区域分布式“多能互补”能源系统方案综合评价

高 彬 刘 勇 刘育辰

（1. 中国华西企业有限公司，广东 深圳 518034；2. 重庆大学，重庆 400045）

在我国能源体系中，煤炭仍是能源消费中的主要燃料；然而，煤炭的能源利用效率低、碳排放量高，因此，需要加快能源结构由煤炭向天然气与可再生能源的转变[1]。区域分布式“多能互补”能源系统在为区域建筑群供电的同时，可利用发电余热为区域建筑群供冷供热，实现能源的梯级利用以及多种能源互补利用、联合运行；加强了冷、热、电、气等能源生产的耦合集成，大大提高了能源综合利用效率，减少了污染物排放量。 因此， 近年来区域分布式“多能互补”能源系统在我国受到了越来越多的关注。

针对区域分布式“多能互补”能源系统的综合效益评价、分析，是一个值得深入研究的热点问题。近年来，已有学者[2～9]分别从经济、能耗 （技术） 、环境等角度建立了分布式能源系统多指标评价体系，并通过层次分析法、AHP-熵权法、多属性混合关联层次综合评价法、综合赋权法等，对不同气象条件、不同类型建筑、不同形式的分布式能源系统进行了综合评价，并取得了较好的应用效果。

本文将以某区域能源规划项目为案例，综合考虑冷热电三联供系统与可再生能源系统的特点，从经济效益、能源效益、环境效益、技术效益、社会效益五个方面，建立能源供给系统方案的综合评价指标体系，利用层次分析法确定各指标权重，利用模糊综合评价法建立模糊数学评价模型，对该区域能源规划项目的能源供给初拟方案进行综合评价，从而进一步优选出适宜于该项目的区域能源供给方案。

1 工程概况

本文案例项目位于贵州省贵阳市。项目区域有A、B、C三个片区，主要包含酒店、公寓、办公、商业等建筑类型，总建筑面积37.7 m2。其中：A区，主要为酒店、公寓、办公建筑，总建筑面积18.5 m2；B区，主要为商业建筑，总建筑面积5.2 m2；C区，主要为住宅、商业建筑，总建筑面积14 m2。

项目区域拟建设区域分布式“多能互补”能源站以满足区域内各用户的冷、热、电及生活热水需求。

2 区域建筑群能源需求特性分析

该项目集中能源需求主要包括：酒店、商业、部分住宅的全年空调冷热供给，区域建筑全年电供给，以及区域建筑全年卫生热水供给。

利用DeST能耗模拟软件，可以对案例项目采用集中空调建筑的逐时冷、热负荷进行模拟分析，从而得到该区域建筑群集中空调全年累计供热量为5 546.11 MWh，全年累计供冷量为4 004.03 MWh。同时，由全年空调逐时冷、热负荷模拟结果，还可以得到该项目集中空调全年冷、热负荷的负荷率区间分布，如表1所示。由表1可知，该案例项目全年集中空调冷、热负荷需求大部分时段处于低负荷率区间。区域能源供给方案选择以及冷热源设备容量、设备数量确定，应以此为依据并给予充分重视。

表1 冷热负荷负荷率分布 /%

利用贵阳市既有建筑用电实地调研数据、建筑配电相关规范的电力负荷指标[10]、国外相关建筑生活热水负荷估算指标[11]，可以粗略估算得到该区域建筑群全年累计耗电量18 706.6 MWh、全年累计生活热水负荷2 917.08 MWh。

同时，根据该区域的逐时热 （冷） 负荷、电力负荷分析，可以得到该区域建筑群的冬、夏逐时热电比 （见图1）。由图1可知：该案例项目的区域建筑冬、夏热电比普遍较小，热电比小于1的总时段占比达到69.6%，热电比小于0.5的总时段占比达到54%。

图1 冬夏季逐时热电比统计图

3 区域可利用能源资源评估

天然气资源方面，案例项目区域天然气资源丰富，天然气管线较多，具有较好的利用天然气冷热电三联供技术的基础条件[12]。

地表水资源方面，案例项目区域河水夏季平均水温约在17～26 ℃，冬季平均水温约在10～12 ℃；多年平均流量为0.667 m3/s，汛期 （5～10月） 多年平均流量为0.926 m3/s，枯水期多年平均流量为0.428 m3/s，水体水质指标可达到Ⅲ类水质标准。根据公式 （1） 、 （2），可以初步估算得到该项目区域地表水源热泵系统夏季最大供冷量为19 571.46 kW，冬季最大供热量为11 414.76 kW。

地热资源方面，通过对案例项目区域的地下岩土热响应测试结果，可以得到案例项目区域地下垂直埋管换热器的换热性能参数分别为：制冷工况下，竖直地埋管换热器 （100 m双U管） 换热量约6.3 kW；供暖工况下，竖直地埋管换热器（100 m双U管） 换热量约5.24 kW。案例项目区域有面积约1.8 m2地块区域可以埋设地下换热器，经过计算可以埋设约1 200口地下换热器。根据公式 （3） 、 （4），可以估算得到该项目区域地下换热器冬季最大供热量为7 860 kW、夏季最大供冷量为6 510 kW。

式中：Qgshp-h——地埋管地源热泵系统冬季供热量（kW）；Qgshp-c——地埋管地源热泵系统夏季供冷量（kW）；A——可埋管区域面积（m2）；qh、qc——冬夏季单位埋管管长换热量（W/m）；l——单位埋管面积地埋管管长（m/m2）；COPh——地埋管地源热泵系统的制热性能系数；EERc——地埋管地源热泵系统的制冷能效比。

