高原賓館建筑電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

摘 要：以青海省祁連縣某賓館為案例展開(kāi)分析，建立以系統(tǒng)最小費(fèi)用年值為優(yōu)化目標(biāo)的高原賓館建筑電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型，并采用遺傳算法求解以得到系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置。結(jié)果表明：與常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)相比，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)使電網(wǎng)供電比例由76.9%降低至29.8%；電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的費(fèi)用年值比常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)減少1.2%，其中系統(tǒng)投資年值增加4.1%，系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用減少5.3%；電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的費(fèi)用年值受購(gòu)氧價(jià)格影響最大，當(dāng)購(gòu)氧價(jià)格為8元/Nm3以上時(shí)，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)比常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；氫儲(chǔ)能；優(yōu)化設(shè)計(jì)；電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)；高原賓館

中圖分類號(hào)：TK01" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0536

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0115-08

1. 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055；

2. 綠色建筑全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055

0 引 言

中國(guó)高原地區(qū)游客數(shù)量近年來(lái)持續(xù)增加，但高原缺氧環(huán)境使部分急進(jìn)高原人群難以適應(yīng)。因此，除了常規(guī)的電力需求與熱力需求，高原賓館建筑還具有日益迫切的氧氣需求［1］。高原地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，充分利用太陽(yáng)能可滿足高原賓館建筑的低碳用能需求。但是，太陽(yáng)能的隨機(jī)波動(dòng)特征導(dǎo)致能源供需難以動(dòng)態(tài)匹配，儲(chǔ)能技術(shù)是解決能源供需動(dòng)態(tài)匹配問(wèn)題的有效手段。在不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)中，氫儲(chǔ)能有著清潔綠色的突出優(yōu)勢(shì)，電解水制氫過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣又恰好能夠滿足高原賓館建筑的氧氣需求。設(shè)計(jì)電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)以滿足高原賓館建筑的綜合用能需求，對(duì)于保護(hù)高原脆弱生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)高原低碳綠色發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有賓館建筑能源聯(lián)供系統(tǒng)研究主要集中在需求端負(fù)荷特性分析和供給端系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。其中，需求端研究主要聚焦于賓館建筑能耗的影響因素分析，如文獻(xiàn)［2］通過(guò)對(duì)中國(guó)310家賓館進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)建筑年代、氣象參數(shù)對(duì)賓館能耗有較大的影響；文獻(xiàn)［3］分析了西班牙14個(gè)省的賓館建筑能耗，發(fā)現(xiàn)住宿人數(shù)與建筑用能之間存在正相關(guān)關(guān)系；文獻(xiàn)［4］通過(guò)對(duì)中國(guó)上海某賓館的短期實(shí)地監(jiān)測(cè)，得到旅客日活動(dòng)規(guī)律是影響賓館建筑能耗重要因素的結(jié)論。在供給端研究方面，文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)氫儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析，得到了風(fēng)-光-氫儲(chǔ)聯(lián)供能源系統(tǒng)的適用條件；文獻(xiàn)［6］研究了賓館類應(yīng)用場(chǎng)景的典型負(fù)荷特性，并討論了氫綜合利用系統(tǒng)在不同削峰比例和配置方案下的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［7］提出電-熱-氫聯(lián)供能源系統(tǒng)，并改進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本最小、風(fēng)光消納率最大和供能不足最小的目標(biāo)。

上述研究較為全面地分析了賓館建筑能耗的影響因素，但少有考慮高原賓館建筑電-熱-氧綜合負(fù)荷需求，而在能源聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，又多為熱-電聯(lián)供系統(tǒng)、冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)和冷-熱-電-天然氣聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［8］，少有的冷-熱-電-氧氣聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也僅適用于醫(yī)院建筑，對(duì)高原賓館建筑電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究有限。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與綜合評(píng)估，本文基于MATLAB平臺(tái)，以系統(tǒng)最小費(fèi)用年值為目標(biāo)，構(gòu)建高原賓館建筑電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模型，并選取青海省祁連縣某賓館為案例進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證所構(gòu)建系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)原理

