摘要：結(jié)合北京某辦公建筑燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，采用eQUEST軟件計(jì)算了建筑全年動(dòng)態(tài)冷熱電負(fù)荷。以壽命周期成本最小為目標(biāo)，建立了優(yōu)化模型，對(duì)優(yōu)化后的運(yùn)行策略進(jìn)行了探討。分析了市網(wǎng)平均電價(jià)、燃?xì)鈨r(jià)格、冷熱價(jià)格對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)投資回收期的影響。
關(guān)鍵詞： 辦公建筑； 燃?xì)饫錈犭娐?lián)供； 優(yōu)化模型； 運(yùn)行策略； 投資回收期
Optimization Study on Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System
Abstract：The annual dynamic cooling，heat and power loads of all office building using gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system in Beijing City are calculated by eQUEST software．An optimized model is constructed using the minimum life cycle cost as the objective function and the optimized operation strategy is discussed．The effects of average net electricity price，gas price and cooling and heating prices on investment return period of CCHP system are analyzed．
Key words： office building； gas-fired combined coolin9，heating and power(CCHP)； optimized model； operation strategy； investment return period
燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)供系統(tǒng))利用天然氣發(fā)電，利用余熱制冷、制熱，不但降低了污染物排放，還使能源得到梯級(jí)利用，提高了能源利用效率[1-11]。由于聯(lián)供系統(tǒng)在夏天利用天然氣發(fā)電，而夏季往往是用氣的淡季，但是電力卻是高峰期，因此起到了電力削峰填谷的作用，也可以減少天然氣冬夏兩季巨大的季節(jié)性峰谷差。本文對(duì)辦公樓聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行研究。
1負(fù)荷分析及能源價(jià)格
1．1 負(fù)荷分析
以北京某辦公樓作為研究對(duì)象，建筑面積為4．35×
由圖l～3可知，夏季、過渡季、冬季的電負(fù)荷具有相同的特性。隨著上班時(shí)間的來臨，開始增長，在中午休息時(shí)，由于部分人員外出，出現(xiàn)一個(gè)小低谷，然后恢復(fù)到正常水平。隨著下班時(shí)間的來臨，開始下降，直到加班人員離開辦公樓。夏季電負(fù)荷的整體水平高于過渡季、冬季。
夏季。冷負(fù)荷在開始上班的時(shí)段出現(xiàn)一個(gè)小高峰，然后隨著人員的增多和室外溫度的上升而增大。午后冷負(fù)荷開始逐漸下降，直到加班人員離開辦公樓?；緵]有熱負(fù)荷。
過渡季。由于晨間室外溫度較低，因此在開始上班的時(shí)段熱負(fù)荷出現(xiàn)一個(gè)小高峰。隨著室外溫度的上升，冷負(fù)荷逐漸增大，基本沒有熱負(fù)荷。直到晚上天氣轉(zhuǎn)涼后熱負(fù)荷再次出現(xiàn)一個(gè)小高峰。
冬季。熱負(fù)荷在開始上班時(shí)段出現(xiàn)高峰，然后較平穩(wěn)運(yùn)行。臨近下班時(shí)間，室外溫度較低，由于有部分加班人員仍在辦公樓內(nèi)，熱負(fù)荷出現(xiàn)上升趨勢(shì)，直到加班人員離開辦公樓。由于辦公樓存在內(nèi)區(qū)，因此冬季仍然存在冷負(fù)荷，其變化趨勢(shì)與夏季基本相同，只是整體水平較低。
1．2 能源價(jià)格
北京現(xiàn)行峰谷電價(jià)制度，對(duì)于1～10 kV的工商業(yè)用電，尖峰時(shí)段電價(jià)為1．345元／(kW·h)，高峰時(shí)段電價(jià)為1．231元／(kW·h)，平時(shí)段電價(jià)為0．766元／(kW·h)，低谷時(shí)段電價(jià)為0．326元／(kW·h)。具體分時(shí)辦法為：峰段(10：00-15：00，18：00-21：O0)，平段(7：00-10：00，15：00-18：00，21：00-23：00)，谷段(23：00-7：00)。夏季7-9月每天用電高峰(11：00-13：00、20：00-21：00)實(shí)施尖峰電價(jià)，在高峰時(shí)段電價(jià)基礎(chǔ)上上浮l0％。北京市發(fā)電(含供熱、供冷)用燃?xì)獾膬r(jià)格為2．28元／m3。
2 聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模型
2．1 系統(tǒng)流程
由于該辦公樓規(guī)模較小，岡此聯(lián)供系統(tǒng)采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī))+余熱型吸收式冷熱水機(jī)組(以下簡稱吸收式機(jī)組)，聯(lián)供系統(tǒng)流程見圖4。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒天然氣發(fā)電，吸收式機(jī)組利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放煙氣、缸套冷卻水制冷、制熱，缸套冷卻水也可以通過換熱器直接供熱，不足冷、熱量由電制冷機(jī)組、燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。電制冷機(jī)組優(yōu)先使用聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)電力，不足電量由市電網(wǎng)補(bǔ)充。
2．2優(yōu)化模型的建立
① 目標(biāo)函數(shù)
以壽命周期成本最小為日標(biāo)函數(shù)，壽命周期成本F的計(jì)算式為：
