住宅分布式供能系统模型与运行策略研究

沈 轶 何 青

华北电力大学能源动力与机械工程学院

0 引言

分布式供能技术通过能量的梯级利用，使能源利用变得更高效和节能，同时减少了能源利用对环境的污染[1]。

分布式供能系统又称为分布式冷、热、电联产系统，通过小规模、模块化和分散式安装在用户端，同时提供冷、热、电多种形式的能源[2,3]。美国、日本和英国等国家对分布式供能系统的经济性和效率等方面进行了大量研究和应用[4-6]。我国对分布式供能系统应用的可行性、优化设计和运行策略等方面也已开始研究和试点应用[7-15]。如今的世界和社会发展迅速导致了人们对于生活环境和生活质量的要求也越来越高，各种以清洁能源为主的分布式供能系统正在向前发展[16]。但是，如何优化选择分布式供能系统的运行策略显得尤为重要。根据近年来国内外学者对分布式供能系统运行策略的研究可知，大部分仅对商用建筑进行了研究，对于住宅式建筑的研究却很少。

本文针对住宅类建筑，模拟了全年的人员作息、空调作息、设备热扰和灯光照明作息等条件并进行建筑负荷和内扰电耗的计算。以华南某高校宿舍为案例，对模拟所得到的两种不同运行策略的理论结果进行对比，从经济的角度为住宅式分布式供能系统的运行优化提供切实可行的建议。

1 住宅分布式供能系统模型

1.1 系统组成

分布式供能系统即分布式冷热电联供能源系统，包括制冷、制热和发电3 个部分，可以为住宅建筑提供制冷负荷、热水负荷和电负荷。图1 系统由燃气发电机组、辅助燃气锅炉、太阳能集热器、蓄热装置以及溴化锂吸收式制冷机组组成，可实现冷、热、电三联供。制冷负荷与热水负荷均来自燃气发电机组余热以及燃气锅炉和太阳能集热器产生的热负荷。

图1 住宅分布式供能系统图

图1中：

Ee—向电网购买的电量，W；

Eg—燃气发电机组的输出电量，W；

Qg—燃气发电机组的输出余热，W；

Qb—燃气锅炉的输出热量，W；

Qs—太阳能集热器的输出热量，W；

Qc0—溴化锂吸收式制冷机组的输入热量，W；

Qc—建筑所需的冷负荷，W；

Qh——建筑所需的热负荷，W。

1.2 系统组成

1.2.1 太阳能集热器

太阳能集热器包括平板型集热器和真空管集热器。与真空管太阳能集热器相比，平板型太阳能集热器承压性好，吸热面大，结构简单，操作方便，成本低，稳定性好，安全性高。本研究采用平板型太阳能集热器。太阳能集热器的效率hs如式（1）[16]。

式中，

h0—效率截距；

Us—太阳能集热器热损系数，W/(m2×K)；

Ts—太阳能集热器工作温度，K；

T0—环境温度，K；

I—太阳辐射强度，W/m2。

太阳能集热器所产生的热量Qs如式（2）[16]。

式中，

S—太阳能集热器面积，m2。

1.2.2 燃气发电机组

本系统采用燃气发电机组发电。当燃气发电机组的发电量不能满足整座建筑的日常用电需求时，系统从电网购电。燃气发电机组燃烧天然气后产生的余热进入蓄热装置或直接用于热水负荷。燃气发电机组的发电量Eg如式（3）。

式中，Er—燃气发电机组的额定发电量，W；fg——燃气发电机组的负载率。

燃气发电机组的发电效率hg如式（4）[17]。

燃气发电机组运行过程中，天然气燃烧产生的热量Qg如式（5）。

燃气发电机组运行过程中所需的天然气体积Vg如式（6）。

式中，qg——天然气燃烧的低位发热量，J/m3。

购买天然气所需费用Cg如式（7）。

式中，cg——天然气价格，元/m3。

1.2.3 燃气锅炉

如果燃气发电机组运行过程中所产生的余热和太阳能集热器吸收太阳辐射所产生的热量不能满足日常所需热水负荷时，需要辅助锅炉进行供热。辅助锅炉采用燃气锅炉。燃气锅炉的输出热量Qb如式（10）。

