太阳能冷热电联供系统在城市建筑中的适用性分析

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(1.上海电力学院,上海 200090; 2.上海明华电力技术工程有限公司,上海 200090)

当前,能源的消费与供给之间存在着巨大的矛盾,同时能源的不合理使用也加剧了环境污染,节能减排的观念日益深入人心。分布式热电冷联产(Combined Cooling Heating and Power,CCHP)系统因其能效高、污染少的特点,在城市建筑中得到了广泛应用。同时,太阳能作为清洁能源的代表,通过以光伏组件或太阳能集热器为载体,也慢慢地走进了城市中的各个角落[1-2]。太阳能与CCHP系统相结合,不仅可以提高CCHP机组的利用率,还可以弥补太阳能不稳定的缺陷,因此太阳能冷热电联供系统正在成为研究热点。

有关太阳能冷热电联供系统在城市建筑中的优化分析,国内外学者已进行了大量研究,但大多局限于对系统容量的优化分析。关于太阳能联供系统容量优化的研究,国内学者主要集中于对多目标算法的讨论[3-5]。关于负荷结构对能源系统的影响,国内外研究主要集中于太阳能、风能等可再生能源领域[6-7]。针对住宅建筑节能减排潜力的研究,文献[8-9]通过调查进行了一定的阐述,但并未给出实际解决方案。

本文选取住宅、办公、商业3种典型城市建筑,通过太阳能联供系统耦合模型和节能减排评价模型,研究了太阳能联供系统在不同城市建筑中的最佳耦合方式。具体而言,一方面,针对不同类型建筑,分析不同运行方式对系统节能减排效果的影响;另一方面,寻求获得最大节能减排率的太阳能联供系统的耦合方式。

1 供能系统物理模型及其运行策略

1.1 供能系统物理模型

太阳能冷热电联供系统与传统能源系统的能流图如图1所示。传统能源系统即所谓热电分供系统,由电网和燃气锅炉为用户提供能源需求,用户的电负荷由电网提供,冷负荷由电制冷满足,热负荷和热水负荷通过燃气锅炉提供。

本文设计的太阳能三联供系统主要由光伏组件、太阳能集热器和冷热电三联供系统组成。该系统中的电力负荷由燃气轮机发电和光伏发电来供应,不足部分由电网提供;原动机拟用微型燃气轮机,以天然气作为燃料,为系统提供电能的同时,其产生的高温烟气所携带的热能一部分由吸收式制冷机回收制冷,另一部分通过换热器来采暖和提供生活热水;优先使用光伏集热器承担热负荷,不足热负荷由燃气锅炉提供,通过吸收式制冷机供应冷负荷,辅以电制冷机来增强供应的可靠性。

图1 太阳能冷热电联供系统与传统能源系统的能流示意

原动机作为联供系统的核心设备,在用户侧负荷变化时,其发电效率和余热回收效率也会发生变化。不同负载率下原动机的发电效率和热回收效率计算式[10]为

(1)

ηh=(-0.065 3L2-0.222 3L+1.157)Eh

(2)

式中:ηe——实际发电效率;

L——负载率;

Ee——额定发电效率;

ηh——实际热回收效率;

Eh——额定热回收效率。

原动机发电效率和热回收效率随机组负载率的变化曲线如图2所示。

1.2 系统运行策略

以热定电和以电定热是当前联供系统最常采用的运行方式,采用不同的运行策略,均会有多余的电量损耗或热量损耗。如何将太阳能联供系统耦合到合适的建筑中,尽可能地减少能量损耗,是本文的研究初衷,故本文需讨论这两种运行策略[3,11]。

(1) 以热定电 建筑可用面积吸收的太阳能以不同的比例发电、制热,不足的热能部分由微型燃气轮机供给。微型燃气轮机因此产生的电能和太阳能光伏发电机组发出的电能共同承担系统的电负荷,不足的部分由电网补给。

