PDF《燃气三联供 — 热泵容量优化匹配分析方法》

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a e p s G i n f o . c o m 燃气三联供―热泵容量优化匹配分析方法 何桂雄1 ,黄子硕2 ,闫华光1 ,彭震伟2 ,于航2 ,杨柯3 ( 1. 电网安全与节能国家重点实验室,中国电力科学研究院有限公司,北京市

1 0

0 1

9 2;

2. 高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室,同济大学,上海市

2 0

0 0

9 2;

3. 上海朗诗规划建筑设计有限公司,上海市

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0 0

9 2 ) 摘要:园区级综合能源系统中, 燃气三联供和热泵在供冷( 热) 时均可优先选用, 确定二者最佳的匹 配容量是综合能源系统规划设计的重点之一.文中提出了一种通过解析法确定燃气三联供和热泵 最佳匹配容量的方法.该方法基于各类设备单位装机容量在考察期内净现值的计算式, 结合各负 荷区间出现的频数统计, 得到不同容量匹配方案下燃气三联供和热泵设备的年等效满负荷运行时 数及相应的收益, 通过比较考察期内系统总的净现值确定最优容量匹配方案.结合案例对本文所 提出的分析方法进行了验证, 指出推导分析法的优势在于可将最优结果产生的过程呈现, 便于各参 与方相机决策. 关键词:综合能源;

燃气三联供;

热泵;

容量匹配优化;

负荷频数;

运行时数 收稿日期:

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0 9 G

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修回日期:

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1 7. 上网日期:

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1 0. 国家重点研发计划资助项目(

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1 6 Y F C

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3 0 5) ;

国家电网公司科技项目( S G T J D K

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0 ) .

0 引言 燃气冷热电三联 供―热泵(CCH P G H P) 耦合系统由燃气冷热电三联供与水源热泵、 土壤源热泵及 空气源热泵中的一种或多种热泵耦合而成, 是一种 较为典型的分布式供能系统.确定燃气冷热电三联 供和热泵的最佳匹配容量是该类综合能源系统设计 优化的关键.下文中燃气三联供均指燃气冷热电三 联供, 用CCH P表示. 建立能源系统仿真模型, 通过模拟优化得到三 联供、 热泵等各类设备的最佳设计容量是当前的惯 用做法[ 1] .M o u s s a w i等对三联供系统进行了分类, 对其能效进行了评估, 并汇总了常见的系统优化设 计以及配置方案选择方法[

2 ] .E u g e n i a等对相邻建 筑区域的热和电力生产供应系统进行建模, 得到了 区域建筑间能源交换种类、 交换量以及能源转换设 备的型号与数量[ 3] .V a nd e n H i l结合荷兰代尔夫 特市某一案例构建了一个多目标优化模型, 探讨社 区综合能源系统在提高能源自治、 减少碳排放及降 低用能成本方面的优势[

4 ] .L i等建立了一个多能 互补综 合能源系统仿真模型以评估其可靠性[ 5] . C h a u h a n等考虑需求侧响应, 对一个可再生能源与 化石能源互补利用的社区能源系统中各供能设备的 容量进行了优化[

6 ] .M e n d e s [

7 ] 和Huang[8]等对用 于综合能源系统综合优化的模型和工具DERGCAM、 E AM、 MA R KA L / T I ME S 和RETScreen等进行了总结和讨论, 指出了这些模型各自的特点和 适用对象.王成山等提出了一种综合能源网优化调 度建模方法[ 9] .黄子硕等将区域建筑群的供用能系 统视为一个总能系统并构建了系统模型, 对多建筑 的冷热电生产和分配系统进行综合优化, 得到不同 能源转换子系统的配置容量和冷热交易量[

1 0] .曾 蓉利用遗传算法对地源热泵和 C CH P 耦合系统进 行了建模优化[

1 1] .杨中源等研究了负荷特征、 购电 价格、 天然气价格及热电联产效率与 C CH P系统最 优运行策略的关系[

1 2 ] . 综合能源系统方案涉及燃气公司、 电力公司及 用户等多方利益, 使各利益相关方能够深度参与方 案构建对于综合能源系统规划的落地实施具有积极 意义.信息透明和共享是各方协调合作的前提, 对 于综合能源系统最优化运行而言, 其优化的过程和 结果同样重要.当前研究集中在对综合能源系统进 行仿真优化方面, 这些模型通过计算机搜索算法, 可 输出给定条件下综合能源系统的最优配置.但优化 过程的不可见性使得各利益相关方难以了解到最优 解产生的原因, 不能根据情况的变化调整自身策略. 为此, 本文提出基于各设备年等效满负荷运行 时数的变化和考察期内净现值计算确定 C CH P G H P 系统最佳配置方案的方法.该方法通过理论解析法

5 2 第4 2卷第4期2018年2月2 5日Vol.42N o . 4F e b .