本文所提出的電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)主要由光伏組件、電解槽、儲(chǔ)氣罐、燃料電池、空氣源熱泵和蓄熱水箱構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)選取氫能作為能量轉(zhuǎn)化媒介，其氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)的主要設(shè)備包括電解槽、儲(chǔ)氣罐和燃料電池。光伏組件、燃料電池、市政電網(wǎng)共同滿足建筑的電需求；空氣源熱泵、燃料電池、電加熱器共同滿足建筑的熱需求，電加熱器作為系統(tǒng)附件放置在水箱內(nèi)；電解槽和外部氧源共同滿足建筑的氧需求。

電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的控制策略如圖2所示。在供電的控制邏輯中，若光伏電量充足，優(yōu)先利用余電制氫，電解槽達(dá)到額定功率或儲(chǔ)氫含量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定上限后余量上網(wǎng)；若光伏電量不足，優(yōu)先由燃料電池供電，燃料電池達(dá)到額定功率或儲(chǔ)氫含量低至系統(tǒng)設(shè)定下限后由電網(wǎng)供電。在供熱的控制邏輯中，當(dāng)水箱水溫低于53 ℃但高于43 ℃時(shí)，空氣源熱泵開(kāi)啟；當(dāng)水箱水溫低于43 ℃時(shí)，空氣源熱泵和電加熱器同時(shí)開(kāi)啟［9］。在供氧的控制邏輯中，優(yōu)先考慮使用儲(chǔ)氧罐中所儲(chǔ)存的氧氣，當(dāng)電解槽工作時(shí)或儲(chǔ)氧含量低至系統(tǒng)設(shè)定下限時(shí)，由外部氧源補(bǔ)足氧氣需求。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備模型

1.2.1 光伏組件

光伏組件采用穩(wěn)態(tài)模型，其產(chǎn)電功率［9］為：

[PPV=PrPVGGSTC1-αPTC-TSTC] （1）

光伏組件背板溫度為：

[TC=TA+30G1000] （2）

式中：[PPV]——光伏組件輸出功率，kW；[PrPV]——光伏組件額定功率，kW；[G]——太陽(yáng)輻照度，W/m2；[GSTC]——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽(yáng)輻照度，W/m2；[αP]——功率溫度系數(shù)；[TC]——光伏組件背板溫度，℃；[TSTC]——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下環(huán)境溫度，℃；[TA]——室外空氣溫度，℃。

1.2.2 氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)

儲(chǔ)氫罐內(nèi)逐時(shí)氫氣含量［5］為：

[VtH=Vt-1H+Pt-1ELηEL-Pt-1FC/ηeFCqHΔt] （3）

儲(chǔ)氧罐內(nèi)逐時(shí)氧氣含量為：

[VtO=Vt-1O+Vt-1OC-Vt-1OD] （4）

[VtOC=kPtELηELqHΔt] （5）

式中：[VH、VO]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)氫氣、氧氣含量，Nm3；[PEL]——電解槽運(yùn)行功率，kW；[ηEL]——電解槽效率，%；[PFC]——燃料電池運(yùn)行功率，kW；[ηeFC]——燃料電池電效率，%；[VOC、VOD]——流入、流出儲(chǔ)氧罐的氧氣含量，Nm3；[k]——電解槽制氧、制氫體積比；[Δt]——時(shí)間步長(zhǎng)，取1 h；[qH]——?dú)錃獾母邿嶂?，kWh/Nm3。

燃料電池可用于實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，其產(chǎn)熱功率為：

[QFC=PFCηeFCηhFC] （6）

式中：[QFC]——燃料電池的產(chǎn)熱功率，kW；[ηhFC]——燃料電池?zé)嵝剩?。

1.2.3 空氣源熱泵

參考某品牌空氣源熱泵性能曲線［10］，空氣源熱泵的制熱功率與環(huán)境溫度相關(guān)，其制熱功率為：

[QHP=ηHPPHPβ] （7）

[ηHP=4.593×10-4T2A+0.04489TA+3.18] （8）

式中：[QHP]——空氣源熱泵的制熱功率，kW；[ηHP]——空氣源熱泵的性能系數(shù)；[PHP]——空氣源熱泵的額定功率，kW；[β]——結(jié)霜除霜損失系數(shù)［11］。

