天然气分布式供能系统在上海城市中心商务区的适用性

朱寅康上海市节能减排中心有限公司



天然气分布式供能系统在上海城市中心商务区的适用性

朱寅康
上海市节能减排中心有限公司

通过分析上海城市中心商务区冷、热负荷特点，建立了区域天然气分布式供能系统模型，并分析了其经济性和节能效益，最终得出以燃气内燃机为主动力源的天然气分布式供能系统不是很适用于城市中心商务区的结论。

中心商务区；分布式供能系统；模型；经济；节能

当前，上海已规划有虹桥商务区核心区、前滩地区、世博A片区、世博B片区等多个城市中心商务区，为融合城市低碳发展要求，这些城市商务区已或拟建设区域天然气分布式供能系统，为商务区建筑群供应冷、热等能源，多余的电量向电网出售。笔者通过调研，发现该类天然气分布式供能系统尚存在较多问题，因此，拟根据城市中心商务区热负荷特点建立相应的天然气分布式供能系统模型，并计算其经济性和节能效益，解析天然气分布式供能系统在上海城市中心商务区的适用性，以作抛砖引玉之效。

1 中心商务区特点及其典型天然气分布式供能系统

1.1 中心商务区特点

上海城市中心商务区根据其发展定位的不同，分为金融、服务业、商务办公等聚集区，各集聚区建筑功能虽有所不同，但有3个典型特征，一是具有大量的金融、商务办公、酒店、公寓以及完善的交通、通信等现代化基础设施，二是建筑高密度、现代化，三是建筑功能分布中，写字楼约占区域总建筑面积的50%左右，商业、餐饮业及商住建筑约占40%，其它服务设施以及必要的配套设施约占10%。

1.2 典型区域天然气分布式供能系统

目前，上海已或拟建的各个中心商务区天然气分布式供能系统按照其供能区域特点略有不同，但都无外乎由燃气内燃机、燃气锅炉、溴化锂吸收式冷热水机、离心式冷水机组、热泵、蓄冷（热）罐等几部分组成，如图1所示。从这样的组成结构来看，区域天然气分布式供能系统由两部分组成，一部分为真正的天然气分布式供能系统，由燃气内燃机、溴化锂吸收式制冷机组成；另一部分实际上为传统供能系统，由离心式冷水机组、热泵、锅炉、蓄冷（热）罐组成。其三联供能过程为：夏季供冷时，天然气进入内燃机中发电并产生余热，余热进入溴化锂吸收式冷热水机制冷，当冷量不足时，采用内燃机所发的电带动离心式制冷机制冷，余电上网；夜间利用谷电蓄冷，白天由蓄冷罐与溴化锂吸收式冷热水机、离心式制冷机联合供冷。

冬季供暖时，天然气进入内燃机中发电并产生余热，余热进入溴化锂吸收式冷热水机制热，当热量不足时，则内燃机所发的电带动热泵制热，余电上网；夜间利用谷电蓄热，白天由蓄热罐与溴化锂吸收式冷热水机、热泵联合供热；燃气锅炉供应尖峰热负荷。

为使本文的分析内容更有针对性，笔者将虚构出一个具有典型特征的中心商务区，并按照图1所示的分布式供能系统组成进行相关取舍后建立模型。

2 虚构的中心商务区及其冷、热负荷

2.1 中心商务区建筑功能分布

设某中心商务区总建筑面积为2.1×106 m2，建筑功能分布及空调供能面积为表1所示。

图1 典型中心商务区天然气分布式供能系统

表1 某中心商务区建筑功能分布及空调供能面积

2.2 全年冷、热负荷曲线

用eQuest 3.64对该中心商务区每幢楼单独建模计算得到该区域年冷、热负荷曲线如图2所示。计算过程中，采用了2012 ASHRAE Handbook中上海气象参数，各建筑热工及供暖、通风、空调设计参数均按照《公共建筑节能设计标准》（DGJ-08-107-2012）相关规定取值。