式中，fb—燃气锅炉负荷率；

由于锅炉负荷率低于85% 或高于100% 时会严重影响其运行效率，多余热量存储在蓄能装置中。燃气锅炉的运行效率hb如式（11）[17]。

燃气锅炉所需的天然气体积Vb如式（13）。

由此得到，燃气锅炉所需的天然气费用Cb如式（14）。

1.2.4 溴化锂吸收式制冷机组

冷负荷由溴化锂吸收式制冷机组提供。溴化锂吸收式制冷机组通过吸收来自燃气锅炉、太阳能集热器吸收太阳辐射或者燃气发电机组所产生的热量和余热给整座建筑提供冷负荷。溴化锂吸收式制冷机组的吸收热量Qc0如式（15）。

式中，

Qc—溴化锂吸收式制冷机组输出的制冷量，J；

COP——溴化锂吸收式制冷机组的循环性能系数。

1.3 运行策略

1.3.1 以电定热

系统的电负荷由燃气轮机发电机组提供且优先满足电负荷，可能的情况如下：

(1) 若当日所需电负荷需求小于燃气轮机发电机组的最大功率时，此时不需要向电网买电。制冷热负荷由太阳能集热器、溴化锂吸收式制冷机以及燃气轮机发电机组余热提供，多余热量进入蓄热装置，不足的则由燃气锅炉提供。

(2) 若当日所需电负荷需求大于燃气轮机发电机组的最大功率时，此时需要向电网买电。冷热负荷由太阳能集热器、溴化锂吸收式制冷机以及燃气轮机发电机组余热提供，不足的则由燃气锅炉提供。

1.3.2 以热定电

系统的制冷负荷和热水负荷所需热负荷先由燃气轮机发电机组产生的余热和太阳能集热器提供且优先满足热负荷，可能的情况如下：

(1) 若当日所需热负荷小于太阳能集热器的热量和燃气发电机组的最大功率所产生的余热，则不需要打开燃气锅炉。若当日所需电负荷需求小于燃气轮机发电机组的发电量时，此时不需要向电网买电，多余电量上网。若当日所需电负荷需求大于燃气轮机发电机组的发电量时，此时需要向电网买电。

(2) 若当日所需热负荷大于或等于太阳能集热器的热量和燃气发电机组的最大功率所产生的余热，则需要打开燃气锅炉。若当日所需电负荷需求小于燃气轮机发电机组的发电量时，此时不需要向电网买电，多余电量上网。若当日所需电负荷需求大于燃气轮机发电机组的发电量时，此时需要向电网买电。

2 案例计算

2.1 计算参数

本文以华南某学生宿舍为研究对象。建筑共3层。每层有40 个房间，规格为4×5 m2，每个房间住6 人。电负荷主要为照明用电和设备用电。计算得到了全年逐时热负荷和电负荷。建筑平面图如图2所示。全年的太阳辐射强度如图3所示。设备参数和费用参数如表1和表2所示。作息时间如表3所示。

图2 学生宿舍平面图

图3 全年逐时太阳辐射强度

表1 设备参数

表2 费用参数

表3 作息时间

热水负荷根据《GB50015-2010 建筑给排水设计规范》，结合每人用水量及作息时间得到。供应热水时间为19:00-23:00。加热热水的热量Qh如式（16）。