(2) 以电定热 建筑可用面积吸收的太阳能以不同的比例发电、制热,不足的电能部分由微型燃气轮机供给。微型燃气轮机因此产生的余热由余热锅炉收集,与太阳能集热器产生的热能共同承担系统的冷热负荷,不足的部分由燃气锅炉补给。

2 数学模型

2.1 传统能源系统

以传统热电分供系统为参照系统,由此,对于目标建筑,其一次能源消费量Qt的计算式为

(3)

式中:LE——电负荷;

LC——冷负荷;

COP,c——电制冷效率;

σe——电能转换系数;

LH——热负荷;

σf——天然气转换系数。

传统能源系统的CO2排放量Pt的计算式为

(4)

式中:Tgrid——电网碳排放系数;

LB——燃气锅炉耗能量;

Tgas——天然气碳排放系数。

2.2 太阳能冷热电联供系统

在太阳能冷热电联供系统中,将给定建筑群作为一个整体考虑,根据上述整个系统的运行策略,计算其年一次能源消费量,主要包括电网购电所折算一次能源消费量,以及微型燃气发电机组和燃气锅炉所消耗的燃气量。

(5)

式中:QSC——一次能源消费总量;

EPV——光伏发电量;

ESC——太阳能集热器的发热量;

Ege——原动机发电量。

对于太阳能冷热电联供系统,其年CO2排放量的计算式为

(6)

式中:PSC——太阳能冷热电联供系统CO2排放量;

Lge——原动机耗能量。

光伏组件的发电量和太阳能集热器的发热量主要取决于采光面积和当地的辐照量。若辐照量和使用面积确定,则其各自的工作功率也可以确定下来。但在实际工程中,光伏组件和太阳能集热器一般铺设于屋顶,因屋顶面积是一定的,故本文选取光伏组件的耦合率作为变量。光伏组件和太阳能集热器的工作功率计算如下。

式中:HA——倾斜面逐时太阳能辐射量;

K1——光伏组件的综合效率系数;

K2——光伏组件耦合率;

S——屋顶面积;

T1——光电转化效率;

T2——光热转换效率。

为了便于贴近工程实际应用,光伏组件的综合效率系数根据文献[12]选取。系统技术参数如表1所示。

表1 系统技术参数

2.3 系统评价指标

本文使用全年相对节能率ESR(Energy Saving Ratio)和全年相对减排率CER(CO2Emission Reduction Ratio)作为评价准则。为了更直观地表现评价指标,同时兼顾节能性和减排性,提出节能减排率EC,并设置二者的权重系数分别为0.5。

式(11)中,EC值越大,说明太阳能冷热电联供系统相对于分产系统的整体效益越好。本文选取光伏组件耦合率为优化变量。

3 算例分析

本文选取上海地区常见的3种典型建筑类型——住宅建筑、办公建筑和商业建筑作为研究对象。利用eQUEST软件对3种建筑的全年逐时负荷进行模拟。其年负荷统计如图3所示。

图3 3种建筑类型的全年负荷概况

总体而言,不同功能建筑的负荷特性具有明显的差异性。另外,不同建筑的负荷需求时段也有较大差异。办公建筑的负荷主要出现在工作时间段(7:00～17:00),下班时间负荷需求少;商业建筑在营业时间段(9:00～21:00)具有较高的冷负荷需求,且电力负荷较大,在非营业期负荷需求很小;住宅建筑在早上和晚上的负荷需求量大,其余时段需求较少。

基于所构建的评价模型,针对具有不同建筑类型的负荷特点,具体分析了其应用太阳能联供系统的节能减排效果。系统采用余电上网的运行策略,原动机容量根据热负荷峰值按比例进行设定。两种模式下太阳能联供系统在不同建筑中的优化曲线如图4所示。

图4 两种模式下太阳能联供系统在不同建筑中的优化曲线

由图4可知,在以热定电运行策略下,办公建筑应用系统的节能减排率会随着光伏耦合率的增加先增大后减小,当光伏耦合率为91%时,其节能减排率达到最大值62.80%;当光伏耦合率增加至82%时,住宅建筑应用系统的节能减排率达到最大值52.22%;商业建筑应用系统的节能减排率则一直随着光伏耦合率的升高而增大,最大至44.15%。

