缓冲水蓄能冷热电联供系统运行策略及性能分析

马汉

中南大学能源科学与工程学院

0 引言

冷热电联供系统具有能源综合利用效率高， 排放低， 环境和经济效益好等优点， 近年来得到了快速发展。如何提高系统能源效率， 供能稳定性和运行经济性是冷热电联供领域研究的主要方向。蓄能技术可以有效缓解冷热电联供系统和建筑用户间能量供需不平衡， 减少装机容量， 提高系统运行效率和供能稳定性，获得了广泛应用和研究。水蓄能是冷热电联供系统可行的蓄能技术形式之一， 其具备可以蓄冷和蓄热，吸收式和常规制冷设备均可使用， 技术要求低和维修方便等特点。然而，关于新型水蓄能装置及其在冷热电联供系统中的应用研究仍不充分。

本文提出了以缓冲水蓄能(冷、 热)模块为蓄能设备的缓冲水蓄能冷热电联供系统。采用 “以热定电” 方式选择系统配置， 分析了缓冲水蓄能冷热电联供系统和无水蓄能冷热电联供系统冷热电联供运行策略。基于冷热电联供运行策略， 对缓冲水蓄能冷热电联供系统和无蓄能冷热电联供系统的能源， 环境和运行经济性指标 [1] 进行对比分析。

1 缓冲水蓄能冷热电联供系统

缓冲水蓄能冷热电联供系统由联供模块和缓冲水蓄能模块组成， 如图1。

图1 缓冲水蓄能冷热电联供系统示意图

联供模块由燃气发电机组 （PGU）， 烟气型双效吸收式一体化机组 （AM）， 燃气热水锅炉 （GB）， 电制冷机组 （EC）， 电控制柜和相关管线等组成。联供模块运行时， 燃气发电机组消耗天然气发电， 排放的高温烟气驱动烟气型吸收式一体化机组制冷或制热。电制冷机组、 燃气热水锅炉作为辅助制冷和制热设备。电控制柜根据燃气发电机组发电量和建筑用户电负荷变化，通过向公共电网购电和售电方式， 实时调节联供模块供电量以满足建筑用户用电需求。

缓冲水蓄能模块由蓄能水箱 （ST1～STn）， 缓冲水蓄能水箱 （ST g ，ST h ）， 水泵， 阀门和连接管路等组成。 蓄能（冷或热）过程为依次将 ST2～STn中存储回水经联供模块获取能量转化为冷冻水或供暖热水蓄存到 ST 1 ～STn-1中，而释能过程则是依次将 ST n-1 ～ST1中蓄存冷冻水或供暖热水经建筑用户释能转化为回水存储到ST1～STn-1中。在 STg和STh的缓冲作用下， 缓冲水蓄能模块可以实现蓄， 释能状态延时平稳转换和无极蓄存或补充联供模块与建筑用户间动态不匹配冷热量，增强了联供系统的稳定性和可靠性。

2 数学方法

为简化计算， 提出以下假设：

1） 忽略气象环境条件变化对设备性能的影响。

2） 蓄能水箱采用有效保温措施， 散热量忽略不计，且内部水温分布均匀。

3） 燃气内燃机发电机组变工况的计算参考王晓红等[2]， 烟气型双效吸收式一体化机组变工况计算参考郑剑桥等 [3] 和陈强等 [4] ， 电制冷机组参考王嘉等 [5] 。

2.1 运行计算及能耗分析

基于燃气发电机组、 烟气型吸收式一体化机组、 缓冲水蓄能模块、 电制冷机组、 燃气热水锅炉可行性组合， 缓冲水蓄能冷热电联供系统逐小时供冷， 供热和供电运行计算方法如式 （1）、 式 （2） 和式 （3） 所示。

式中：Qusers_c、Qusers_h分别为建筑用户冷负荷和热负荷，kWh；Q AM_c、QAM_h分别为烟气型双效吸收式一体化机组制冷量和制热量，kWh；Qst_c、Qst_h分别为缓冲水蓄能模块已蓄存冷量和热量， kWh，上标 -1 代表上一小时；Q st_cs、Qst_cr分别为缓冲水蓄能模块蓄冷量和释放冷量，kWh；Q st_hs、Qst_hr分别为缓冲水蓄能模块蓄热量和释放热量，kWh；QCCHP_c、QCCHP_h分别为缓冲水蓄能冷热电联供系统制冷量和制热量， kWh；QEC为电制冷机组制冷量，kWh；QGB为燃气热水锅炉制热量，kWh；Eusers为建筑用户电负荷， kWh；EPGU为燃气发电机组发电量，kWh；ES为向公共电网售电量，kWh；Egrid为从公共电网购电量， kWh。

