城市综合体三联供系统应用分析

岳云涛， 王立坤， 杨智勇

(1.北京建筑工程学院，北京 100044;2.CCDI悉地国际，北京 100013)

城市综合体三联供系统应用分析

岳云涛1， 王立坤1， 杨智勇2

(1.北京建筑工程学院，北京 100044;2.CCDI悉地国际，北京 100013)

城市三联供系统是一项既经济又环保的优化方案。文中阐述了城市综合体的负荷特点和三联供系统的运行特点，并以湖南省某城市综合体为例，在估算建筑物的冷热电负荷的基础上，提出了三联供系统应用于该类建筑的可行性和系统设备配置及运行方式选择的最优化方案。比较三联供系统与常规市电供电系统的经济和环保效益，结果表明:三联供系统应用于城市综合体有效实用。三联供系统有更大的收益率，充分体现出燃气发电清洁能源的环保特点。

三联供;城市综合体;效益分析

0 引言

城市综合体被广义的定义为是城市中的居住、办公、商务、出行、购物、文化娱乐、社交、游憩等各类功能复合、相互作用、互为价值链的高度集约的街区建筑群体［1］。这种建筑物建筑形态多样，各类型建筑的冷热电负荷变化曲线多样，但整个建筑物负荷曲线叠加之后，会出现负荷相对集中，冬夏季分别有较大热冷负荷，常年有热水负荷的特性。

笔者根据城市综合体的特性，提出燃气冷热电三联供系统应用于城市综合体建筑的可行性和系统设备配置及运行方式选择的最优化方案。通过分析和比较三联供系统与常规市电供电系统的经济环保效益，确定三联供系统应用于城市综合体的有效性和实用性。

1 冷热电三联供系统的优势

随着社会的进步，人们对于能源的利用趋于多样化，节能、高效、环保也逐渐成为人们选择能源时考虑的重要因素。燃气冷热电三联供系统，是一种新型的分布式能源系统，在发电的同时利用设备的余热制冷制热，形成能源的梯级利用。该系统优势归纳以下几个方面:

(1)节约能源。利用天然气的高品能发电，发电余热用来供热或制冷，使能量的利用更为合理。

(2)能源综合利用率高。系统不仅可以获得约40%的发电效率，还能将中温废热回收利用供冷、供热，通常综合能源利用率可达80%。

(3)对燃气和电力有双重削峰填谷作用。采用燃气三联供系统，夏季利用燃气发电余热制冷，增加夏季的燃气使用量，减少夏季空调的电负荷，同时系统的自发电也可以降低电网的供电压力。

(4)供能安全性高。由于增加了用户自发电系统，可以减少对电网的依赖性，提高用电的安全性。冷热电三联供建设在用户附近，与传统长距离输电相比，还能减少6% ～8%的线路损耗。

(5)清洁环保。使用清洁燃料天然气，大大降低污染物对大气的排放。

2 某城市三联供系统的应用设计

2.1 项目概况

该城市综合体将把商业、办公、居住、酒店、展览、餐饮、会议、文娱、交通等城市功能进行全方位组合，与城市交通协调，并在各部分间建立一种相互依存、价值互补的能动关系，形成一个功能多样的复杂街区。城市综合体不同于城市中心密集的建筑群体，它是一个完整的城市街区。同时，通过街区的关系，与外部空间结合起来，与交通系统有效关联，延展城市的空间价值。

2.2 冷热电负荷估算

根据建筑物的不同业态类型，设定适当的室内设计参数，采用eQuest软件对建筑物进行负荷模拟计算，为下一步的设备选型提供依据。

2.2.1 室内设计参数

参照《湖南省公共建筑节能设计标准》DBJ43/003—2010，室内模拟条件见表1。

2.2.2 冷热电负荷估测

全年最大冷负荷15200 kW，用冷量31808530 kWh;全年最大热负荷2448 kW(图1)，用热量1160901 kWh。按照夏季空调全年不保证50 h，冬季采暖不保证24 h，设计空调负荷13 900 kW，供暖负荷2 000 kW。

