié)可由該項(xiàng)目1#、2# 開(kāi)閉所（穩(wěn)定用電負(fù)荷為4001kW）自行消耗，機(jī)組與市電采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方案，10kV 開(kāi)閉所的電網(wǎng)側(cè)設(shè)置逆功率保護(hù)，保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組不向城市公共電網(wǎng)反送電，運(yùn)行安全可靠。

4 三聯(lián)供系統(tǒng)投資回收期

4.1 發(fā)電機(jī)容量對(duì)比方案

以2 臺(tái)1560kW 發(fā)電機(jī)組為基準(zhǔn)，分別按大一個(gè)型號(hào)和小一個(gè)型號(hào)列舉三個(gè)對(duì)比方案。

方案1： 選配2 臺(tái)1200kW 發(fā)電機(jī)組， 余熱占熱負(fù)荷比例為33%。

方案2： 選配2 臺(tái)1560kW 發(fā)電機(jī)組， 余熱占熱負(fù)荷比例為45%。

方案3： 選配2 臺(tái)1750kW 發(fā)電機(jī)組， 余熱占熱負(fù)荷比例為54%。

分別按三個(gè)方案對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)備選型，設(shè)備具體參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 三聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備選型表

4.2 運(yùn)行費(fèi)用及初投資分析

根據(jù)冷熱負(fù)荷模擬結(jié)果，方案一全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為3063h，方案二全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為3001h，方案三全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2695h。帶入選型參數(shù)進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備投資回報(bào)對(duì)比詳見(jiàn)表4。

表4 投資回報(bào)對(duì)比表

從表4 對(duì)比可以看出，按高效累計(jì)負(fù)荷最大原則確定的方案二， 全年運(yùn)行費(fèi)用最低。方案二相對(duì)于方案一有332 萬(wàn)初投資增量成本，但每年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約68 萬(wàn)元，回收周期約5 年，可接受。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目根據(jù)商業(yè)綜合體負(fù)荷特性，對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)研究分析得出以下結(jié)論：

（1） 提出一種按發(fā)電機(jī)組提供的累計(jì)負(fù)荷最大化的原則來(lái)確定發(fā)電機(jī)最優(yōu)容量的方法， 并通過(guò)對(duì)比分析論證其有效性，希望可以對(duì)不同負(fù)荷特性項(xiàng)目提供一個(gè)廣泛適用的設(shè)計(jì)思路；

（2） 通過(guò)以上原則確定的發(fā)電機(jī)，還需校核項(xiàng)目本身是否能夠完全消耗發(fā)電量，綜合設(shè)備成本、電力燃?xì)馀涮缀瓦\(yùn)行費(fèi)用多個(gè)因素最終確認(rèn)方案；

（3） 對(duì)于商業(yè)項(xiàng)目，確定發(fā)電機(jī)組容量后，還需預(yù)判招商情況，如招商不佳，發(fā)電機(jī)組發(fā)電量不能完全消耗、只能部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能源利用率將降低，投資回收期變長(zhǎng)，可考慮配置多臺(tái)發(fā)電機(jī)分步實(shí)施，減緩初投資壓力，提升發(fā)電機(jī)組高效運(yùn)行小時(shí)數(shù)；

（4） 由于發(fā)電機(jī)的部分負(fù)荷效率可能遠(yuǎn)低于滿負(fù)荷運(yùn)行效率，可進(jìn)一步探討發(fā)電機(jī)組部分負(fù)荷下的運(yùn)行策略，使整個(gè)冷熱源可以始終維持在系統(tǒng)的高效運(yùn)行區(qū)間。