基于TRNSYS的太阳能-天然气冷热电三联供最优配比研究

于 水，常忠浩，杨江辉

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

冷热电三联供系统(Combined Cooling Heating and Power System,CCHP)是指以天然气为主要燃料的发电装置或发电设备在发电的同时，不仅满足用户的电需求，还能将排放的大量余热进行回收并继续利用相关的设备向热用户或者冷用户提供热量以及冷量。沈岑等[1]采用 PCA-AHP法将主观因素与客观因素相结合，通过不同的配置方案进行研究，克服了传统层次分析法的缺陷。王江江等[2]研究了单一供冷情况下的冷热电三联供，分析了系统不同工况下的热力学性能。A.Lorestani等[3]以经济性为目标函数，通过改进粒子群算法，求出效益最好的太阳能天然气冷热电三联供结合方式。但是研究仅仅分析了太阳能与天然气宏观方面的耦合问题[4-10],并未涉及太阳能与天然气的具体工程最优配比。笔者通过对典型办公建筑的负荷计算，建立了太阳能-天然气的冷热电三联供系统，并且以机组效率为目标函数获得了太阳能与天然气的最优配比。

1 建立仿真优化模型

1.1 仿真模型

建立夏季制冷系统[11-15]如图1所示。由图1可知该系统主要由燃气轮机、热水型单效式溴化锂吸收式制冷机、余热锅炉和太阳能平板集热器和冷却塔等模块组成。整个系统分为两条供能路线，一部分是由燃气轮机产生的余热，通过余热锅炉回收产生热水；另一部分由平板式太阳能集热器产生热水。太阳能平板集热器的启停由自控模块控制。当光照不充足时，太阳能集热器出口温度低于20 ℃，自控模块控制水泵减少集热器出水口出水量，增加余热锅炉的出水量，以保证用户端的冷量供应。两部分通过三连通器以后作为混合热水通入单效式热水型吸收式溴化锂制冷机的发生器中，其中冷却水通过冷却塔循环回到制冷机组的吸收器中，蒸发器中的冷冻水用于满足负荷侧的冷负荷需求。

图1 夏季制冷系统Fig.1 Insummer refrigeration system diagram

建立冬季供暖系统如图2所示。由图2可知,该系统主要由太阳能集热器，燃气轮机，余热锅炉和换热器等模块组成。整体构造与夏季制冷系统类似，其中太阳能集热器和余热锅炉产生的热水通过三连通器以后作为混合热水通入平板换热器的一次侧，经过换热以后的热水由二次侧供给用户的热负荷需求。在制冷季节机组不变的情况下模拟采暖季节在此工况下能否正常运行。

图2 冬季供热系统Fig.2 In winter heating system diagram

1.2 目标函数

能源利用效率[16-19]为用户侧获得的能量比上消耗的太阳能与天然气能量之和。

(1)

式中:η为能源利用效率；Wuseful为用户侧获得能量；Wsolor为消耗太阳能的能量；Wgas为消耗天然气的能量。

1.3 约束条件

为定量分析太阳能与天然气的配比，定义太阳能份额与天然气份额。

太阳能份额:

(2)

天然气的份额:

(3)

式中:Rs，Rn为太阳能、天然气份额；Qsol，v、Qng，v为变工况下输入的太阳能与天然气，kW；Qsol，n、Qng，n为设计工况下输入的太阳能与天然气能，kW。

确定用户侧获得的能量，使太阳能集热器面积在0～580 m2内变化，对应太阳能份额变化为0.1～0.6。因为当太阳能份额大于0.6时无法维持机组的正常运行，所以笔者设计太阳能变化范围小于0.6。

电量平衡:燃气轮机总发电量等于供给电网的电量，设备辅机耗电量以及用户所需电量之和。

EGT(k)=Esend(k)+Ea(k)+Ed(k).

(4)

式中:EGT为燃气轮机的发电量，kW;Esend为燃气轮机供给电网的电量，kW;Ea为辅助机的耗电量，kW;Ed为用户电量需求，kW。

烟气热量平衡:燃气轮机排烟废热可回收量等于溴化锂吸收式制冷机总耗热量与多余废弃热量之和。

(5)

天然气消耗量平衡[5]:天然气消耗总量等于燃气轮机消耗量。

Fgas(k)=FGT(k).