考虑精品酒店和酒店公寓用热水，全年最大热水负荷1 511 kW(图2)，全年用热量4 078 826 kWh。全年用电最大负荷7 460 kW，最小用电负荷1 593 kW(图3)，全年用电量40 193 194 kWh。

2.3 设备选型

在设备选型的过程中，不以传统的“以热定电”或“以电定热”的方式确定设备容量，而是以经济最优为目标，采用逐时迭代算法。通过equest软件计算出逐时能耗数据。根据逐时能耗数据进行发电设备选型。设定一个发电机容量的初值，同时设定上网电价、燃气价格、冷热价，按照设定的计算公式核算经济效益。根据计算结果，调整发电机功率，直至使净现值最大时运行结束，从而得出最优的设备配置。运算流程如图4所示。

按照图4的计算过程和项目的数据，优化出发电机发电容量约4 000 kW，结合发电机厂家型号并考虑适应不同冷热需求，选择发电容量为1 413 kW的3台内燃机发电。

表1 商业建筑内扰设定值Table 1 Commercial buildings interference settings

图1 城市综合体逐时空调、采暖负荷Fig.1 City’s comprehensive hourly air conditioning，heating load

图2 城市综合体逐时热水负荷Fig.2 Urban complex of hot water load

图3 城市综合体逐时非制冷电负荷(不含空调)Fig.3 Urban complex of electricity load(without air conditioning)

图4 设备配置优化的计算流程Fig.4 Calculation process of device configuration optimization

燃气内燃机可利用发电余热有缸套水(75～90℃)和高温烟气(390℃)，发电余热宜采用烟气型溴化锂冷热水机组利用缸套水高温部分(80～90℃)和高温烟气为城市综合体提供冷热量，而低于80℃的缸套水则采用板式换热器提供生活热水和部分采暖负荷。

2.3.1 运行策略

发电机发电供区域内使用，该项目按照技术特点发电机发电并网运行;夏季发电机循环热水和烟气通过热水烟气型溴冷机、补燃型余热锅炉、板式换热器为区域内提供冷热量，不足的冷量通过补燃和电制冷解决;冬季发电机循环热水通过板式换热器向区域内提供供暖用热水，烟气通过溴冷机提供供暖用生活热水，不足的部分通过补燃解决。

2.3.2 运行数据

全年供冷量31 808 530 kWh;全年供暖热量1 160 901 kWh，供热水耗热4 078 826 kWh，旅馆洗衣房用蒸汽972 000 kWh，含热水耗热总量为6 211 728 kWh，不含热水总热量为2 132 902 kWh(为不含热水总卖热量，其中余热供冷16 526 454 kWh，余热供热5 596 772 kWh)。

发电量达到 18 302 040 kWh(其中，厂用电4234567 kWh)，卖电量为14 067 473 kWh;全年外部用电量40193 194 kWh;耗气量=4 888 251 m3;总耗水量19.8万t:系统耗水7.8万t，生活热水量12.0万t。

2.4 电力系统运行分析

工程供电方案初步考虑3台发电机组在10 kV侧并网接入市电电网，三联供系统所发电力全部出售给电网。园区建筑物的电负荷再由市电引入两路10 kV进行供配电。

图5 电力系统接入示意Fig.5 Power system access diagram

如图5所示，电力系统的接入选用上网运行系统，利用软件计算出经济最优的前提下，设定发电设备容量，按照当前电力部门的相关要求，单独发电若要上网则不能再单独售电，因此需要把所发电量全部输送到电网售电，用户再从电网侧购电。

2.5 效益分析

2.5.1 经济效益

利用增量经济分析法［2－3］对该项目应用的三联供系统和常规系统进行评价。

增量投资回收年限Y是三联供系统增量投资ΔC与年运行费减量ΔR之比。其中ΔR是与采用传统燃气锅炉供热和电制冷方式相比，用户包括能源和运行维护在内的每年能源运行费减少量。

常规系统初投资C1为1 178万元，其中燃气锅炉80万元，制冷机组950万元，其他设备146万元，机房、安装费2万元。

三联供系统初投资C2为4 063.4万元，其中热气机2 544万元，溴化锂直燃机组716.8万元，冷水机组和余热锅炉分别为633和21.6万元，其他设备146万元，机房、安装费2万元。