式中 F——壽命周期成本，元／a
Fb——壽命內(nèi)設(shè)備造價(jià)的年折算費(fèi)用，元／a
Fr——年能耗費(fèi)用，包括年耗燃?xì)赓M(fèi)用、由市電網(wǎng)購電費(fèi)用(包括電制冷機(jī)組以及照明、辦公等設(shè)備的市網(wǎng)電費(fèi))，元／a
R——投資回收系數(shù)
S——沒備年維修費(fèi)占造價(jià)的比例，為0．03
Ctur——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組造價(jià)，元
Cra——吸收式機(jī)組造價(jià)，元
Cre——電制冷機(jī)組造價(jià)，元
Cgb——燃?xì)忮仩t造價(jià)，元
i——年利率，為0．07
n——系統(tǒng)壽命，a，為l
②約束條件
考慮到當(dāng)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷率下降到0．5以下時(shí)熱效率下降嚴(yán)重，因此將燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷率≥0．5作為約束條件。設(shè)備性能、設(shè)備負(fù)荷率、能流平衡約束條件與文獻(xiàn)[12]相近。
③輸入條件
燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電功率造價(jià)為6 000元／kW。吸收式機(jī)組單位制冷量造價(jià)為ll00元／kW，制冷性能系數(shù)為l．39，制熱性能系數(shù)為0．925。電制冷機(jī)組單位制冷量造價(jià)為970元／kW，制冷性能系數(shù)為5。燃?xì)忮仩t單位熱功率造價(jià)為600元／kW，熱效率為0．95。換熱器單位熱功率造價(jià)為900元／kW。輔助設(shè)備的耗電量取以上主要設(shè)備耗電量的3％。
3優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)以壽命周期成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率為1 000 kW。吸收式機(jī)組的制冷量為1 385 kW。電制冷機(jī)組、燃?xì)忮仩t以保證在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組停運(yùn)期間仍能滿足冷熱負(fù)荷為原則，電制冷機(jī)組的制冷能力為5 340 kW，燃?xì)忮仩t的熱功率為5 000 kW。換熱器的熱功率為829kW。與之相對(duì)應(yīng)的分供系統(tǒng)采用電制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t。聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)比較見表l。
表1中，聯(lián)供系統(tǒng)相比于分供系統(tǒng)投資回收期的計(jì)算式為：
式中 t——聯(lián)供系統(tǒng)相比于分供系統(tǒng)的投資回收期，a
ΔSnet——年經(jīng)營費(fèi)用節(jié)約額，元／a
ΔZ——聯(lián)供系統(tǒng)高于分供系統(tǒng)的造價(jià)，元
Fc,cl、Fd,el——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年電費(fèi)，元／a
Fc,g、Fd,g——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年燃?xì)赓M(fèi)，元／a
Sc,c、Sd,c——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年供冷收入。元／a
Sc,h、Sd,h——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年供熱收入，元／a
Sc,el——聯(lián)供系統(tǒng)年供電收入，元／a
由表l可知，雖然聯(lián)供系統(tǒng)的造價(jià)高于分供系統(tǒng)，但由于聯(lián)供系統(tǒng)年供電收入較高，使得在較短的時(shí)間內(nèi)，就將多出的造價(jià)收回。
在考慮實(shí)行峰谷電價(jià)的基礎(chǔ)上，冬季典型日聯(lián)供系統(tǒng)的供電功率、供熱量、供冷量分布分別見圖5～7。
由圖5可知，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組基本不承擔(dān)谷段電負(fù)荷。由圖6、7可知，考慮到吸收式機(jī)組不能在制冷、制熱兩種工況之間頻繁切換，而且吸收式機(jī)組的制冷性能系數(shù)較高，因此吸收式機(jī)組優(yōu)先用于供冷，采用換熱器、燃?xì)忮仩t用于供熱。
4 電價(jià)、氣價(jià)對(duì)投資回收期的影響
基準(zhǔn)平均電價(jià)按0．917元／(kW·h)計(jì)算，基準(zhǔn)天然氣價(jià)格按2．84元／m3計(jì)算。采用基準(zhǔn)氣價(jià)時(shí)，平均電價(jià)對(duì)投資回收期的影響見圖8。采用基準(zhǔn)平均電價(jià)時(shí)，氣價(jià)對(duì)投資回收期的影響見圖9。
由圖8、9可知，當(dāng)平均電價(jià)降低時(shí)，投資回收期增加幅度較大，而平均電價(jià)的提高對(duì)投資回收期的影響不顯著。對(duì)于氣價(jià)的影響，投資回收期隨著氣價(jià)的提高逐漸上升。
5 結(jié)論
①燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略受燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的性能、電價(jià)、氣價(jià)的綜合影響，不能簡單地采取以熱定電或以電定熱。
②電價(jià)對(duì)燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響比較顯著，而氣價(jià)的影響不很明顯。
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本文作者：張杰 李德英 段潔儀 馮繼蓓
作者單位：北京建筑工程學(xué)院 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司
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