带蓄能装置冷热电联产系统的多目标评价研究

马爱纯 孙玮 李力 胡日骍

中南大学能源科学与工程学院

冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系统是一种建立在能量梯级利用原理基础上，将供冷、供热及供电过程一体化的多联产供能系统。将冷热电联供技术应用于大型办公建筑，对降低建筑能耗及减少二氧化碳排放具有重要意义。CCHP系统一般按照以热定电或以电定热的模式来设计系统容量，这两种方式都可能导致系统能源供需不匹配，使原动机经常变工况运行，余热利用率低。引入蓄能装置可以调节系统热电比，优化机组运行工况，解决联产系统负荷缺口问题。目前关于无蓄能装置联产系统的配置及运行策略研究较多，且越来越多的研究者们从多目标角度来评价系统[1-4]。在带蓄能装置联产系统的研究方面，大多研究者们都从系统经济性或一次能源节约率等单方面因素来评价分析系统优劣[5-9]，关于多目标综合评价系统的研究较少，且主要集中在系统运行策略的方面，文献[10-11]考虑能源、环境、经济三个方面对带蓄能装置联产系统的运行策略进行了研究。由于建筑物类型不同，若仅考虑单一的评价指标，则不能全面地评价蓄能型联产系统，得到该建筑物最佳的配置方案。本研究以长沙地区某50000m2办公楼为对象，设计不同的CCHP方案，运用层次分析法对带蓄能装置的方案的经济性、环境性、节能性进行综合评价，并与无蓄能装置的方案比较，最终得到该办公楼最佳的配置方案。

1 CCHP系统方案设计

1.1 系统配置型式

办公建筑具有负荷间歇性变化大的特点，适合蓄能装置发挥削峰填谷的作用。对于带蓄能装置联产系统，当系统制冷（热）负荷高于用户需求时，将多余的冷（热）负荷储存在蓄能装置中。当制冷（热）负荷不能满足用户冷(热)负荷需求时，再由蓄能装置补充供应，调节了系统热电比，解决了无蓄能装置联产系统能源供需不匹配、余热利用效率低的问题。办公建筑采用的带蓄能装置的冷热电联产配置型式如图1所示。其中原动机为燃气轮机，余热回收装置为烟气型吸收式制冷机，调峰设备包括电动压缩机和蓄能装置。

图1 带蓄能装置的冷热电联产系统

1.2 系统方案设计

以长沙地区某50000m2办公楼为研究对象，通过DeST软件模拟出其全年逐时冷热电负荷情况。该办公楼工作时段电负荷稳定在1250kW左右，夏季典型日峰值冷负荷约为4300kW，冬季典型日峰值热负荷约为2800kW。该办公楼的冷热负荷远大于电负荷，若采用以冷热负荷确定机组配置的方法，联产系统可满足办公楼冷热负荷，无需配置蓄能装置，且原动机容量过大，在并网不上网的政策下，造成电能的浪费，所以应以电负荷为基准进行配置选型，原动机可长时间处于额定工况下运行，并配合蓄能装置，充分利用系统产生的余热，实现冷（热）的转移，调节系统热电比。具体配置方案如表1所示，其中方案七为分供方案。

表1 办公楼CCHP配置方案

办公楼工作日工作时间为8:00-19:00，周末不工作，且过渡季无需供冷、供热，所以联产系统只在冬季和夏季运行，过渡季不运行，年运行时间如表2所示。

表2 联产系统年运行时间

2 CCHP系统多目标评价

为了全方面地评价系统的优劣，综合考虑能源、环境、经济三个方面的影响因素，将联产系统与分供方案比较，以一次能源节约率（PESR），二氧化碳减排率（ESR），年费用节约率（CSR）[12]分别作为能源目标，环境目标和经济目标对CCHP系统进行综合评价分析。

2.1 多目标评价模型建立

采用层次分析法[13]对不同CCHP系统配置方案进行综合评价。CCHP系统评价框架由三层评价体系构成，第一层为方案层，第二层为准则层，第三层为目标层。本研究中的评价流程图如图2所示。

图2 CCHP系统评价流程图

2.1.1 准则层

采用Santy的1～9标度方法，对办公楼构建关于能源、环境、经济的成对比较阵，满足一致性检验校核后，得到相应的权向量。办公建筑应着重考虑节能因素[14]，则办公建筑关于能源、环境、经济评价指标的权重向量ω=[0.55；0.24；0.21]。

2.1.2 方案层

根据各方案的能源、环境、经济目标值，结合式（1），计算出基于三个标准的备选方案的成对比较阵，满足一致性检验校核后，从而求得各方案关于每个标准的权重向量。

式中：Pi,j为成对比较阵的元素；Roundup为向负方向取整的函数；Ci、Cj为同一准则下任意两个方案i和j的标准数值；Cmax为标准数值中的最大值；Cmin为标准数值中的最小值；N为最大标度值，根据Santy的层次分析法理论，N=9。

2.1.3 目标层

将准则层的权重与方案层的权重进行矩阵计算，得到系统的最终权重，从而选出最佳方案。

2.2 多目标评价计算

长沙地区售电单价采取分时电价政策，天然气价格采取季节性差价政策，电、天然气价格参数如表4、表5所示。

表4 电的价格参数

表5 天然气的价格参数

根据系统配置方案，计算各方案初始指标值如表6所示。根据表6中的六个方案的能源（PESR）、环境（ESR）、经济（CSR）的标准数值，计算出六个方案关于每个评价标准的成对比较阵及相应的权重，并结合准则层中评价标准的权重，求出各方案的最终权重如表7所示。

表6 各方案初始指标值

表7 各方案关于评价指标的权重因子及最终权重

2.3 系统评价结果分析

从表7中可见，同燃气轮机容量下，方案四与方案一，方案五与方案二，方案六与方案三相比，通过引入蓄能装置，其节能性、环境性、经济性均有提高。在带蓄能装置的方案中，方案五的节能性最好。方案四的环境性最优，方案五低于方案四，但方案四的经济性较差，主要原因是其设备初投资成本很高，折算的年总费用相对较高，降低了其经济性。方案六的经济性最佳，但其环境性却很差，主要原因是方案六的设备容量较小，系统发电量和可利用的余热较小，需从电网补足电量缺额很大，而电厂单位发电量排放的CO2较大，综合考虑三个方面，方案五最佳。由表6计算可得，方案五与分供方案相比，其年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年总费用分别减少11.0%，30.9%，11.0%。与方案二相比，同燃气轮机容量下，系统的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年总费用分别减少了0.9%、1.8%、1.6%。由于该办公楼夏季冷负荷需求较大，蓄能装置主要利用夜间低价电制冷蓄冷，白天放冷调峰来降低系统运行成本，但总节能量较小。冬季热负荷波动较大，蓄能装置主要通过回收系统余热来减少能源消耗量，但冬季系统运行时间较短。所以对办公楼，蓄能装置的引入节能效果仍不明显。对于医院、火车站等全天均需冷（热）负荷且昼夜负荷变化较大的建筑，引入蓄能装置将有更好的前景。

3 结论

为长沙地区某50000m2办公楼设计了六种CCHP系统方案，基于能源、环境、经济评价标准，结合层次分析法进行了综合评价。六种方案中，MakilaTI型燃气轮机配合蓄能装置的方案五最佳，与分供方案相比，其节能性、环境性、经济性分别提高了11.0%，30.9%，11.0%。与方案二相比，同燃气轮机容量下，蓄能装置的引入使得系统的年能源消耗量、年二氧化碳排放量、年总费用分别减少了0.9%、1.8%、1.6%。