1.2.4 蓄熱水箱

假設(shè)蓄熱水箱內(nèi)的水溫呈均勻分布，則蓄熱水箱的逐時(shí)水溫［9］為：

[TtWT=Tt-1WT+（Qt-1HP+Qt-1EH+Qt-1FC-Qt-1L-Qt-1E）ΔtCP，WρWVWT] （9）

[QEH=ηEHPEH] （10）

[QE=UWT（TWT-TA）] （11）

式中：[CP，W]——水的定壓比熱容，kWh/（kg·℃）；[ρW]——水的密度，kg/m3；[VWT]——水箱的體積，m3；[TWT]——水箱中水的溫度，℃；[QL]——建筑熱負(fù)荷，kW；[QE]——水箱的熱損失，kW；[QEH]——電加熱器制熱功率，kW；[PEH]——電加熱器額定功率，kW；[ηEH]——電加熱器效率，取90%；[UWT]——水箱的熱損失系數(shù)。

2 容量?jī)?yōu)化配置

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)最小費(fèi)用年值為目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)費(fèi)用年值包括系統(tǒng)投資年值和系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用兩部分，計(jì)算公式［5］為：

[minC=min（CI+CO）] （12）

式中：[C]——系統(tǒng)費(fèi)用年值，元；[CI]——系統(tǒng)投資年值，元；[CO]——系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，元。

系統(tǒng)投資年值為光伏組件、電解槽、儲(chǔ)氣罐、燃料電池、空氣源熱泵、蓄熱水箱和系統(tǒng)附件的投資年值之和，計(jì)算公式為：

[CI=CPV+CEL+CGT+CFC+CHP+CWT+CSA] （13）

各設(shè)備投資年值的計(jì)算公式如式（14）～式（21）所示。

[CPV=CI，PVPrPVFn] （14）

[CEL=CI，ELPrELFn] （15）

[CGT=CI，GT（VHT+VOT）Fn] （16）

[CFC=CI，F(xiàn)CPrFCFn] （17）

[CHP=CI，HPPHPFn] （18）

[CWT=CI，WTVWTFn] （19）

[CSA=CI，SAFn] （20）

[Fn=i（1+i）n（1+i）n-1] （21）

式中：[CPV、CEL、CGT、CFC、CHP、CWT、CSA]——光伏組件、電解槽、儲(chǔ)氣罐、燃料電池、空氣源熱泵、蓄熱水箱、系統(tǒng)附件投資年值，元；[CI，PV、CI，EL、CI，F(xiàn)C、CI，HP]——光伏組件、電解槽、燃料電池、空氣源熱泵單位投資費(fèi)用，元/kW；[CI，GT]、[CI，WT]——儲(chǔ)氣罐、蓄熱水箱單位投資費(fèi)用，元/m3；[CI，SA]——系統(tǒng)附件投資費(fèi)用，元；[PrEL、PrFC]——電解槽、燃料電池額定功率，kW；[VHT、VOT]——儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)氧罐體積，m3；[Fn]——資本回收系數(shù)；i——折現(xiàn)率，取0.05；n——系統(tǒng)設(shè)備、附件使用壽命，a。

系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用、系統(tǒng)年購(gòu)氧費(fèi)用和系統(tǒng)年購(gòu)電費(fèi)用之和減去系統(tǒng)年售電收益，計(jì)算公式為：

[CO=CM+CBO+CBE-CSE] （22）

系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用、系統(tǒng)年購(gòu)氧費(fèi)用、系統(tǒng)年購(gòu)電費(fèi)用和系統(tǒng)年售電收益的計(jì)算公式如式（23）～式（26）所示。

