某酒店分布式能源的應(yīng)用與節(jié)能控制分析

郝廣宇，田德利，劉蘇南，宋長存，張俊剛

1.濟(jì)南港華燃?xì)庥邢薰?2.濟(jì)南港華環(huán)通市政工程有限公司;3.山東港華積成能源服務(wù)有限公司

21世紀(jì)以來，隨著國家工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，我國已逐漸成為世界上最大的能源消費國與生產(chǎn)國，形成了以煤炭、石油、天然氣、可再生能源等多種全面的能源供給體系[1]。

分布式能源系統(tǒng)是利用小型分散設(shè)備建設(shè)在靠近用戶端（需求側(cè)）提供能源的新型能源利用方式。冷、熱、電三聯(lián)供是分布式能源系統(tǒng)的主要形式，它有利于優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源發(fā)電比例；有利于提高能源綜合利用率；有利于改善環(huán)境，凈化城市空氣質(zhì)量[2-3]。多能互補(bǔ)可因地制宜地將多種能源通過組合應(yīng)用來緩解能源供需矛盾，尤其在可再生能源大規(guī)模發(fā)展的今天，其對可再生能源的消納和輸送具有重大意義[4]。

一、能源應(yīng)用場景及能源需求

（一）分布式能源工程的應(yīng)用場景

鑒于分布式能源系統(tǒng)的相關(guān)特點，其能源應(yīng)用場景一般可大致分為兩類，一類為區(qū)域型能源應(yīng)用場景，例如內(nèi)含多個制造廠房的工業(yè)園區(qū)、以某一大型商業(yè)綜合體為中心環(huán)繞的商務(wù)園區(qū)等；另一類則為樓宇型能源應(yīng)用場景，例如獨棟的商業(yè)寫字樓、酒店、商業(yè)別墅等。無論是區(qū)域型還是樓宇型能源應(yīng)用場景都是需要獨立輸出用戶側(cè)所需能源需求，且由于區(qū)域型、樓宇型因為地塊、樓層的能源需求有所不同，對能源輸出的靈活性要求較高，這就更適合于分布式能源系統(tǒng)發(fā)揮它的能源輸出特點[5]。

（二）本文酒店應(yīng)用場景的能源需求

本文為某地區(qū)酒店分布式能源工程實例，該酒店建筑面積10000m2，共有200個房間，入住率約為70%，該地區(qū)供暖指標(biāo)為50W/m2。由于場地方已選擇電空調(diào)多聯(lián)機(jī)進(jìn)行冷能供給，所以該樓宇能源需求為熱能（供暖）及衛(wèi)生熱水，根據(jù)酒店提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以計算出酒店衛(wèi)生熱水及采暖負(fù)荷，如下公式所示。

衛(wèi)生熱水平均日耗熱量：

式中qmr為平均日熱水用水定額，L/（人·d），本文實例中取110L/（人·d）；m為用水計算單位數(shù)（人數(shù)或床數(shù)）；b1為同日使用率的平均值，本文實例中取0.7；Cp為水的比熱容，kj/（kg·℃）；ρ為水的密度，kg/L；Tr為衛(wèi)生熱水需求溫度，℃；TL為年平均冷水溫度，℃。

通過上述計算公式可計算出該酒店的具體能耗負(fù)荷，并根據(jù)該酒店的實際能源需求，設(shè)計出一種不同能源形式組成的綜合能源管控供能系統(tǒng)，通過控制邏輯的運算，可進(jìn)行三種供能形式的選擇，從而得出相應(yīng)最優(yōu)解進(jìn)行能源供給，該分布式能源系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 該酒店分布式能源系統(tǒng)設(shè)計圖

二、供能方式與熱力計算、選型

（一）分布式供能方式的選擇

（1）方式一：太陽能+燃?xì)獗趻鞝t

采用太陽能+燃?xì)獗趻鞝t集熱供應(yīng)分系統(tǒng)，系統(tǒng)首先利用太陽能光熱進(jìn)行市政用水的加溫制熱，通過集熱水箱儲熱后直接換熱至衛(wèi)生熱水水箱，當(dāng)太陽能輻照量未達(dá)到加熱要求時，需利用燃?xì)獗趻鞝t與衛(wèi)生熱水循環(huán)水箱間接換熱進(jìn)行加熱，最后進(jìn)入至酒店衛(wèi)生熱水循環(huán)。