(6)

式中:Fgas为天然气消耗总量，m3;FGT为燃气轮机消耗天然气的量，m3。

供热量平衡:燃气轮机排烟废热回收量与太阳能吸收的能量等于用户所需热量。

(7)

供冷量平衡:吸收式制冷机的制冷量等于用户所需冷量。

(8)

2 工程实例

笔者以沈阳市某办公区为研究对象，该办公区占地面积约为2 000 m2，以一栋典型办公楼为例计算能耗，估算整个区域内用能特点和能量。

2.1 负荷分析

使用DeST-c 建立建筑模型，通过模拟计算得到该办公楼建筑全年的逐时冷热负荷(见图3),图3中负数值表示冷负荷。

图3 全年逐时冷热负荷Fig.3 Year-round hot and cold load

因为过渡季节的冷热负荷并不典型，所以忽略过渡季节的影响，着重分析夏冬两季的能耗，其中全年中最大的热负荷达到1 051.86 kW，最大冷负荷达到-652.01 kW全年累计热负荷为1 107 553.61 kW，全年累计冷负荷为-229 242.34 kW。

2.2 设备选型

根据全年最大的热负荷1 051.86 kW和最大冷负荷652.01 kW进行设备选型，设备基本参数如表1所示。

表1 设备基本参数Table 1 Basic parameters of equipment

2.3 搭建仿真平台

2.3.1 运行策略

沈阳属于严寒地区，冬季太阳能资源并不丰富，难以满足用户的基本需求，笔者以满足夏季制冷为主来设计夏季制冷系统(见图4)，求出最优的太阳能与天然气的配比，然后根据此配比建立冬季供暖系统(见图5)，校验冬季供暖是否满足条件。

图4 夏季制冷仿真系统Fig.4 In summer refrigeration simulation system

图5 冬季供暖仿真系统Fig.5 In winter heating simulation system

在改变每一次配比关系的同时验证溴化锂制冷机组在夏季制冷季节蒸发器出水后温度与发生器入水口温度数值是否高于最低温度85 ℃和7 ℃。

在TRNSYS中将计算出的建筑物逐时冷热负荷编写入系统模型之中，模拟计算在全生命周期内单效式热水型溴化锂制冷机组源侧的温度，冷冻水的出口温度变化的情况，针对该系统运行效率进行分析计算。笔者选取太阳能所占份额为0.3时建立夏季制冷与冬季供暖系统来进行典型案例分析。

2.3.2 溴化锂机组出入水口温度

图6为进入溴化锂制冷机组发生器的热水温度在88 ℃左右。因为设备基本参数规定进入制冷机组的热水温度大于85 ℃时制冷机可以正常运行，并且可以保证供冷量。所以热水的温度满足制冷机运行温度。同时得到溴化锂机组从蒸发器出来的冷冻水温度稳定在7.48 ℃，满足用户端的制冷需求。

图6 发生器入水口温度Fig.6 Inlet temperature of generator

在冬季供暖仿真系统中集热器和余热锅炉产生的热水通过三连通器后作为混合热水通入平板换热器的一次侧，经过换热后的热水由二次侧供给用户的热负荷需求。在制冷季节机组不变的情况下模拟采暖季节在此工况下的运行良好。

2.4 优化计算

2.4.1 曲线拟合

将式(1)至式(8)中计算目标函数在约束条件下的取值。取太阳能份额为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6进行求解，即对应的天然气份额在0.9～0.4变化，始终满足两者份额和为1。

图7为能源利用效率。将得到的数据运用三次多项式拟合，其中R2=0.8，拟合效果良好。能源利用效率可由拟合的三次多项式表示为

图7 能源利用效率Fig.7 Energy efficiency

y=0.778 3x3-1.122 8x2+0.408 5x+0.652.

(9)

式中:y为机组能源利用效率；x为太阳能所占份额(0.1

2.4.2 遗传算法求解最优配比

将三次多项式带入编写好的MATLAB程序中，由遗传算法[20]求出的最大值即当太阳能份额0.25时，机组能源利用效率达到0.696，将此时得出的配比带入供暖仿真系统进行验证，换热器一次侧的温度在81 ℃左右，二次侧的温度在61 ℃左右，可知换热效果良好。

3 结 论

(1)通过遗传算法求解模型得出当太阳能所占份额为0.25时，机组能源利用效率达到最大值0.696。确定了在此工况下的能源系统中太阳能与天然气的最优配比为1∶3。

(2)在太阳能-天然气冷热电三联供系统中太阳能与天然气份额的变化会影响制冷机组的效率，所以确定合理的配比关系可以提高机组的效率。