区域型冷热电联供系统负荷特征及匹配分析

李春蝶　王　亮（1.四川大学建筑与环境学院　成都　610065；2.成都市环境保护科学研究院　成都　610072；.西南科技大学土木工程与建筑学院　绵阳　621010）



区域型冷热电联供系统负荷特征及匹配分析

李春蝶1,2王亮3
（1.四川大学建筑与环境学院成都610065；2.成都市环境保护科学研究院成都610072；3.西南科技大学土木工程与建筑学院绵阳621010）

【摘要】为指导冷热电联供系统设计选型，选取某分布式能源项目中所有的公共建筑建立DeST模型，以计算冷热负荷，根据建筑性质按照逐时逐月分摊比例方法计算逐时生活热水和电负荷，通过总结冷热电负荷日变化、月变化以及热（冷）电比，得出公共建筑群负荷匹配特征，以此优化系统设备配置。

【关键词】冷热电联供系统；区域供冷；负荷特征；负荷匹配

0　引言

分布式能源系统是一种新型的能量供应概念，它被定义为基于用户当地或附近的发电系统，同时优先提供本地用户电能和热能。其中，供能系统主要包括分布式供电和供热，其中供电是直接安置在用户近旁或大楼里面的功率从kW至MW级不等的中、小型模块式独立发电装置，在电网崩溃和意外灾害情况下维持重要用户的供电，可提高供电可靠性[1,2]。该供电装置特别适合于分布式热电联供或冷热电联供系统。因此，冷热电联供系统成为了分布式供能系统的一种主要形式。

冷热电联供系统就是指通过对多种一次能源（包括煤、天然气等）转换技术的集成运用，对同一对象同时提供冷/热、电、蒸汽、热水等多种终端能源的系统，即对发电设备供电后的余热进行回收利用，转换成供热或空调供冷，该类系统多采用往复式活塞发动机，燃气轮机，微型燃气轮机，斯特林机以及燃料电池等原动机技术，可实现能源的梯级高效利用[3]。确定逐时冷热电负荷模拟是区域型冷热电联供系统设计和运行优化的必要前提[4,5]，且区域冷热电三联供系统负荷有别于单体建筑的常规空调冷负荷的最大特征是建筑间存在同时使用系数和输配冷损失不能忽略。因此本文选取夏热冬暖地区某案例项目中涉及到的公共建筑建立DeST模型，以计算冷热负荷，根据建筑性质按照逐时逐月分摊比例方法计算逐时生活热水和电负荷，通过总结冷热电负荷日变化、月变化以及热（冷）电比，得出公建群负荷匹配特征。

1　冷热负荷特征

冷热负荷变化主要呈现为季节变化和日变化，其中季节变化主要受冬夏季室外温度变化大，日变化主要受建筑使用性质和作息规律不同的影响。

1.1月变化

空调冷热负荷月变化主要受室外温差的影响：冷热负荷可分为两类，即物理冷热负荷（physical cool/heat load）和社会冷热负荷（social cool/heat load），由于天气情况例如室外温度和温度波动情况所引起的负荷就为物理负荷，输配损失也同样属于物理负荷，其他的影响因素还有太阳辐射等，太阳辐射会增加外墙面和屋面的表面温度，并通过导热进去至房间内部从而增加冷负荷。社会负荷主要取决于人员习惯，例如夏季日间由于室外高温不愿外出，过渡季节室外气温较舒适，外出的人员增多。生活热水负荷变化也因室外气温的影响引起酒店入住人员用水习惯变化，使得冬季热水使用量较夏季的大。

本文采用相对月变化率来表述季节冷热负荷波动情况，其公式如下：

式中：Vm为相对月变化率，%；pd、pm、pa分别为日、月、年负荷平均值，kW。

图1　案例项目冷热负荷相对月变化率Fig.1 Relative monthly variation of cooling/heating load in case study

从图1可知，夏季负荷波动高于冬季，但10月为供冷末期，10月下旬冷负荷骤降，因此该月变化率大，达到35%；冬季生活热水负荷和供热负荷变化率较小，都不超过2%。

1.2日变化

空调冷热负荷、生活热水负荷及电负荷日变化主要是社会负荷变化，它与建筑性质所对应的作息规律有关，例如办公建筑在上班时段空调及用电需求高，下班就几乎不需要空调和用电，商业及物流建筑则在运营时期一直需要空调和照明，非运营时刻则都不需要，且周末人员较平时密集，冷负荷呈现出周末高于平时。酒店的生活热水受人员用水习惯影响，一般中国人习惯夜间洗澡，因此夜间的生活热水负荷高于白天。

本文采用相对日变化率来表述一天冷热负荷波动情况，其公式如下：

式中：Vd为相对日变化率，%；ph为负荷时均值，kW。

图2　案例项目冷热负荷相对日变化率Fig.2 Relative daily variation of cooling/heating load in case study

图2表征了冷热负荷日变化波动情况，在非供冷期，热负荷相对日变化率不大，即表明在冬季热负荷变化不大；但在过渡期日变化率波动较大，可从10%变至37%；夏季冷负荷变化较稳定，变化率在27%-42%波动。

1.3时变化

相对时变化率表征了冷热负荷时均值与日均值的绝对差偏离年均值的程度，该变化率从用户侧反应使用蓄冷或蓄热装置是否适宜。本文采用相对时变化率来表述一年8760个小时的冷热负荷波动情况，其公式如下：