[CM=CM，PVPrPV+CM，ELPrEL+CM，GT（VHT+VOT）+CM，F(xiàn)CPrFC+CM，HPPHP+CM，WTVWT] （23）

[CBO=CP，BOt=18760VtBO] （24）

[CBE=CP，BEt=18760PtBEΔt] （25）

[CSE=CP，SEt=18760PtSEΔt] （26）

式中：[CM]——系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用，元；[CBO]——系統(tǒng)年購(gòu)氧費(fèi)用，元；[CBE]——系統(tǒng)年購(gòu)電費(fèi)用，元；[CSE]——系統(tǒng)年售電收益，元；[CM，PV、CM，EL、CM，F(xiàn)C、CM，HP]——光伏組件、電解槽、燃料電池、空氣源熱泵單位維護(hù)費(fèi)用，元/kW；[CM，GT、CM，WT]——儲(chǔ)氣罐、蓄熱水箱單位維護(hù)費(fèi)用，元/m3；[CP，BO]——購(gòu)氧價(jià)格，通過(guò)市場(chǎng)詢價(jià)獲得，取14元/Nm3；[VBO]——系統(tǒng)購(gòu)氧量，Nm3；[CP，BE]——電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格，取0.48元/kWh［12］；[PBE]——電網(wǎng)購(gòu)電功率，kW；[CP，SE]——光伏上網(wǎng)價(jià)格，取0.23元/kWh［13］；[PSE]——電網(wǎng)售電功率，kW。

2.2 約束條件

2.2.1 能量平衡約束

電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的電量平衡約束、熱量平衡約束和氧氣平衡約束如式（27）～式（29）所示。

[PtPV+PtFC+PtBE=PtL+PtEL+PtSE+PtHP+PtEH] （27）

[QtHP+QtEH+QtFC+QtHC=QtL+QtE+QtHD] （28）

[VtL=VtBO+VtOD] （29）

式中：[PL]——建筑電負(fù)荷，kW；[QHC、QHD]——水箱蓄熱、放熱功率，kW；[VL]——建筑氧負(fù)荷，Nm3。

2.2.2 設(shè)備容量約束

電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備容量約束條件為：

[0≤PPV≤PrPV， 0≤PEL≤PrEL， 0≤PFC≤PrFC0≤PHP≤QL，maxηHPβ， VWT，min≤VWT≤VWT，maxVH，min≤VH≤VH，max， VO，min≤VO≤VO，max] （30）

2.2.3 初始條件約束

初始時(shí)刻，蓄熱水箱的水溫取45 ℃，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體含量均設(shè)為系統(tǒng)設(shè)定下限值［9］。

[Tt=1WT=45， Vt=1H=VH，min， Vt=1O=VO，min] （31）

3 結(jié)果分析

3.1 案例概述

本文選取海拔3500 m的青海省祁連縣某賓館進(jìn)行案例研究［14］（圖3a）。該賓館建筑位于嚴(yán)寒C區(qū)，1層為商業(yè)用房，2～6層為客房，頂層為餐廳，建筑面積為10805 m2。圖4為某賓館2019年全年的入住情況，可看出11月—來(lái)年3月為旅游淡季，7—8月為旅游旺季，供暖季期間客房的入住率不足50%。為避免能源浪費(fèi)，根據(jù)賓館建筑特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行建筑分區(qū)，如圖3b所示。對(duì)賓館2～6層南側(cè)區(qū)域的房間以及7層全部區(qū)域以22 ℃為供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行連續(xù)供暖，2～6層北側(cè)區(qū)域的房間保持5 ℃值班供暖［14］，供暖面積為7384 m2。

參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［15］對(duì)賓館建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1）和照明、電器設(shè)備使用規(guī)律（表2）進(jìn)行設(shè)定，圖5給出了房間人員逐時(shí)在室率［14］。假設(shè)賓館全年照明、電器設(shè)備使用規(guī)律和房間人員逐時(shí)在室率不變，使用EnergyPlus軟件對(duì)該建筑進(jìn)行全年的電負(fù)荷和熱負(fù)荷模擬，模擬結(jié)果如圖6a和圖6b所示。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

表2 照明、電氣設(shè)備逐時(shí)使用率

參照《高原地區(qū)室內(nèi)空間彌散供氧（氧調(diào)）要求》［16］，對(duì)短居在海拔3500 m的急進(jìn)高原人群，高原彌散供氧空間的氧氣濃度要求為23.0%～24.7%。假設(shè)僅對(duì)客房進(jìn)行彌散供氧，單間客房的氧氣需求量為：