缓冲水蓄能冷热电联供系统耗气量（m3）、 耗电量（kWh） 计算方法如式 （4） 和 （5） 所示。

式中：FPGU、FGB分别为燃气发电机组和燃气热水锅炉耗气量，m3；ηPGU为燃气发电机组发电效率；ηGB为燃气热水锅炉热效率；HLng为天然气低位热值，kJ/m3；COPEC为电制冷机组制冷效率。

无蓄能冷热电联供系统基于设备全工况模型的供冷、 供热和供电运行计算方法即在式 （1）， 式 （2） 和式（3） 中去除蓄能相关项。常规分产系统供冷、 供热和供电运行计算方法则是在式 （1）， 式 （2） 和式 （3） 中去除蓄能、 燃气发电机组和烟气型双效吸收式一体化机组等相关项。无蓄能冷热电联供系统和常规分产系统耗气量和耗电量计算方法与缓冲水蓄能冷热电联供系统相同。

2.2 评价指标

常规分产系统耗电量Esp，一次能源消耗PEsp， 二氧化碳排放当量CE sp，运行费用OCsp计算方法如式（6）， 式 （7）， 式 （8） 和式 （9） 所示。

式中：ηgrid为公共电网综合效率；pecrelec为电力一次能源转换系数；cerelec为电力二氧化碳当量系数，g/kWh；pelec为电价， 元 /kWh。

无蓄能和缓冲水蓄能冷热电联供系统一次能源消耗PECCHP、一次能源节约率PERR计算方法如式（10） 和式 （11） 所示； 二氧化碳排放量CE CCHP、 二氧化碳当量减少率CERR的计算方法如式 （12） 和式 （13） 所示； 运行费用OC CCHP、 运行费用节省率OCRR计算方法如式 （14） 和式 （15） 所示[1]。

其中，pecrng是天然气一次能源转换系数。

其中，cerng为天然气二氧化碳当量系数，g/kWh。

其中，png为天然气价格，元 /kWh；ps_elec为上网售电电价，元 /kWh。

3 案例研究

3.1 案例描述

本文以某饭店建筑为分析对象， 其设计工况最大冷负荷为872 kW， 最大热负荷为510 kW， 最大电负荷375 kW， 夏季供冷期和冬季供暖期各120 天。图 2 为该饭店季典型日冷， 电负荷及冬季典型日热， 电负荷。饭店缓冲水蓄能冷热电联供系统采用图 1 组织结构。夏季供冷时， 阀门②、 ④、 ⑦关闭， 烟气型吸收式一体化机组和电制冷机组联合供冷， 缓冲水蓄能模块蓄存或补充联供模块相比建筑用户冷负荷供冷剩余或不足的冷量。 冬季供暖时， 阀门①、 ③、 ⑥、 ⑩关闭， 烟气型吸收式一体化机组和燃气热水锅炉联合供热， 缓冲水蓄能模块蓄存或补充联供模块相比建筑用户热负荷过量或不足的热量。

图2 饭店夏季典型日冷，电负荷及冬季典型日热，电负荷

3.2 系统配置

本文采用 “以热定电” 方式确定缓冲水蓄能冷热电联供系统设备配置。先根据饭店夏季典型日冷负荷，同时考虑蓄能空间尽量小， 选取烟气型吸收式一体化机组制冷容量， 然后选择与之匹配的燃气发电机组、 电制冷机组和燃气热水锅炉。 鉴于饭店最大电负荷较小，本文选择燃气内燃机发电机组 （ICE） 作为联供系统燃气发电机组。饭店缓冲水蓄能冷热电联供系统主要设备及其参数见表1。