式中，

C=4.2×103J/(kg×K)，水的比热容；

m—水的质量，kg；

Δt—水的温差，K。

在房间加入制冷空调后，空调开启温度设定为tamax=30 ℃。在负荷模拟软件中，冷负荷的计算公式如式（17）[18]。

式中，

qhvac—房间所需冷负荷，kJ；

ta—房间内空气温度，℃；

tbz—当前时刻房间不投入冷负荷时的温度，℃。

其中：

式中，ψi,k，λi—表征房间热特性系数。

当前时刻房间不投入冷负荷时的温度tbz如式（20）。

式中uk—作用在各温度节点上的热扰。当tbz超过tamax时空调开启。

其中房间空气温度的分量tai如式（21）。

室内房间温度ta如式（22）。

溴化锂吸收式制冷机组的循环性能系数COP取1.1[16]，蓄热装置的输入输出效率取0.9[12]。当燃气轮机发电机组运行负荷小于50%时，机组热效率显著下降，所以燃气轮机发电机组运行负荷不低于0.5[9]。

2.2 计算结果

全年负荷计算结果如表4 所示。该学生宿舍全年最大制冷负荷为865.2 kW，最大热水负荷为73.5 kW，最大电负荷为147.6 kW。全年累计制冷负荷182.7 MW，累计热水负荷98.3 MW，累计电负荷298.0 MW。由于华南地区天气原因，空调开启时间较长，从4 月中旬持续到9 月结束。图4 和图5 分别给出了春季、夏季、秋季和冬季4个典型日的负荷曲线和全年逐时制冷负荷、电负荷和热水负荷。由于寒暑假原因，2 月、7 月和8月均无负荷。

表4 全年负荷

图4 典型日冷热电负荷

图5 全年逐时冷热电负荷

在图5中，因为2月为寒假，7月和8月为暑假，所以功率为0。制冷主要集中在5 月、6 月和9 月，这三个月消耗的功率最多。整个图形波动较大。进入5月日照充足，因此，5月、6月和9月相比其他月份照明用电明显减少，电负荷也明显减少。其他月份波动不大。热水由学校统一在固定时间段供给，几乎没有波动。从整体看高校宿舍类建筑负荷较居民建筑负荷波动小。

3 能源成本分析

3.1 典型日能源成本计算

典型日的能源成本C计算式如式（23）。

式中，Ce——购电费用，¥。

根据式(23)计算得到对应的能源成本如表5所示。由表5 可以看出，春分、秋分和冬至3 个典型日的用能成本低于夏至的用能成本。采用以热定电运行策略时用能成本低于以电定热的用能成本。

表5 两种运行策略下的典型日能源成本

2种运行策略下4个典型日的能源成本比较如图6所示。

图6 典型日的能源成本

3.2 典型日能源成本分析

3.2.1 春分

受燃气发电机组的额定功率限制，19:00-23:00在燃气发电机组满负荷运行下还需向电网额外购电，故在以电定热运行策略下天然气成本和购电成本都比较高，天然气成本为435元，购电费用为365 元。与以电定热运行策略相比，在以热定电运行策略下因热水负荷较少故天然气费用大幅降低，电量主要从电网购买，天然气成本为118元，购电费用为540元。虽然购电费用增加但天然气费用却下降显著，总成本与以电定热相比更低。在电负荷远多于所需热水负荷的情况下，在以热定电运行策略下运行花费成本更低，主要是满足电负荷的花费较多，天然气费用少。虽然热水负荷需求少但燃气发电机组运行工况需在50%以上，导致产热过剩。在春季无制冷负荷需求，电负荷需求较大，热水负荷需求少，采用以热定电运行策略可减少天然气费用，主要成本在于购电费用，但总成本仍小于在以电定热运行策略下的总成本。

3.2.2 夏至

当天的电耗主要集中在18:00-23:00期间，峰值为143 kW，其余时刻的电耗很少，最高为24 kW。以电定热情况下，在18:00 之前的热负荷主要由燃气辅助锅炉提供。因所需热负荷多，相比以热定电，在以电定热下燃气辅助锅炉消耗的天然气更多。在以电定热下燃气辅助锅炉的天然气费用为424元，在以热定电下燃气辅助锅炉的天然气费用为371元。在以热定电运行策略下，因热负荷需求大，在18:00 以前燃气轮机发电机组也处于运行状态，会导致产电过剩，从而造成浪费。同时天然气消耗相比以电定热下也会更多。在以电定热下燃气发电机组的天然气费用为350 元，在以热定电下燃气发电机组的天然气费用为436元。在以电定热下电量主要由燃气轮机发电机组提供，故购电费用小于以热定电。在以电定热下的购电费用为230 元，在以热定电下的购电费用为287 元。因此，在夏至这天制冷负荷很高，若采用以热定电，在用电低峰运行会导致产电过剩，造成浪费，同时购电费用也会更高。采用以电定热运行策略可以节约电量，降低购电成本。

