多能互补分布式供能系统运行节能效果评估

李金桃 杨雅鑫 李洋 雷艳 杜松 张林涛

（1 贵州中建建筑科研设计院有限公司 贵州贵阳 550006 2 北京城建亚泰建设集团有限公司 北京 100013）

0 引言

多能互补分布式能源系统是指多种能源资源输入，并形成多种产出功能和输运形式的以区域为中心的能源服务系统。多能互补分布式能源系统是传统分布式能源应用的拓展，是一体化整合的物理概念，将燃气、风电、光伏、光热、储热等技术进行融合，实现多种能源的协同优化［1-2］。多能互补系统并不是多种能源的简单叠加，而是从系统角度将不同品阶上的能量进行阶梯利用，将系统能源的利用效率综合互补利用，并统筹安排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理能源利用效果与效益。以分布式供能系统为核心的多能互补供能系统兴起时间较短，研究成果相对较少。关于节能效果的相关研究多集中在分布式供能系统，多个研究人员根据分布式能源系统的特点分别提出了不同的节能效果评估方法，并给出了案例进行论证［3-8］。文献［9］以某医院的地源热泵耦合分布式供能系统为例，计算了该项目常规能源节约量；文献［10］则分析了影响多能互补分布式供能系统能效水平的影响因素，并定义了综合能效的定义；文献［11］则在上述研究基础之上，提出节能率计算时应考虑输入能源的品质，并考虑可再生能源系统输入的低品位能源对系统节能率的影响；文献［12］则提出了一种用于测试供冷、供暖和过渡季能耗和评价能效水平的计算方法。文献［13］构建了一个同时考虑经济性、一次能耗和碳排放量的多目标超结构优化模型，并基于实际案例给予验证。文献［14］基于典型工业园区供能需要，研究并设计了多能互补分布式综合供能系统典型方案。综合以上研究可知，针对多能互补分布式供能系统的节能效果评估研究较少，而多能互补分布式能源系统作为一种全新的能源供给形态，节能效果是评价系统成功与否的重要指标，因此有必要针对该类型供能系统的节能效果评价进行研究。

1 评估方法

在参考相关的研究基础之上，本文提出一种适用于多能互补分布式供能系统的节能效果评估方法。该方法将供能系统视为闭式系统，以全年能耗模拟结果为基础，根据供能系统的运行策略，计算不同负荷区间、不同工况下系统输入和输出的能量，并将输入和输出系统的能源（含太阳能、浅层地热能等）折合成标准煤计算一次能源替代量。

为简化计算，在保证系统节能效果评估计算数值准确的前提下，评估方法进行了如下假设：不考虑供能系统内的供能设备部分负荷状态，设备运行功率能源耗量等参数取额定值；不考虑供能系统内输配系统水泵、风机等设备变频运行对节能效果的影响，水泵、风机等设备的运行功率取额定功率。该评估计算方法的具体操作方法如下：

（1）计算供能区域全年供冷、供热能耗时，对各栋建筑的全年建筑能耗进行模拟计算，并统计出各建筑全年各时间段的建筑能耗；

（2）根据多能互补分布式供能系统和对比系统分供式供能系统的供能设备配置情况，并结合供能系统运行策略，制定不同工况、不同负荷区间的供能系统运行策略。

（3）根据不同工况下的设备运行情况，统计该运行模式下末端所需的总负荷以及系统设备自身耗能量，在满足系统自身和末端能源需求基础上，计算该运行工况下供能系统输入和输出的能源类型和能量，并将输入和输出的能源换算成标准煤。

（4）按照公式（1）～（3）计算多能互补分布式供能系统和分供式供能系统的标准煤耗量、以及节能量：式中：Gce为全年累计标准煤耗量，kgce；α 为天然气折标准煤系数，取值为1.2143 kgce/m3［15］；Ggas.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，供能系统输入的天然气耗量，m3；Ti为第i 类供冷/供暖的累计运行时间，h；Qepin.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，市政电网累计输入的电量，kWh；β 为电煤折算系数，本文取值为0.311 kgce/kWh；η 为电网综合线损率，本文取值为3.99%。

式中：ΔGce为全年累计节能量，kgce；Gcef.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，分供式供能系统标准煤耗量，kgce；Gced.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，多能互补分布式供能系统的标准煤耗量，kgce；Gced.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，可再生能源系统输入能源折合标准煤量，kgce；Gepout为储能装置累计储存电量转换标准煤量，kgce；Gepout.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，储能系统储电量转换标准煤量，kgce；Qepout.i为第i 类供冷/供暖运行模式下，系统向储能装置输出的电量，kWh。