其中，最大冷负荷为155 MW，最小冷负荷为0.15 MW，最大热负荷为95 MW，最小热负荷为0.6MW。

2.3 冷、热负荷特点

图2 中心商务区年冷、热负荷曲线（为便于区分，图中热负荷取负值）

从图2可以看出曲线有3个较为显著的特点：一是不管是冷负荷还是热负荷，其峰谷差较大；二是中心商务区办公楼较多，冷、热负荷曲线均表现为锯齿状；三是由于建筑体量较大，且一般为全封闭式楼宇，因此，建筑存在内区热负荷，冬季需要供冷，但该冷负荷很小。以上三个特点表明该中心商务区的冷、热负荷特性较差。

2.4 全年延时热负荷曲线

全年延时热负荷曲线是天然气分布式供能系统主动力设备的选型依据之一。将冷负荷折算到热负荷后（按照双效吸收式制冷机COP=1.3计算）可进一步得到中心商务区全年延时热负荷曲线，如图3所示。

图3 中心商务区全年延时热负荷曲线

从图3可以更加直观地看出，中心商务区热负荷从122MW处（最大热负荷）陡降，直到30MW以后才相对平缓（此时工作小时数为1805h）， 到 达25 MW时的为2 408 h。

3 建立天然气分布式供能系统模型

3.1 建模前的基本容量判断

根据《分布式供能系统工程技术规程》（DG/TJ08-115-2008）相关规定，天然气分布式供能系统应当按照“以热定电”的原则进行设备配置。从图3可知，天然气分布式供能系统余热利用部分如果满足122MW的热负荷，则大部分时间以“发电+较少供热”的方式运行，这种运行方式已经多个研究机构证明，既不经济，也不节能。因此，对于中心商务区的天然气分布式供能系统，其设备配置过程应该是在一个基本容量区间对系统反复进行优化的过程，该过程需要做到“两个平衡”，即在全年延时热负荷曲线上找到最佳负荷点，再按照该负荷大小按照“以热定电”的原则进行设备选型，做到热电平衡、一次能源利用效率和经济性相互平衡。

根据全年延时热负荷曲线初步判断，天然气分布式供能系统供应热负荷的区间应在15 MW～30 MW之间。

3.2 建立天然气分布式供能系统仿真模型

根据图1所示，结合天然气分布式供能系统供应热负荷的区间，笔者利用区域供能系统仿真软件TFlex23+Peace23软件建立了中心商务区分布式供能系统模型，如图4和图5所示，并经过反复优化求得最佳容量配置，如表2所示。计算过程中，冷水温度取7/15℃，热水温度取60～45℃；由于上海使用燃气锅炉进行供热的成本较高，因此，模型中取消了燃气锅炉；由于夜间蓄冷（热）使用电网电力，需单独建模计算，因此，模型中未含蓄冷（热）系统。

3.3 仿真运行结果

从图4、图5可知，当中心商务区分布式供能系统满负荷运行时，其发电容量为20.5 MW，供冷容量为75.7 MW，供热容量为36 MW，加上蓄冷（热）罐的供应能力，能够满足该中心商务区的最大冷负荷、热负荷。其中，分布式供能系统余热利用容量占全部总容量的25.4%。

图4 中心商务区分布式供能系统供冷模

图5 中心商务区分布式供能系统供热模型

4 经济性分析

4.1 经济性分析的边界条件

分布式供能系统的经济性与分布式供能系统造价、年利用小时数、天然气价格、电价、热（冷）价等因素有关。其中，分布式供能系统设备及管网造价采用当前市场价格，土建参照当前上海市类似地下空间开发造价水平，设备安装费、人工费、调试费均按照上海市当前有关电气、设备安装标准计算；经统计，该分布式供能系统供冷年利用小时数为2 237 h，供热年利用小时数为1 481 h；气价采用当前气价，为2.72元/m3；电价采用天然气分布式供能系统上网电价0.726元/kWh；根据对上海高端楼宇自建的传统供能系统使用成本来看，热（冷）价应不超过0.55元/kWh，换算为热量为153元/GJ；修理费、人员工资、材料费等其它相关经济性分析数据参照现有分布式供能系统经济性分析数据取值；土地成本取分布式供能系统造价的30%。