式中：Vh为相对时变化率，%。

分别选取冬夏两季典型日分析案例项目的冷热负荷相对时变化率如图3所示。冬季夜间负荷变化率较白天的高，最高是在夜间21:00，为4.48%，夏季负荷一天波动大，波动范围可从10%变至85%，最大为白天15:00，相对变化率为84%。因此，夏季有必要采取蓄冷措施，但冬季不需要蓄热。

图3　案例项目冷热负荷相对时变化率Fig.3 Relative hourly variation of cooling/heating load in case study

图4　各类型建筑热（冷）电比Fig.4 Various types ofbuilding heat(cold)/power ratio

2　冷热电负荷匹配

冷（热）电比将直接决定冷热电联供系统设计和运行的节能性、经济性和环保性，冷（热）电匹配优良的系统能充分发挥余热不浪费的优势，因此进行冷热电联供系统运行和配置优化前需了解用户的冷热电负荷匹配特性。

从图4可明显看出，各类型建筑热电比以1为界，两侧分布较不均衡，商业和物流建筑多处于冷电比小于1的状态，而办公和酒店则多处于冷（热）电比大于1的状态。在除冷热源系统未开启时段（即热电比为0的时刻），商业、酒店、办公和物流建筑分别有1655h、3802h、781h和1483h的热电比小于1，分别有637h、4958h、1668h和845h的热电比大于1。且各类型建筑的热（冷）电比随季节变化明显，酒店建筑由于冬季供热、夏季供冷和全年供生活热水，因此呈现出热（冷）电比在供热季节大于1和小于1的时刻相当，而在供冷季节几乎都大于1，最大热（冷）电比为4.5；商业、办公和物流建筑仅需供冷，供冷季节冷电比呈现出部分时刻大于1，且最大冷电比分别为8.4、2.7和8.7。

冷（热）电比较高的时刻大多是冷（热）负荷不算高，但电负荷很小的时刻，通过逐时数据得知该时刻一般是早上7、8时。造成冷（热）电比高的原因是制冷系统须在建筑正式运行前开启消除建筑内余热以保证人员进入后的热舒适，而此时建筑内的电消耗还较少。

图5为案例项目建筑群总冷热电负荷逐时图，次坐标为热负荷，从该图可以看出全年热负荷较少，多数时刻冷负荷高于电负荷；夏季为用能高峰期且持续时间长。全年有4605h冷（热）电比小于1且集中在冬季和过渡季节，有4155h冷（热）电比大于1且集中在夏季，最大值为5.85。

图5　建筑群总冷热电负荷逐时图Fig.5 Hourly buildings total electrical, heating- cooling load

图6　建筑群总热（冷）电比Fig.6 Buildings total heat (cold) /power ratio

3　总结

（1）冷热电联供系统负荷特征表现为：季节变化主要受冬夏季室外温度变化大影响，而日变化主要受建筑使用性质和作息规律不同的影响，从案例项目得出夏季负荷波动高于冬季，冬季夜间负荷变化率较白天高，夏季负荷一天波动大，波动范围可从10%变至85%，因此夏季有必要采取蓄冷措施，但冬季不需要蓄热。

（2）冷（热）电比方面，商业和物流建筑多处于小于1的状态，而办公和酒店则多处于大于1的状态。各类型建筑的热（冷）电比随季节变化明显，酒店建筑的热（冷）电比在供热季节大于1和小于1的时刻相当，而在供冷季节几乎都大于1，最大热（冷）电比为4.5；商业、办公和物流建筑的最大冷电比分别为8.4、2.7和8.7。总冷热电负荷逐时呈现出全年热负荷较少，夏季为用能高峰期且持续时间长的特点，全年有4605h冷（热）电比小于1且集中在冬季和过渡季节，有4155h冷（热）电比大于1且集中在夏季，最大值为5.85，说明公建群的冷（热）电负荷差距大，可有效利用联供系统余热。

参考文献：

[1]龙惟定.热电冷联供技术分析及政策建议[J].电力需求侧管理,2010,12(4):1-5.

[2]付林,李辉.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,2007

[3]华贲.区域型分布式冷热电联供能源系统的规划设计[J].中外能源,2011,3(16):13-20.

[4]李朝振,石玉美,顾建明.三联供系统优化中负荷的描述与分析[J].中南大学学报（自然科学版）,2009,40(4): 891-896.

[5] Chao Z Li, Yu M Shi, Xing H Huang. Sensitivity analysis of energy demands on performance of CCHP system[J]. Energy Conversion and Management, 2008 (49):3491-3497.

Analysis of Load Characteristics and Matching in District CCHP System

Li Chundie1,2Wang Liang3
( 1.College of Architecture and environment, Sichuan University, Chengdu, 610065;
2.Chengdu Academy of environmental Sciences, Chengdu, 610072; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

【Abstract】In order to guide the configuration design of combined cooling-heating and power system(CCHPsystem), DeST models of the public buildings in a certain distributed energy project are established to calculate heat/cool loading of the public buildings. The living hot water and electricity load is also calculated by monthly/hourly proportion method based on the characteristics of buildings. At last, the load matching feature of the public buildings is obtained through summarizing the daily/monthly change of cold/heat/electricity load and heat(cold)power ratio, in order to optimize the system equipment configurations.

【Keywords】CCHP system; District Cooling; Load Characteristics; LoadMatching

中图分类号TU831.2

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-005-04

通讯作者：李春蝶（1986.01-），女，工学博士，博士后，E-mail：lcdshiwo@126.com

收稿日期：2015-07-31