2 5,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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7 将最优方案产生的过程进行呈现, 为各个规划参与 者的规划决策提供更为详尽的信息.

1 C C H P和HP的单位净现值计算 为考察各类热泵和燃气热电联产在整个寿命周 期( 以2 0年为例) 内的投入产出, 本节给出 H P 和CCH P单位 装机容量下的净现值计算式.C CH P 包括由原动机、 吸收式制冷机及余热锅炉等附属设 施组合而成一整套完整的冷、 热、 电三联供子系统;

H P是指一整套完整的供冷供热子系统, 包括制冷 制热主机及配套的水冷或风冷式冷却塔( 器) 等. 在单位供能功率下 C CH P系统2 0年的净现值 可由式(

1 ) 计算: vT G =∑

2 0 k=1

1 ( 1+d) k é ? ê ê Ce +Ch - Cf ηT G, e ? è ? ? ? ÷t h + Ce +Cc - Cf ηT G, e ? è ? ? ? ÷t c -1.

4 CT G ′ ù ? ú ú -1.

4 CT G (

1 ) 式中: vT G为CCH P 系统单位供能功率下核算周期 k=2

0 年的净现值;

Ce 为售电价格;

Ch 为售热价格;

Cc 为售冷价格;

Cf 为燃气价格;

ηT G, e 为CCH P 的发电效率;

t h, t c 分别为热电联产系统年等效满负 荷供热、 供冷时长;

CT G ′为热电联产系统单位装机的 年均维护费用;

CT G 为热电联产系统单位装机成本;

年贴现率为d;

本文计算中假设系统实际装机容量 为供能容量的1. 4倍, 设CCH P系统的热电比为1. 空气源热泵( AH P) 单位供能功率下2 0年的净 现值vAH P可由式(

2 ) 计算: vAH P =∑

2 0 k=1 Ch - Ce PAH P ? è ? ? ? ÷t h + Cc - Ce EAH P ? è ? ? ? ÷t c ( 1+d) k - 1.

4 CAH P (

2 ) 式中: PAH P, EAH P分别为空气源热泵制热、 制冷时的 能效;

CAH P为空气源热泵系统单位装 机成本;

空气 源热泵年维护成本忽略不计. 水源/土壤 源热泵(WH P) 单位供能功率下20年的净现值vWH P可由式(

3 ) 计算: vWH P =∑

2 0 k=1

1 ( 1+d) k é ? ê ê Ch - Ce PWH P ? è ? ? ? ÷t h + Cc - Ce EWH P ? è ? ? ? ÷t c -1.

4 CWH P ′ ù ? ú ú -1.

4 CWH P (

3 ) 式中: PWH P, EWH P分别为水源热泵制冷、 制热时的能 效;

CWH P ′为水源热泵系统单位装机年均维护费用;

CWH P为水源热泵系统单位装机成本.

2 C C H P G H P年等效满负荷运行时数分析 假设 C CH P和HP总的装机容量需 满足项目 的冷热需求, 且在各运行时段( 峰、 谷、 供冷、 供热) 供 能收益最大者优先开机运行.基于以上两点假设, 在给定年逐时冷热负荷和能源价格数据时, 可以得 到不同 C CH P装机容量下 C CH P 和HP各自的年 等效满负荷运行小时数及相应的净现值.该方法的 思路如图1所示, 具体步骤如下. 图1 基于运行时数分析的燃气三联 供G热泵容量优化匹配方法示意图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fa n a l y t i c a lm e t h o df o r C C H P G H Pc a p a c i t ym a t c h i n go p t i m i z a t i o n b a s e do ns e r v i c eh o u ra n a l y s i s 步骤1: 计算供能对象全年逐时冷热负荷值, 找 出最小负荷值, 并按照设计规范确定供能系统的总 装机容量. 步骤2: 按照冷负荷、 热负荷及电价峰谷时段, 分别统计冷、 热负荷在峰谷时段各负荷区间内的负 荷值出现的小时数, 统计结果见附录 A 表A1. 步骤3: 根据设备初投资、 设备能效、 年运行维 护费、 购买电力和燃气的价格、 供冷供热供电价格, 以年等效满负荷供能小时数为变量, 得到单位装机 容量下 C CH P和HP系统在某一核算周期内单位 装机容量的净现值计算公式, 如式(

1 ) 至式(

3 ) 所示. 步骤4: 根据购买电力和燃气的价格, 分别计算 C CH P和HP系统峰谷时段供冷、 供热、 供电的单位 供能收益( 不计初投资, 仅计运行收益) . 步骤5: 假定 C CH P 和HP分别按照 D0 设定 基准装机容量, 基于峰谷时段单位供能收益较高的 设备优先开机运行的原则, 确定 C CH P和HP年可 能的满负荷供能小时数. 某供能设备等效满负荷在各运行时段内某一负 荷区间( Di, Di+1) 内等效满负荷运行小时数计算如 式(

4 ) 所示.

