楼宇型分布式能源主要设备选型及经济性分析

张 军， 孙依帆， 陈 伟， 陈俊丞， 陆启亮

(1. 国家电力投资集团有限公司海南分公司， 海口 570000； 2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

分布式能源作为一种新兴的能源结构，与传统的集中供能方式相比，具有节约能源、环保性好、启停灵活等优点[1]。集中供能是城市基础设施和公益事业，建立区域分布式能源站集中供能，符合国家的节能减排政策，能显著提高能源综合利用率，为节能减排、发展低碳经济作出巨大贡献。

楼宇型分布式能源是以“效益规模”为法则的第二代能源系统，以天然气为燃料的分布式能源系统，实行热电冷联产，可以大幅度提高能源转换效率和减少能源输送损失[2]。目前楼宇型分布式能源普遍存在着系统配置不合理、投资和运行成本高等问题，导致其经济性较差。针对该类系统用户类型多、供能情况复杂、可选择的供能设备种类多等特点，笔者以某楼宇型分布式能源为研究对象，分析其冷热负荷变化，在此基础上提出了两种不同的装机方案，并对两种方案进行了经济性对比分析，对楼宇型分布式能源的设计和优化具有一定的借鉴意义[3]。

1 冷热负荷分析

楼宇型分布式能源冷热负荷直接关系到系统配置、运行策略和经济性，因此必须针对特定的边界条件进行详细的冷热负荷分析，以确保后续研究工作的准确性。以某楼宇型分布式能源系统为例，其供能业态类型主要包含办公、商业、酒店和医院，各业态的建筑面积和冷热指标等信息见表1，负荷同时使用系数取0.65，计算得到合计的冷负荷和热负荷分别为15 015.708 5 kW、5 000.164 kW。

表1 业态的建筑面积和冷热指标表

全年负荷预测采用DeST(Designer’s Simulation Toolkit)软件进行模拟[3]，通过简化建筑模型的方式进行推算。根据建筑业态类型分别建立模型，对围护结构参数、内扰参数、房间作息进行设置，并加入通风模型模拟建筑实际运行情况。根据模型计算的全年负荷，对建筑面积进行等比例扩大，并考虑同时使用系数推算出各个供能区域内全年的冷热负荷。

假定全年的供冷时间段为每年的4月15日至10月15日，供热时间段为每年的11月15日至3月15日，其他时间为过渡季，通过仿真模拟可以得到该楼宇型分布式能源的全年逐时冷热负荷曲线(见图1)。

图1 全年逐时冷热负荷曲线

2 装机方案

系统要求夏季空调供、回水温度为6 ℃、13 ℃，冬季空调供、回水温度为60 ℃、50 ℃。针对上述供回水温度，夏季采用离心式冷水机组即可满足要求；冬季供回水温度高，普通的风冷螺杆式热泵或者空气源热泵在室外温度较低的情况下无法满足出水温度60 ℃的要求。此外，单一使用风冷螺杆式热泵或者空气源热泵进行制热，难以满足温差10 K的升温要求。因此对于冬季采暖，笔者讨论两种装机方案：方案一采用两级热泵制热，即采用风冷螺杆式热泵作为一级热泵，向二级热泵-离心式热泵提供低温热源，其工艺流程图见图2；方案二采用常规天然气锅炉制热，其工艺流程图见图3。

图2 方案一工艺流程图

图3 方案二工艺流程图

方案一和方案二的设备装机对比见表2。

表2 设备装机对比表

两种方案中的内燃发电机发电仅在能源站内部供制冷制热设备使用，不向外供电，当内燃发电机发电量不足时从电网购买电力。为了控制变量，两种方案选择了相同型号(SGE-36SL)的天然气内燃发电机，其具体参数见表3。

表3 内燃发电机主要设备技术项目表

3 经济性对比

3.1 技术指标

两种方案全年主要技术经济指标对比见表4。

表4 经济指标对比表

3.2 经济评价指标

各应用方案的经济性分析，主要通过对比各种方案下边界条件变化时的经济评价指标，包括净现值、内部收益率和投资回收期[4]。

3.2.1 净现值

净现值EFNPV是指用预定的基准收益率分别将整个计算期内各年所发生的净现金流量都折现到技术方案开始实施时的现值之和。

(1)

式中：(ECI,t-ECO,t)为第t年的净现金流量，ECI,t为流入现金，ECO,t为流出现金；ic为基准收益率；n为计算期。

EFNPV>0，技术方案可行；EFNPV=0，技术方案可以考虑接受；EFNPV<0，技术方案不可行。

3.2.2 内部收益率

内部收益率iFIRR是使技术方案在整个计算期内各年净现金流量的现值累计等于0时的折现率。

(2)

iFIRR应与ic比较：iFIRR≥ic，技术方案可行；iFIRR

3.2.3 投资回收期

投资回收期为不考虑资金时间价值的静态投资回收期Pt，是指以技术方案的净收益回收其总投资或资本金所需要的时间。

(3)

Pt应与基准投资回收期Pc比较：Pt≤Pc，技术方案可以考虑接受；Pt>Pc，技术方案不可行。

3.3 应用分析

对两种方案进行了经济性指标的计算，方案测算边界包括：供冷热价格为0.65 元/(kW·h)，用户接入费为140 元/m2，购电价格为0.756 元/(kW·h)，天然气价格为2.27元/m3，补水价格为5元/t。经济性指标的计算期为21 a，包含建设期1 a，主要计算结果汇总见表5。

表5 两种方案经济性指标

方案一在冬季制热时采用两级热泵方式，而其电源来自内燃发电机发电和市电，因此内燃发电机的全年利用时间高，天然气耗气量高；方案二在冬季制热时采用天然气锅炉方式，内燃发电机在冬季关闭，天然气耗量低。方案一增加了设备投资，同时方案二中的天然气锅炉设备造价较低，因此方案二的总投资较方案一略低。

结合表4和表5 分析可知：方案二的购电成本较方案一略高，但方案二的天然气耗量较低，天然气成本低，同时方案二的总投资较低，从而导致其修理费、折旧费等固定成本较低，最终导致方案二的经营成本更低，因此收益率更好。两种方案的经济性差异不大，但如果系统规模变大，经济性差别会更加明显，因此在进行方案设计时须要结合业态类型、设备型式、资源价格等参数进行装机方案的反复比选，选择经济性最优的技术方案，以此提高楼宇型分布式能源的整体经济性。

4 结语

笔者针对某楼宇型分布式能源，进行了冷热负荷分析，提出了两种装机方案，并进行了经济性对比分析，主要得出以下结论：

(1) 针对冬季供暖供回水温度较高的系统，传统的单一风冷螺杆式热泵或者空气源热泵无法满足要求，须要采用两级热泵或者天然气锅炉供暖。

(2) 对比两种设备选型方案，方案二的总投资和经营成本较方案一略低，收益率更好，尽管两种方案经济性差异不大，但放大规模后差异性会更加明显。

(3) 楼宇型分布式能源用户业态类型多、设备选择方式多样、边界条件复杂，必须进行多种装机方案的对比计算，选择经济性最优的方案。