在進(jìn)行系統(tǒng)熱力計算之前，首先應(yīng)明確該地區(qū)的月均太陽能輻照強(qiáng)度，并由于衛(wèi)生熱水需求為全年四季使用，而供暖熱能需求僅在采暖季使用，所以該地區(qū)太陽能輻照強(qiáng)度將分為采暖季、非采暖季，具體數(shù)值如下表1、表2所示。

表1 某地區(qū)非采暖季太陽能輻照量

表2 某地區(qū)采暖季太陽能輻照量

根據(jù)前文酒店衛(wèi)生熱水日均耗熱量與采暖負(fù)荷計算結(jié)果，以及該地區(qū)太陽能輻照強(qiáng)度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算出太陽能光熱工程集熱面積：

式中，Ajz為太陽能光熱工程集熱面積，m2；Qmd為日均耗熱量，kj/d；f為該地區(qū)太陽能保證率；bj為集熱器面積補(bǔ)償系數(shù)；Jt為平均每平方米日太陽能輻照量，kj/m2；Ej為集熱器年集熱效率；E1為集熱系統(tǒng)的熱損失。

表3 設(shè)備選型及造價

在計算得出該酒店太陽能光熱工程集熱面積后，可通過乘以修正系數(shù)得出相應(yīng)占地面積，并與酒店實際屋頂面積進(jìn)行校正，若酒店屋頂面積未達(dá)到設(shè)計要求，則應(yīng)取屋頂面積最大值進(jìn)行熱力計算。

由于采暖季時太陽能輻照量不足，在一定的集熱面積下，市政用水經(jīng)太陽能加熱之后，仍未達(dá)到酒店所需衛(wèi)生熱水溫度，需要燃?xì)獗趻鞝t進(jìn)行補(bǔ)燃加熱，直至達(dá)到要求的衛(wèi)生熱水出口溫度。

燃?xì)獗趻鞝t補(bǔ)燃熱量為：

式中，M為該酒店日均用水量，L/h；Tin為經(jīng)太陽能集熱工程預(yù)熱后燃?xì)獗趻鞝t進(jìn)口水溫，℃；Er為選用的燃?xì)獗趻鞝t設(shè)備效率，%。

經(jīng)過上述熱力計算，可得出該酒店實行太陽能+燃?xì)獗趻鞝t供能方式下，所需要的太陽能集熱工程所占面積及燃?xì)獗趻鞝t補(bǔ)燃熱量，為下一步計算分布式能源工程總投資及設(shè)備選型打好基礎(chǔ)。

（2）方式二：太陽能+空氣源

由于不同地區(qū)燃?xì)鈫蝺r有所區(qū)別，在燃?xì)鈫蝺r相對偏高的地區(qū)，為提高整個分布式能源工程的經(jīng)濟(jì)性，可將空氣源熱泵這一供能形式作為燃?xì)獗趻鞝t的補(bǔ)燃替代，即在系統(tǒng)中采用太陽能+空氣源熱泵子系統(tǒng)。由于空氣源熱泵COP值相對較高，所以其補(bǔ)燃熱量可通過以下公式計算：

式中，Ek為空氣源熱泵設(shè)備效率，一般取2-4。

該種供能子系統(tǒng)運行原理與方式較為類似，市政用水經(jīng)太陽能集熱工程預(yù)熱后，無法達(dá)到該酒店需求溫度時，利用空氣熱泵進(jìn)行補(bǔ)熱，之后再進(jìn)入到酒店熱水循環(huán)中。

（3）方式三：太陽能+空氣源熱泵+燃?xì)獗趻鞝t

通過空氣源熱泵、燃?xì)獗趻鞝t兩種補(bǔ)燃形式結(jié)合，使整個分布式能源系統(tǒng)的所有供能設(shè)備都得以運用，以太陽能集熱系統(tǒng)對市政用水進(jìn)行預(yù)熱，結(jié)合空氣源熱泵利用空氣低溫?zé)崮茉俅渭訜?，以燃?xì)獗趻鞝t這一輔助熱源進(jìn)行最終加熱方式，使得市政用水達(dá)到該酒店衛(wèi)生熱水溫度要求時進(jìn)入酒店熱水循環(huán)。該種方式因需要及時控制反饋太陽能集熱水箱與衛(wèi)生熱水恒溫水箱、恒溫水箱與空氣源熱泵、恒溫水箱與燃?xì)獗趻鞝t之間的溫度差距，需要利用溫度傳感器等一系列反饋裝置從而進(jìn)行溫度控制，再通過內(nèi)部計算進(jìn)行成本校核，保證酒店衛(wèi)生熱水的正常供應(yīng)。