6 2

2 0

1 8,

4 2 (

4 ) ?多能互补、 集成优化能源系统关键技术? h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m t= 0.

5 ( Di+Di+1) t i-P ′ t i ′ P (

4 ) 式中: t i 为各运行时段内某一负荷区间包含的小时 数;

P ′为其他供能子系统在该时段内承担的供能负 荷;

t i ′为其他供能子系统在该时段内供能小时数;

P 为某一供能子系统的理论装机容量. 步骤6: 比较基准装机容量( D0) 时vT G 和vAH P 的大小, 若vT G ≤vAH P, 则本系统中CCH P 越小越好, 或者不配置CCH P;

若vT G >

vAH P,则分析CCH P装机容量大于 D0 时的情况. 步骤7: 若CCH P在基准装机容量( D0) 时净现 值仍低于 H P, 则从经济角度出发本系统不宜安装 C CH P. 步骤8: 若CCH P在基准装机容量( D0) 时净现 值较大, 按照负荷区间间隔依次增加 C CH P的装机 容量, 计算 C CH P在不同装机容量下 C CH P和HP对应的等效满负荷工作小时数, 进而计算得到CCH P和HP的净现值, 两者相加得到系统总的净 现值, 选择净现值最大的作为系统的最优配置. 由于供冷供热负荷的波动性, 在部分时段供冷 供热系统不可避免地出现利用率较低的问题.该方 法从燃气三联供和热泵系统可能达到的年等效满负 荷供能小时数出发, 按照经济性最优的目标, 优化热 泵设备和热电联产设备的容量配置, 通过提高初投 资较高的设备的年利用率, 相应地减少初投资较低 设备的年利用率, 提高整个系统的经济性.

3 案例分析 3.

1 基础数据 3. 1.

1 项目负荷 选取的项目位于上海某商务区, 总建筑面积为 9. 2*1

0 5 m2 , 包括酒店、 商业、 办公及部分居住建筑.经过模拟分析和项目调研, 确定冷、 热负荷分布 如表1所示.根据设计规范确定该项目供冷、 供热 装机容量为7 3MW. 表1 项目冷热负荷分布 T a b l e1 H e a t i n ga n dc o o l i n g l o a d 负荷区间/ MW 峰时时长/ h 谷时时长/ h 冷热冷热73~8

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5 0

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6 8~7

3 1

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1 2

8 2

3 3

1 6 3~6

8 2

2 1

1 8

8 4

1 4

6 5 8~6

3 2

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2 2

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4 6

1 5 3~5

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4 3

3 1

1 9

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4 4 8~5

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2 5

1 1

6 6

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1 4 3~4

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5 3 8~4

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7 总计

18 4

1 15

6 7

9 1

9 7

8 5 3. 1.

2 经济与能效数据 各类供能系统的能效值按照附录 A 表A2选取.项目能源价格分别为 Ce=1.

0 2元/ ( kW?h) , Ce ′ = 0.

4 9 元/ ( kW?h) , Cf=0.

2 4 元/ ( kW?h) , Ch=Cc=0. 4元/ ( kW?h ) , 并假设每年的供能时长 相等, 则可得到各个供能时段各类供能子系统的供 能收益, 见附录 A 表A3. 3.

2 不同情景下经济性最优的系统配置方案 3. 2.

1 基础容量 C CH P与WH P选择的判断依据 本项目的基准负荷是3 8MW, 即某类供能技术 装机容量小于等于该值时, 该供能子系统分别在各 个供能区段( 峰、 谷、 供冷供热) 开机时长最大.由vT G- vWH P≥0有2Ce-6.

1 5 Cf+Ce ′≥0.

7 4 (

5 ) 当Ce = 1.

0 2 元/ ( kW ? h) ,Ce ′ = 0.

4 9元/ ( kW?h ) 时, C CH P 具有竞争力时燃气价格Cf 应小于0.

2 9

11 元/ ( kW?h) , 本项目的燃气 价格满足式(

5 ) , ........