3.2.3 秋分

在9:00-23:00 都有电负荷需求。但电负荷需求依旧少于热负荷需求，故燃气发电机组消耗的天然气小于以热定电下燃气发电机组消耗的天然气。在以电定热下燃气发电机组的天然气费用为396 元，以热定电下燃气发电机组的天然气费用为493 元。9:00-23:00 燃气发电机组都在运行，所产生的余热会比较多，燃气辅助锅炉的运行时间明显缩短，所消耗的天然气变少。在以热定电下燃气辅助锅炉仅在20:00 和22:00 需要启动。以电定热下燃气辅助锅炉在0:00、2:00、5:00 和22:00 启动，运行时长多于以热定电，天然气消耗量会更多。在以电定热下燃气辅助锅炉消耗的天然气费用为212元，以热定电下燃气辅助锅炉消耗的天然气费用为106元。以电定热下的购电费用依旧少于以热定电下的购电费用。以电定热下购电费用为238 元，以热定电下的购电费用为293元。在秋分这天与夏至相似，若采用以热定电，在用电低峰运行会导致产电过剩，造成浪费，同时购电费用也会更高。采用以电定热运行策略可以节约电量，降低购电成本。

3.2.4 冬至

冬至的情况与春分类似，但冬至这天的太阳辐射强度较春分更高，太阳能集热器可生成热量266 kW。在以电定热运行策略下燃气发电机组所消耗的天然气量会较多，同时造成生成的余热过剩，过剩的余热存储在蓄热装置中，此时无需打开燃气锅炉。在以热定电下，因为当天热负荷需求少，燃气发电机组消耗的天然气少，但同时发电量不能满足电负荷需求，购买电量的费用会更多。以电定热下燃气发电机组的天然气费用为548 元，以热定电下燃气发电机组的天然气费用为68 元。以电定热下的购电费用为320 元，以热定电下的购电费用为578 元。在冬至这天无制冷负荷需求，电负荷需求较大，热水负荷需求少，采用以热定电运行策略可减少天然气花费，主要成本在于购电费用，但总成本仍小于在以电定热运行策略下的总成本。

4 结论

1)建立了以燃气轮机发电机组、太阳能集热器、燃气辅助锅炉、溴化锂吸收式制冷机等为主要设备的分布式供能系统。模拟并计算出了目标建筑所需的制冷、热水、电负荷，分别运用了以电定热与以热定电的运行策略对全年的4个典型日的购电和燃料成本进行了计算和分析。

2)通过模拟和计算，得到全年累计制冷负荷182.7 MW，全年累计热水负荷98.3 MW，全年累计电负荷298.0 MW。以热定电下春分和冬至的总成本为1 316 元，以电定热下为1 669 元。以热定电下夏至和秋分的总成本为1 988 元，以电定热下为1 851元。对于类似于春分和冬至以电负荷为最大需求的节气而言，采用以热定电的购电和燃料费用更低；对于类似于夏至和秋分以制冷负荷为最大需求的节气而言，采用以电定热的购电和燃料费用更低。

3) 在以电定热下典型日总成本为3 520 元，以热定电下为3 305元。在相同总负荷的前提下，4个典型日采用以热定电运行策略的购电和燃料成本少于以电定热运行策略。因此，应用本文建立的住宅分布式供能系统模型，对不同运行策略下的供能成本进行计算分析，可以得到优化的住宅分布式供能系统方案及其运行策略。