系统增量投资ΔC=C2－C1，ΔC=40 634 000－11 780 000=2 885.4 万元。

年运行费减量为常规系统年运行费与三联供系统年运行费之差。

由于项目设计三联供系统发电采用并网运行方式，所发电量除了厂用电外都并网，外部用电统一从电网购买。因此，在进行年运行费用对比时，两种系统的差异主要体现在系统运行燃气投入量差、常规系统的冷量和热量的耗电量和三联供系统的发电量，年运行费减量为

式中:R1——常规系统年运行费;

R2——三联供系统年运行费;

G1——常规系统年燃气投入费用;

G2——三联供系统年燃气投入费用;

E1——常规系统冷热负荷耗电量;

E2——三联供系统发电量(除去厂用电)。

根据式(1)，年运行费减量为8 979 079.73－4 517 884.73=4 461 195(元)

由此计算Y=ΔC/ΔR=28 854 000/4 461 195=6.5(a)

增量投资回收年限在5～10 a即符合投资的条件，参考文献［2］指出三联供系统比常规系统每年的净收益要高，在6.5 a之后收回增量投资之后，三联供系统将有更大的收益率。

2.5.2 环境效益

根据专业统计，火力发电每千瓦时电耗标准煤400 g，同时污染排放272 g碳粉尘、997 g二氧化碳、30 g二氧化硫和15 g氮氧化物。与其相比，采用燃气三联供发电就会体现出环保的优势，排放物几乎没有二氧化硫、很少的氮氧化物、极少的粉尘［4］。该系统采用内燃机主要排放为氮氧化物，排放量为300～500 mg/Nm3。根据以上运行数据分析，三联供系统可以发电18 302 040 kWh，同样的发电量，可以减少4 978 154.88 kg碳粉尘、549 061.2 kg二氧化硫、273 kg氮氧化物的排放，充分体现出燃气发电清洁能源的环保特点。

3 结论

(1)三联供系统比传统的燃气锅炉和电制冷的供能方式更具有技术、经济、节能等方面的优势。通过逐时迭代法确定三联供系统的容量，达到应用系统设备配置及运行方式选择的最优化。

(2)三联供系统与常规市电供电系统相比，前者更经济环保，且三联供系统应用于城市综合体更有效实用。

［1］朱文俊.城市综合体的功能及价值分析［D］.北京:清华大学，2008:6－7.

［2］孔祥强，王如竹，李 瑛，等.基于热气机分布式冷热电三联供效益分析［J］.中国建设信息，200(4):24－28.

［3］付 林，李 辉，等.天然气热电冷联供技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:272－291.

［4］陈广才.浅谈燃气电厂的社会效益与经济效益［J］.中国科技信息，2008(20):17－19.

Application analysis of combined cooling，heating and power in an urban complex

YUE Yuntao1， WANG Likun1， YANG Zhiyong2
(1.Beijing Insititute of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China;2.CCDI Group，Beijing 100013，China)

Combined cooling represents an economical and environmentally friendly optimization.This paper introduces the load feature of urban complex and the operational characteristic of the combined cooling，heating and power(CCHP)，proposes heating load and power load，the feasibility of the application system by CCHP，as exemplified by a urban complex in Hunan province as an example，based on estimating cooling load，and describes the development of the optimal equipment and mode of operation.The comparison between combined cooling and conventional power supply in terms of economic and environmental benefits proves that combined cooling could find an effective and practical use in urban complex.Combined cooling with a greater benefit fully reflects the environmental protection characteristics of the gas－ fired generation clean energy.

combined cooling，heating and power;urban complex;cost benefit analysis

TU99

A

1671－0118(2012)04－0442－04

2012－07－04

北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201010016011);北京市优秀人才培养资助项目(20081D0501700204)

岳云涛(1971－)，男，辽宁省辽阳市人，副教授，博士后，研究方向:电力电子与电力传动、建筑电气设计等，E-mail:Yue_Yun_tao@sohu.com。

(编辑 徐 岩)