表1 缓冲水蓄能冷热电联供系统主要设备及其参数

为了对缓冲水蓄能冷热电联供系统进行能源， 环境和经济性分析，选取常规分产系统为基准系统， 无蓄能冷热电联供系统作为对比系统。常规分产系统和无蓄能冷热电联供系统制冷容量和制热容量均按照饭店设计工况最大冷负荷、 最大热负荷选取。其中， 无蓄能冷热电联供系统中燃气内燃机发电机组和烟气型吸收式一体化机组与缓冲水蓄能冷热电联供系统相同。电制冷机组选取为两台制冷功率 275 kW的微型离心式电制冷机 （EC1、 EC2）。燃气热水锅炉选取与缓冲水蓄能冷热电联供系统同样类型，制热功率为280kW （GB1）。常规分产系统由电制冷机组和燃气热水锅炉组成， 电制冷机组制冷系数取 4， 燃气热水锅炉热效率取0.9。由以上配置可知， 缓冲水蓄能模冷热电联产系统相比常规分产系统，制冷容量减少 36.81%，制热容量减少31.17%。

缓冲水蓄能冷热电联供系统性能分析中， 涉及计算参数见表2 [1、 6-9] 。

表2 计算参数

4 结果与讨论

4.1 运行策略

4.1.1 缓冲水蓄能冷热电联供系统运行策略

图 3 为夏季典型日缓冲水蓄能冷热电联供系统供能运行策略。燃气内燃机全天处于额定工况运行发电状态，烟 气型双效吸收式一体化机组全天处于额定工况运行制冷状态。详细的供冷运行策略如下。

1）22:00 至次日 8:00，烟气型吸收式一体化机组制冷量大于饭店冷负荷，多 余制冷量蓄存到缓冲水蓄能模块中。燃气内燃机发电量大于饭店电负荷，多 余电量售于公共电网。电制冷机组处于停机状态。

2）9:00至11:00及 21:00，烟 气型吸收式一体化机组制冷量小于饭店冷负荷，不 足的冷量由缓冲水蓄能模块释放蓄冷量提供。电制冷机组处于停机状态。

3）12:00 至 20:00，烟 气型吸收式一体化机组和电制冷机组额定工况运行制冷，总 制冷量仍小于饭店冷负荷， 不足的冷量由缓冲水蓄能模块释放蓄冷量提供。

图3 缓冲水蓄能冷热电联供系统夏季典型日供能运行策略

图4 缓冲水蓄能冷热电联供系统冬季典型日供能运行策略

图4 为冬季典型日缓冲水蓄能冷热电联供系统供能运行策略。其中，燃气内燃机全天处于额定工况运行发电状态，烟 气型吸收式一体化机组全天处于额定工况运行制热状态。具体供热运行策略如下：

1）20:00至0:00及4:00至7:00，烟气型吸收式一体化机组额定工况运行制热，制 热量大于饭店热负荷，多余制热量蓄存到缓冲水蓄能模块中。燃气热水锅炉（GB）处 于停机状态。

2）1:00至 3:00，烟 气型吸收式一体化机组额定工况运行制热，制 热量小于饭店热负荷，不 足热量由缓冲水蓄能模块释放蓄热量提供。燃气热水锅炉处于停机状态。

3）7:00，9:00，11:00，12:00 及 14:00，烟 气型吸收式一体化机组和燃气热水锅炉额定工况运行制热，制 热量大于饭店热负荷，多 余制热量蓄存到缓冲水蓄能模块中。

4）8:00，10:00，13:00 及 15 至 19:00，烟气型吸收式一体化机组和燃气热水锅炉额定工况运行制热，制热量小于饭店热负荷，不 足热量由缓冲水蓄能模块释放蓄热量提供。

4.1.2 常规分产系统和无蓄能冷热电联供系统的运行策略

常规分产系统由定制冷系数的电制冷机组， 定热效率的燃气热水锅炉及公共电网组成， 其供冷策略为电制冷机组制冷量实时满足饭店冷负荷， 供热策略为燃气热水锅炉制热量实时满足饭店热负荷， 供电策略为公共电网购电量实时满足饭店热负荷。