2 供能及对比系统

2.1 多能互补分布式供能系统方案

本文以贵州某多能互补分布式能源系统应用项目为例，详解该节能效果评估计算方法。计算项目位于贵州省贵安新区，项目占地面积207 055.60 m2，总建筑面积508 764.60 m2，为集居住、商业、办公等功能为一体的大型城市综合体项目。项目设计总冷负荷为14 591.37 kW，设计总热负荷11 802.05 kW，采用由燃气内燃发电机组、烟气吸收式溴化锂机组、直燃型溴化锂机组、水源热泵机组、空气储能装置等多种供能设备组成的多能互补分布式供能系统，为项目提供所需冷、热负荷以及生活热水负荷。上述各子供能系统采用并联方式联网，由智能微网控制系统对供能系统的运行进行调控，确保在不同负荷工况下，可实现单一子系统供能或多个子系统耦合供能。

该系统采用“并网不上网”模式运行，即多能互补分布式能源系统接入大电网并网运行，所产生的电力自发自用，如有富余发电量则利用空气储能技术储能以供系统使用，不向电网反向送电。在空气储能电量不足或系统发电设备不启用、检修或者故障时，由市政电网向供能系统供电，保证系统能够长期安全稳定地运行。该供能系统原理及主要设备分别如图1和表1 所示。

图1 多能互补分布式供能系统原理图

表1 多能互补分布式供能系统设备性能参数

为充分回收燃气内燃发电机组发电过程中产生的可利用废热，最大限度提高供能系统的用能效率，同时保证系统运行的经济性，供能系统的运行需遵循优先开启水源热泵系统提供制冷制热，当负荷不足以满足末端需求时，开启冷热电三联供系统和燃气直燃机系统的原则。不同工况及不同负荷区间的主要供能设备开启情况如表2 所示。

表2 多能互补分布式供能系统运行模式及设备启停情况

2.2 分供式供能系统方案

分供式供能系统是相对于多能互补分布式供能系统而言。即供能系统所需的电量由市政电网提供，冷量由电制冷冷水机组提供，而热量则由燃煤或燃气锅炉提供。根据项目的可行性研究报告，分供式供能系统的冷量由4 台离心式冷水机组提供，供暖以及全年生活热水热负荷则由3 台常压燃气锅炉提供，设备运转所需要的电量则有市政电网供给。运行模式根据负荷区间段开启供能设备。分供式供能系统设备性能参数如表3 所示。

表3 分供式供能系统设备性能参数

3 评估结果及分析

采用PKPM-CHEC 能耗模拟软件，计算项目各建筑的全年能耗，统计多能互补分布式供能系统和分供式供能系统不同运行模式下的全年运行时数，并根据不同运行模式下燃气内燃发电机组启动的差异，统计该模式下由市政电网输入或向储能装置输出的电量。多能互补分布式供能系统和分供式供能系统的统计结果分别如表4 和表5 所示。

表4 多能互补分布式供能系统用能情况统计

表5 分供式供能系统用能情况统计

上述结果代入公式（1）～（3）中计算可得到，多能互补分布式能源系统以及与之对比的分供式供能系统的全年供热、供冷、供电以及生活热水的全年标准煤耗量以及节能量，计算结果如表6 所示。

表6 供能系统标准煤耗量计算表 单位：tce

4 结论及建议

本文提供了一种适用于多能互补分布式供能系统全年耗能量评估的计算方法，并以贵州某应用工程为案例进行了全年耗能量的评估计算，得出的结论如下：

（1）计算案例的多能互补分布式供能系统全年能耗折合标准煤的量为6 766.5 t，对比的分供式供能系统全年能耗折合标准煤的量为9 526.6 t，相较于对比系统全年节能量折合标准煤为2 760.1 t。

（2）计算案例的供能系统在全年运行过程中存在较长时间的低负荷运行工况，方案阶段、实际运行过程中应重点关注该阶段的运行能耗。尤其是低负荷供暖工况运行时，采用能效比较高的水源热泵机组标准煤耗量显著低于直接燃烧天然气的燃气锅炉标准煤耗量。

（3）本文提供的多能互补分布式供能系统全年耗能量评估计算方法可用于不同供能方案运行效果的评估，为多能互补分布式供能系统的运行和推广提供依据。