[Vr=NVp（φh-φ0）PhP0] （32）

式中：[Vr]——單間客房氧氣需求量，Nm3/h；[N]——單間客房居住人數(shù)，取2；[Vp]——每人所需新風(fēng)量，取30 m3/（h·人）［15］；[φh]——3500 m處彌散供氧空間氧氣濃度，取23.5%；[φ0]——空氣中的氧氣濃度，%；[Ph]——3500 m處大氣壓，Pa；[P0]——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa。

結(jié)合圖4的某賓館全年入住數(shù)據(jù)和圖5的客房人員逐時(shí)在室率，得到該賓館全年耗氧量如圖6c所示。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)

本文使用遺傳算法求解優(yōu)化模型。遺傳算法的初始種群大小設(shè)為100，交叉概率設(shè)為0.8，變異概率設(shè)為0.01［17］。系統(tǒng)各設(shè)備的具體參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)

3.3 優(yōu)化結(jié)果

3.3.1 容量配置

本文設(shè)置兩套聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行容量配置優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比分析，分別為電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)。其中，常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)與電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的架構(gòu)基本相同，但不包含氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)。兩套聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置如表4所示。

表4 電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)

容量配置優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

對(duì)比兩套聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置結(jié)果可知：電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)光伏裝機(jī)規(guī)模為270.0 kW，而常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)光伏裝機(jī)規(guī)模僅為58.0 kW，原因在于賓館建筑白天的用電量較少，其用電高峰集中在17：00—22：00，而這恰與光伏產(chǎn)電高峰時(shí)段相互錯(cuò)開(kāi)，如果儲(chǔ)能容量配置不足，光伏的裝機(jī)規(guī)模將大幅降低。

圖7為兩套聯(lián)供系統(tǒng)在最優(yōu)容量配置下的全年運(yùn)行情況。從圖7a可看出，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)和常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)的光伏發(fā)電量在5月份最多，這時(shí)電網(wǎng)售電量最大，光伏產(chǎn)電明顯大于建筑用電，光伏余電多進(jìn)行余量上網(wǎng)；光伏發(fā)電量在1月、12月最少，這時(shí)電網(wǎng)購(gòu)電量最大，此時(shí)僅使用光伏發(fā)電明顯不能滿足建筑用電，需要電網(wǎng)供電補(bǔ)足不足電量。常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)利用光伏發(fā)電和電網(wǎng)供電滿足建筑用電需求，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)則利用光伏發(fā)電、燃料電池供電和電網(wǎng)供電共同滿足建筑用電需求。與常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)相比，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)使電網(wǎng)供電比例由76.9%降低至29.8%。

從圖7b可看出，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)主要利用空氣源熱泵和燃料電池共同滿足建筑用熱需求，常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)則主要利用空氣源熱泵滿足建筑用熱需求，兩套能源系統(tǒng)的電加熱器均只工作于極端情況。供暖季期間，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)中燃料電池的余熱利用占系統(tǒng)供熱的比例為6.9%。

圖7c為兩套系統(tǒng)的全年供氧量對(duì)比?？煽闯?，高原賓館建筑的主要氧氣來(lái)源仍為外部氧源，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的年產(chǎn)氧量為16680 Nm3，僅占賓館建筑全年氧需求的5.1%。這是因?yàn)殡?熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)中氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)的主要功能并非產(chǎn)生氧氣，但氧氣的利用仍然減少了23.4萬(wàn)元的年購(gòu)氧費(fèi)用。

3.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

兩套聯(lián)供系統(tǒng)的費(fèi)用對(duì)比分析如表5所示。從表5可知，在最優(yōu)容量配置下，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的費(fèi)用年值比常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)減少1.2%（5.5萬(wàn)元）。結(jié)合表4可知，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的光伏組件、氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)和蓄熱水箱的最優(yōu)容量較大，故系統(tǒng)投資年值較大，比常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)投資年值增加18.9萬(wàn)元，但系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用減少24.4萬(wàn)元。以上結(jié)果說(shuō)明雖然氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)增加了系統(tǒng)投資年值，但可通過(guò)其副產(chǎn)品氧氣的合理利用降低系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，從而提高電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.3.3 敏感性分析