表2 某中心商务区分布式供能系统选型

4.2 经济性分析结果

利用上述建立的分布式供能系统模型计算得到，分布式供能系统造价21 760元/kW，处于上海市目前各中心商务区分布式供能系统中下游水平，加上土地成本后，约为28 288元/kW；分布式供能系统年上网电量为4.21×107 kWh，年购入电量为1.51×107 kWh，年供热量389.62 TJ，年供冷量532.38 TJ，稳定工况下年用气量为742.6 TJ（按上海市目前燃气低位35 564 kJ/Nm3计算，则年用气量为2.09×107 Nm3），变工况下为870.4 TJ（2.45×107 Nm3），年补水量为7.61×106 t；总投资收益率6.709%，投资回收期12.15年。

由上可知，即便经反复优化后的分布式供能系统总的年运行小时数达到了3 718 h，高于现有上海市绝大多数中心商务区分布式供能系统年运行小时数，但总投资收益率仍只有6.709%，投资回收期较长。

5 节能效益分析

5.1 节能效益对比方法

目前，分布式供能系统节能减排效益尚无统一的对比标准，有两种方法比较流行但都有一定缺陷：一是与燃煤电厂+传统供能系统比，由于天然气是宝贵的清洁能源，因此，用燃煤电厂与分布式供能系统相比未体现天然气的价值；二是与燃气电厂+传统供能系统比，由于燃气电厂一般均采用燃气-蒸汽联合循环系统，其发电效率高达55%以上，因此，分布式供能系统与其相比无任何优势。笔者在反复斟酌后，认为中心商务区的分布式供能系统与传统供能系统有一定可比性，主要原因是中心商务区能源供应系统中只是增加了一套分布式供能系统，并将原来由传统供能系统供应的能量集中由分布式供能系统供应而已，因此，考察分布式供能系统的节能效益只需要进行“有无对比”即可。

5.2 传统供能系统能耗

设传统供能系统供冷时采用离心式冷水机组（综合COP=4），采暖时采用热泵（综合COP=2.5），热水供应系统采用燃气锅炉（综合利用效率80%）。则中心商务区采用传统供能系统时，其年用电量约为5.33×107 kWh，年用气量约为3.78×106 Nm3，折合11 141 tce（电力折标系数采用当量值，天然气折标系数取12.143tce/104 kWh）。

5.3 分布式供能系统能耗

采用分布式供能系统时，利用TFlex23计算的数据，绘制分布式供能系统变工况下的能源平衡图如图6所示。为与传统供能系统同口径比较，能源平衡图绘制过程中离心式制冷机、离心式热泵全部按COP值折算到用电数据。

图6中，当燃气内燃机运行在变工况下，其发电效率比设计值（45.74%）要低3.14%，综合利用效率约为83.62%；由于溴化锂吸收式冷热水机将高品质能量（焓值为410.2 kJ/kg）转换到低品质能量（冷：焓值为29.54 kJ/kg，热：焓值为251.2 kJ/kg），因此，热损失较大；由于离心式制冷机、热泵大部分时间工作在50%以下负荷区间，导致其COP实际上只有4.2左右，因此，离心式制冷机、热泵需消耗更高的电量来制取冷量、热量。

图6 分布式供能系统能源平衡图

经计算，该中心商务区分布式供能系统能耗约为14 454 tce，高于传统供能系统能耗。

6 结语

受冷、热负荷特性较差影响，中心商务区分布式供能系统经济性不好、总的能耗水平也高于传统供能系统，如果单从节能角度出发，则以燃气内燃机为主动力源的天然气分布式供能系统并不是十分适用于中心商务区，当然，实际工作中尚需具体情况具体对待。建议从燃气、电力削峰填谷的角度考虑，在热负荷相对稳定的区域建设分布式供能系统，并在设备配置、运行策略上下足功夫，提高上海天然气分布式供能系统的应用水平。

Natural Gas Distributed Power Supply System Applicability in Shanghai Downtown CBD

Zhu Yinkang
Shanghai Energy Saving and Emission Reducing Co.，Ltd

Through analyzing Shanghai downtown CBD cooling and heating load characteristics，the article introduces regional natural gas distributed power supply system model and analyzes it's economic benefits and energy saving effect. The author suggests that natural gas distributed power supply system based on gas-fired internal combustion engine as prime mover doesn't suit urban downtown CBD.

CBD Central Business District， Distributed Power Supply System， Mode， Economic，Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.009