结合饭店负荷特点， 基于燃气内燃机、 烟气型吸收式一体化机组、 电制冷机组变工况数学模型， 计算得出无蓄能冷热电联供系统典型日供冷、 供热、 供电策略。

图5 无蓄能冷热电联供系统夏季典型日供能运行策略

图5 为无蓄能冷热电联供系统夏季典型日供能运行策略。具体供冷、供 电运行策略如下：

1）22:00至次日 8:00，一 台电制冷机组（ EC1）变 工况运行制冷。公 共电网提供EC1耗电量和饭店电负荷需求电量。燃气内燃机和EC2处于停机状态。

2）9:00 至11:00 及21:00，烟 气型双效吸收式一体化机组（ AM）和 EC1变工况运行制冷。ICE变工况运行发电，发 电量首先用于 EC1 耗电，剩 余电量提供饭店使用。公共电网提供饭店电负荷需求电量与ICE剩余发电量差额。EC2处于停机状态。

3）12:00至20:00，A M，E C1和EC2变工况运行制冷。燃气内燃机变工况运行发电，发电量首先用于EC1和EC2耗电，剩 余电量提供饭店使用。饭店电负荷需求电量与ICE剩余电量差额。

图6为无蓄能冷热电联供系统冬季典型日供能运行策略。具体供热、供 电运行策略如下：

1）22:00，饭店无热负荷，ICE，A M 和 GB 均处于停机状态。公共电网提供饭店电负荷需求电量。

2）23:00，0:00，4:00和 5:00，A M 变工况运行制热。ICE变工况运行发电，发电量首先满足饭店电负荷需求电量，剩 余电量售于公共电网。GB处于停机状态。

3）1:00 至 3:00、6:00 至 19:00，A M 额定工况运行制热。G B变工况运行制热。ICE额定工况运行发电，发电量首先满足饭店电负荷需求电量，剩 余电量售于公共电网。

4）20:00和21:00，G B变工况运行制热。公共电网提供饭店电负荷需求电量。ICE和AM处于停机状态。

图6 无蓄能冷热电联供系统冬季典型日供能运行策略

4.2 能源，环境和经济性分析

基于饭店供冷， 供热和供电策略， 分产系统， 无蓄能和缓冲水蓄能冷热电联供系统夏季及冬季典型日的一次能源消耗量， 二氧化碳排放量和运行费用的计算结果如图7所示。可以看出，无蓄能和缓冲水蓄能冷热电联供系统冬季或夏季典型日的一次能源消耗量、 二氧化碳排放量、 运行费用相对常规分产系统均有所降低， 且缓冲水蓄能冷热电联供系统降低力度大于无蓄能冷热电联供系统。

图7 一次能源消耗量，二氧化碳排放当量和运行费用

表 3 为无蓄能和缓冲水蓄能冷热电联供系统相对常规分产系统一次能源节约率， 二氧化碳排放当量减少率和运行费用节省率。从表中可以看出， 相比无蓄能冷热电联供系统， 缓冲水蓄能冷热电联供系统夏季典型日一次能源节约率，二氧化碳排放当量减少率，运行费用节省率分别提高 15.56%，24.10%和13.02%，冬季典型日则分别提高 5.07%，6.25%和4.96%。

表3 一次能源节约率，二氧化碳排放当量减少率和运行费用节省率

5 结论

本文提出了以缓冲水蓄能 （冷、 热） 模块为蓄能设备的缓冲水蓄能冷热电联供系统。该系统实时满足建筑用户冷热电负荷同时， 动力设备全时段额定工况运行， 降低了系统装机制冷容量和制热容量。以常规分产系统为基准， 对比分析了无蓄能型和缓冲水蓄能冷热电联供系统在饭店类型建筑夏季、 冬季典型日的运行策略及能源， 环境， 运行经济性指标。 研究结果表明，无蓄能冷热电联供系统相比常规分产系统可以实现夏季典型日一次能源节约率 14.11%， 二氧化碳排放当量减少率22.69%和运行费用节省率27.9%， 冬季典型日一次能源节约率34.87%， 二氧化碳排放当量减少率63.75%和运行费用节省率22.34%。同时， 缓冲水蓄能冷热电联供系统相比无蓄能冷热电联供系统夏季典型日一次能源节约率提高了 15.56%， 二氧化碳排放当量减少率提高了24.10%， 运行费用节省率分别提高了13.02%， 冬季典型日一次能源节约率提高了5.07%， 二氧化碳排放当量减少率提高了 6.25%，运行费用节省率分别提高了4.96%。结果说明缓冲水蓄能冷热电联供系统具有很好的能源， 环境和运行经济性指标， 为水蓄能技术在冷热电联供系统中的应用提供一种新的思路。

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