本文假設(shè)在原始光伏組件價(jià)格、氫儲(chǔ)能子系統(tǒng)價(jià)格、購(gòu)電價(jià)格和購(gòu)氧價(jià)格基礎(chǔ)上波動(dòng)[±]20%以進(jìn)行敏感性分析，得到電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)費(fèi)用年值的敏感性分析結(jié)果如圖8所示。

從圖8可看出，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)費(fèi)用年值隨著設(shè)備價(jià)格、購(gòu)電價(jià)格和購(gòu)氧價(jià)格的降低而降低，其中購(gòu)電價(jià)格對(duì)系統(tǒng)費(fèi)用年值影響最小，購(gòu)氧價(jià)格對(duì)系統(tǒng)費(fèi)用年值影響最大。當(dāng)購(gòu)氧價(jià)格下降20%時(shí)，系統(tǒng)費(fèi)用年值從463.6萬(wàn)元降低至376.0萬(wàn)元，降幅18.9%。

圖9給出了電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)的費(fèi)用年值在購(gòu)氧價(jià)格波動(dòng)時(shí)的變化規(guī)律?？煽闯觯S著購(gòu)氧價(jià)格的降低，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)相較常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)購(gòu)氧價(jià)格低于8元/Nm3時(shí)，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)電解槽額定功率、燃料電池額定功率和儲(chǔ)氣罐體積的優(yōu)化配置結(jié)果為0，兩套系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置相同。

4 結(jié) 論

本文提出了高原賓館建筑電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置模型，并以青海省祁連縣某賓館為案例，對(duì)優(yōu)化得到的電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性分析，得到如下主要結(jié)論：

1）與常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)相比，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)使電網(wǎng)供電比例由76.9%降低至29.8%。

2）電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)的投資年值比常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)增加4.1%，系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用減少5.3%，系統(tǒng)最終的費(fèi)用年值減少1.2%。

3）電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)費(fèi)用年值受設(shè)備價(jià)格、購(gòu)電價(jià)格與購(gòu)氧價(jià)格的影響，其中購(gòu)電價(jià)格對(duì)其影響最小，購(gòu)氧價(jià)格對(duì)其影響最大。當(dāng)購(gòu)氧價(jià)格為8元/Nm3以上時(shí)，電-熱-氧聯(lián)供系統(tǒng)比常規(guī)電-熱聯(lián)供系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，且隨著購(gòu)氧價(jià)格的升高，優(yōu)勢(shì)增加愈發(fā)明顯。

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CAPACITY OPTIMIZATION OF COMBINED POWER-HEATING-OXYGEN SYSTEM FOR PLATEAU HOTEL BUILDING

Luo Xi1，2，Pan Mengzhao1，Liu Yanfeng1，2

（1. School of Building Services Science and Engineering， Xi’an University of Architecture amp; Technology， Xi’an 710055， China；

2. State Key Laboratory of Green Building， Xi’an 710055， China）

Abstract：Taking a hotel in Qilian County， Qinghai Province as an example， this study established an optimal capacity configuration model of the combined power-heating-oxygen system for plateau hotel building with the aim of minimum total annual cost. The genetic algorithm was used to solve the optimization model to determine the optimal capacity configuration of the system. Results show that： Compared with the conventional combined power-heating system， the combined power-heating-oxygen system reduces the power supply ratio of the power grid from 76.9% to 29.8%. Compared with the conventional combined power-heating system， the combined power-heating-oxygen system saw reductions of 1.2% in its total annual cost， in which the annual investment cost of the system increases by 4.1% and the annual operation cost of the system decreases by 5.3%. The total annual cost of the combined power-heating-oxygen system is affected significantly by the oxygen purchase price； When the oxygen purchase price is higher than 8 yuan/（Nm3）， the combined power-heating-oxygen system has more economica advantages than the conventional combined power-heating system.

Keywords：solar energy； hydrogen storage； optimal design； combined power-heating-oxygen system； plateau hotel