表5 能源運行成本分析

（二）該分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備選擇及造價

由于該系統(tǒng)由多種供能形式組成，在實際運行中，需要的運行控制邏輯也較為復(fù)雜，下文將研究同一分布式能源系統(tǒng)不同方式下的運行控制邏輯，從而提升系統(tǒng)能效，減少非必要能源消耗。

三、分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能控制邏輯

由圖2所示，該分布式能源系統(tǒng)工程控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯如下，市政用水進(jìn)入酒店冷水水箱后，首先進(jìn)入太陽能集熱器進(jìn)行加熱，若太陽能集熱器出口水溫與集熱水箱水溫?zé)o法達(dá)到相應(yīng)差值，則水泵關(guān)閉，反之水泵正常開啟將熱水送入集熱水箱；其次，若太陽能集熱水箱與恒溫水箱水溫差值達(dá)到設(shè)定要求，則兩水箱之間水泵開啟，使集熱水箱熱水進(jìn)入恒溫水箱，反之則水泵關(guān)閉；最后，溫度傳感器實時反饋恒溫水箱溫度是否達(dá)到酒店衛(wèi)生熱水需求溫度，通過輸入當(dāng)?shù)仄渌茉磫蝺r及所用設(shè)備功率后系統(tǒng)進(jìn)行成本計算，打開其他補(bǔ)燃方式控制循環(huán)泵進(jìn)行加熱，使恒溫水箱中熱水進(jìn)入酒店微循環(huán)溫度保證在需求溫度范圍以上。

圖2 不同供能形式組合下分布式能源系統(tǒng)控制邏輯示意圖

該控制系統(tǒng)在首先應(yīng)用太陽能光熱這一成本較低的供能方式之后，通過輸入當(dāng)?shù)啬茉磫蝺r及設(shè)備功率后進(jìn)行補(bǔ)燃成本計算，從而得出經(jīng)濟(jì)成本最低的供能方法，使整個分布式能源系統(tǒng)保持高效、低耗運行。

四、該分布式能源系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性分析

（一）熱量供給分析

由于酒店衛(wèi)生熱水需求溫度全年基本不變，所以該酒店需熱量總數(shù)一致，因為該分布式能源系統(tǒng)可選擇多種供能形式進(jìn)行衛(wèi)生熱水加熱，則根據(jù)計算可得出每種供能形式下熱量供給情況，如表4所示。

表4 熱量供給分析

（二）能源運行成本分析

通過輸入該地電力、燃?xì)鈫蝺r及空氣源熱泵、燃?xì)獗趻鞝t設(shè)備效率后，在控制系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行能源運行成本計算，保證在衛(wèi)生熱水供應(yīng)時可進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本最低的供能形式選擇。

五、結(jié)果與討論

（1）本文通過設(shè)計出一種結(jié)合多種供能形式的分布式能源系統(tǒng)，用以滿足某地區(qū)酒店衛(wèi)生熱水需求，將不同供能形式熱力學(xué)模型進(jìn)行完整組合，構(gòu)建出完整的系統(tǒng)流程。

（2）在該系統(tǒng)中設(shè)計一種能源成本選擇控制程序，在相應(yīng)溫度傳感器反饋之后，首先對設(shè)備進(jìn)行開啟、關(guān)閉控制，若無法達(dá)到酒店要求，則通過內(nèi)部控制邏輯程序進(jìn)行計算，可以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的供能形式選擇補(bǔ)燃，從而降低該系統(tǒng)的能耗成本，節(jié)省能源費用，做到綠色節(jié)能運行。

（3）通過分布式能源系統(tǒng)中熱力學(xué)模型及經(jīng)濟(jì)模型，在輸入相應(yīng)能源單價后可得出系統(tǒng)能耗成本進(jìn)行比對，驗證了該分布式能源系統(tǒng)的可行性，為后期項目快速復(fù)制打下堅實的基礎(chǔ)。