在以电定热运行策略下,办公建筑和商业建筑的节能减排率都会随着光伏耦合率的增加而增大。其中,办公建筑的最大节能减排率为65.63%;商业建筑的最大节能减排率为46.83%;住宅建筑会随着光伏耦合率的增加先增大后减小,当光伏耦合率为95%时,其节能减排率最大为61.76%。

在微型燃气轮机机组容量确定的情况下,就整体而言,应用两种运行策略,整个系统的节能减排率都会随着光伏耦合率的增加而升高,住宅建筑和办公建筑的节能减排率均高于商业建筑,说明商业建筑较前两者不适用采用太阳能联供系统。相较于住宅建筑,办公建筑的节能减排率会随着光伏耦合率的增加迅速升高,之后还会有小幅度的减小。造成这种差异的原因主要在于用能时段的不同,办公建筑的用能时段主要集中于白天,在此期间,也是太阳能的主要利用时段,太阳能的介入可补充负荷需求时段的不均衡;住宅建筑的用能时段主要集中在早上和晚上,太阳能的介入没有起到主要作用。由全年负荷概况可以看出,办公建筑和住宅建筑的负荷结构比较相近。由此可见,负荷结构会在一定程度上影响节能减排率。

4 结 论

本文选取住宅、办公、商业3种典型城市建筑,对太阳能冷热电联供系统的适用性进行了分析,在机组最优容量确定的情况下,得到以下结论。

(1) 不同建筑类型因其负荷结构、用能密度的不同,对太阳能联供系统的节能减排率极值有一定的限制,办公建筑、住宅建筑和商业建筑的最大节能减排率分别为65.63%,52.22%,46.83%。

(2) 不同运行方式对系统节能减排效果有一定的影响。通过调整光伏耦合率,能够达到最大的节能减排效果。如在以热定电运行策略下,办公建筑和住宅建筑分别在光伏耦合率为91%和82%时,取得最佳的节能减排效果。

参考文献：

[1] 蒋润花,蔡睿贤,韩巍,等.太阳能与冷热电联产系统集成[J].工程热物理学报,2009,30(5):721-724.

[2] 于志.多种太阳能新技术在示范建筑中的应用研究[D].合肥:中国科学技术大学,2014.

[3] 荆有印,白鹤,张建良.太阳能冷热电联供系统的多目标优化设计与运行策略分析[J].中国电机工程学报,2012,32(20):82-87.

[4] 张云,范江.小型离网太阳能冷热电联供系统的优化设计[J].煤炭技术,2015,34(8):310-312.

[5] 吴红斌,王东旭,刘星月.太阳能冷热电联供系统的策略评估和优化配置[J].电力系统自动化,2015(21):46-51.

[6] MARTINEZ-RUBIO A,SANZ-ADAN F,SANTAMARIA-PENA J,et al.Evaluating solar irradiance over facades in high building cities,based on LiDAR technology[J].Applied Energy,2016,183(8):133-147.

[7] YANG A S,SU Y M,WEN C Y,et al.Estimation of wind power generation in dense urban area[J].Applied Energy,2016,171(3):213-230.

[8] 夏博,宋德萱,史洁.上海高层住宅夏季室内热环境研究[J].工业建筑,2013,43(4):45-48.

[9] 史洁,李峥嵘,宋德萱,等.上海高层住宅夏季室内热环境调查研究[J].暖通空调,2007(5):118-121.

[10] 宋少华.冷热电分布式供能系统方案研究及性能仿真[D].大连:大连理工大学,2013.

[11] 刘星月,吴红斌.太阳能综合利用的冷热电联供系统控制策略和运行优化[J].电力系统自动化,2015,39(12):1-6.

[12] 中国电力企业联合会.光伏发电站设计规范:GB 50797—2012[S/OL].(2014-11-17)[2018-01-05].http://www.china-neng-yuan.com/tech/69467.html.