太阳能资源方面，由统计资料发现，案例项目区域1961～2015年[13]地面的太阳辐射累年平均年总量为3 721.85 MJ/（m2·a）， 太阳能资源稳定度 （K值） 约为3.94[14]。根据《太阳能资源评估方法》，案例项目所在区域太阳能资源丰富程度一般，太阳能资源属于“较稳定”级。为此，案例项目区域能源供给方案尽管不适宜以太阳能为主，但是可以考虑利用太阳能进行辅助热供给。

4 区域能源供给初拟系统方案

根据前述分析，项目区域可利用的能源系统主要有冷热电三联供系统、地表水源热泵系统、地埋管地源热泵系统。结合项目区域能源价格体系，对三种系统进行对比分析可知，虽然冷热电三联供系统的初投资较高，但是在运行费用与节能减排方面，冷热电三联供系统效果仍具有较好的优势。此外，冷热电三联供系统能够大大提高用户用电的安全性与稳定性，可以有效缓解电网负荷较重时的电网压力、实现对燃气和电力的双重削峰填谷、保障区域能源系统的稳定可靠供应。因此，在该项目能源供给系统考虑中，优先考虑使用冷热电三联供系统。

结合项目区域能源储备及需求分析，初步提出以下4种可行的能源供给方案：方案一，“天然气冷热电三联供+河水源热泵+太阳能集热”系统；方案二，“天然气冷热电三联供+土壤源热泵+太阳能集热”系统；方案三，“冷热电三联供+常规冷水机组+燃气锅炉” 系统；方案四，“电网供电+常规冷水机组系统+燃气锅炉”系统。同时，考虑区域建筑群冷热负荷逐时负荷率以及冬、夏热电比，为了提高天然气冷热电三联供系统的能源效率，在上述初选能源方案中均采用以基荷定热 （35%） 的能源结构及系统运行模式。

5 综合评价指标体系与数学模型的构建

根据已有文献研究、工程项目经验以及案例项目情况，可以从经济效益、能源效益、环境效益、技术效益、社会效益五个方面建立该项目能源供给系统综合评价指标体系。经济效益包含：效率型指标内部收益率、价值型指标费用年值、时间型指标投资回收期；能源效益包含：一次能源利用率、相对节能率、可再生能源利用率；环境效益包含：CO2、NOX、SO2以及烟尘减排量，噪声对环境影响；技术效益包含：技术成熟度、安全可靠性以及维护管理难度；社会效益包含：与国家政策的一致性、技术示范性、资源合理利用以及带动相关产业与增加就业机会等。从而，可得该项目能源供给系统方案的综合评价层次指标体系，如图2所示。

在综合评价层次指标体系确定的基础上，利用模糊综合评价法即可建立该项目能源供给系统各初拟方案的模糊评价数学模型[15]。

图2 区域能源供给系统方案综合评价指标体系

6 综合评价

6.1 评价指标权重计算

利用层次分析法，可以确定综合评价指标体系各指标的权重，其中一级指标的权重如表2所示[16]，二级指标的权重如表3所示。

6.2 定量指标隶属度值

表2 一级指标相对重要性及权重

表3 二级指标权重

基于项目区域能源供需特性、初选方案的组合形式以及各定量指标的计算方法，可以对各定量指标进行计算，计算结果如表4所示。

根据已有文献研究、案例项目资料以及各指标的计算结果，可以构建各评价指标对应的隶属度函数，进而求得各定量指标的隶属度值，如表5所示。

表4 初选方案各定量指标对比分析表

表5 初选方案各定量指标隶属度值

6.3 定性指标隶属度值

根据前述初拟能源供给方案的定性指标实际情况，设置对应的定性指标评判的评语级，由专业领域的专家结合案例项目区域情况对各初拟方案的相应定性评价指标进行评判，并利用模糊统计法可以得到各定性指标的隶属度值，如表6所示。

表6 初选方案各定性指标隶属度值

6.4 综合效益评价

以各指标权重与隶属度值，对案例项目的初选方案进行综合评价，寻求适合案例项目的综合效益最优的能源供给方案。

前述初拟能源供给系统方案的一级指标的评判矩阵如下：

由一级指标权重，可以得到各初拟方案的模糊综合评价结果为：

根据模糊综合评价结果，可以看出：方案一 （“冷热电三联供+河水源热泵+太阳能集热”系统） 是该案例项目能源供给的综合效益最优方案；其余能源供给方案依次分别为：方案二 （“冷热电三联供+地埋管地源热泵+太阳能集热”系统） 、方案三 （“冷热电三联供+常规冷水机组+燃气锅炉”系统） 、方案四 （“电网供电+常规冷水机组+燃气锅炉”系统）。

为此，对本案例项目而言，适宜于该项目能源资源及需求的综合效益最优区域能源供给方案建议设计确定为“冷热电三联供+河水源热泵+太阳能集热”系统。

7 结语

实际工程中，同一区域能源规划项目的可利用能源供给系统方案通常并不唯一。在区域能源供给系统的最优化方案确定中，应结合区域能源需求特性、能源资源条件，采用科学、合理的评价方法进行科学评估、综合考量。

对于某区域能源规划项目而言，基于项目区域能源需求特性、能源资源条件分析，利用层次分析法与模糊综合评价法对该区域能源供给系统初拟方案进行了综合评价。根据综合评价结果，适宜于该项目的综合效益最优区域能源供给方案为“冷热电三联供+河水源热泵+太阳能集热”系统。