某商业综合体项目燃气冷热电三联供系统发电设备容量的确定方法

张瑜

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

冷热电三联供系统通过对能源的梯级利用[1]，一方面可以较好地解决项目的供热制冷问题、降低运行成本，另一方面可增加自发电系统，保障项目的电力需求，提高供电可靠性和安全性，具有较高的能源综合利用率[2]。三联供系统具有电力燃气消耗双重削峰填谷、改善城市能源结构[3]、显著的环保效益和经济性等诸多优点，在国内外的应用逐渐增多。 目前，三联供系统主要应用在有恒定用热的医院、酒店项目中，而商业建筑内应用较少[4-5]，主要因为商业建筑的用能特点不同。商业建筑冷热负荷不均匀、热电不平衡、部分负荷运行时间长，对于这样的项目，三联供系统发电机容量的选择成为整个系统实现经济运行的关键[6]，近年来，也有对以热定电、以电定热、甚至以应急电源大小确定燃气机组容量的探讨[7-8]，但商业项目较少，且建模方法相对复杂。 本文从另一个思路，按全年机组提供高效累计负荷最大原则，通过对商业项目负荷特性进行分析，解析不同负荷率下的小时数方程，确定发电设备的最优容量，并通过投资回报对比分析，验证此方法的可行性。

1 确定思路

重庆地区冷热电三联供系统只能并网，不能上网，方案需以电能“自发自用为主、余热利用最大化”的原则进行设备选型。 燃气三联供系统发电机组和余热型吸收机组的初投资较高，但运行费用较低，为了保证联供系统的高效性和经济性，联供系统的年平均能源综合利用率和余热利用率应尽可能高，因此《燃气分布式能源建筑应用技术标准》[9]也作出了相关规定：“联供系统的年平均能源综合利用率应大于70%， 且发电设备最大利用小时数不应小于2000h， 不宜小于3000h。 ”

燃气三联供系统选择发电机容量时，按照“以热定电”的原则，通过空调热负荷来确定发电机容量，其特点是最大程度地利用燃机所排放的热量，提高能源利用率。发电机组选型过大，则满负荷运行小时数会减少；发电机组选型过小，虽能保证运行小时数，但对全年空调系统高效累计负荷不一定最大，为了寻求发电机组余热对空调系统的最大贡献值，必须求解负荷与小时数特性曲线的极值，找到最优解。

2 商业建筑全年空调负荷特性

项目建筑面积约46 万㎡，其中空调面积约19 万㎡。 该项目地下2 层，地上4 层，主要功能包含商业步行街、宴会厅、超市、电影院和中心娱乐区等，高度为30m，为一类高层公共建筑。 根据业态的运营时间和管理需求，以及地方标准对可再生能源利用的要求，方案确定影院预留风冷热泵空调系统，后期业主自行安装，其余业态共用一套燃气冷热电三联供系统，此系统能源综合利用率高，符合国家的能源战略和节能目标。

根据本地地区气候特点，结合该项目运营时间（10：00～22：00），参考《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[10]，全年空调夏季运行时间设置如下：每年5 月1 日至10 月15 日共168 天，每日9：00 至21：00 共12h，供冷季运行2016h；全年冬季空调运行时间设置如下： 每年12 月1 日至次年2 月28 日共90 天， 每日9：00至21：00 共12h，供热季运行1080h。 采用DEST 对该项目空调全年进行逐时动态负荷计算， 得出系统夏季供冷负荷40853kW，冬季供热负荷7056.8kW。 导出冬夏季每个小时的负荷率，数据详见表1、表2。

表1 夏季不同负荷率下的小时数统计表

表2 冬季不同负荷率下的小时数统计表

根据夏季不同负荷率下的小时数的统计结果， 用Excel 拟合二次方程，得到负荷率与小时数之间的关系（图1）：

图1 夏季负荷率与小时数的统计图

式中，y 为小时总数，x 为负荷率。

根据冬季不同负荷率下的小时数的统计结果， 用Excel 拟合二次方程，得到负荷率与小时数之间的关系（图2）：

图2 冬季负荷率与小时数的统计图

式中，y 为小时总数，x 为负荷率。

3 三联供系统容量的确定方法

由于不同品牌发电机的部分负荷效率有差异， 且可能远低于满负荷运行效率，为简化模型，本次分析未考虑发电机组部分负荷运行的情况，仅考虑高效率累计负荷，即发电机组满负荷运行。为寻求发电机组余热对空调系统的最大贡献值，必须让发电机余热所提供的负荷与小时曲线所围成的矩形面积S 最大，即寻找图3 中不同负荷区间的最大累计负荷。

图3 不同负荷区间的累计负荷量

夏季10%负荷以下只有58h，占总小时数的比例很少，而冬季负荷率小时数曲线较为平缓， 负荷率的变动对小时数影响很大，并且整体设计原则为以热定电，因此，以冬季负荷率曲线作为计算基础。

冬季负荷率曲线解方程y=-949.3x2+1255x+298.6，假设y=y1=y2时，矩形面积S 最大，此时的面积方程为：

将方程（4）、式（5）带入方程（3），得到面积方程式：

对方程（6）求导，得到极值为x1=45.9%。即当发电机组预热提供的热负荷占总热负荷的45.9%时，发电机预热对全年空调负荷的贡献率最大，满负荷运行小时数达3001h。

根据45.9%的负荷率选用燃气发电机，发电量为3120kW。 由于商业项目招商不确定因素较多，为了项目投入初期也能高效运行，减少初投资，选用2 台1560kW 发电机组，可进一步提升发电机组的运行小时数，并可分期投入。 项目对应配备1 台余热型吸收机组，供热负荷3184kW。发电机组的发电量在空调季节可由该项目1#、2# 开闭所（稳定用电负荷为4001kW）自行消耗，机组与市电采用“并网不上网”的方案，10kV 开闭所的电网侧设置逆功率保护，保证燃气发电机组不向城市公共电网反送电，运行安全可靠。

4 三联供系统投资回收期

4.1 发电机容量对比方案

以2 台1560kW 发电机组为基准，分别按大一个型号和小一个型号列举三个对比方案。

方案1： 选配2 台1200kW 发电机组， 余热占热负荷比例为33%。

方案2： 选配2 台1560kW 发电机组， 余热占热负荷比例为45%。

方案3： 选配2 台1750kW 发电机组， 余热占热负荷比例为54%。

分别按三个方案对项目进行设备选型，设备具体参数详见表3。

表3 三联供系统主要设备选型表

4.2 运行费用及初投资分析

根据冷热负荷模拟结果，方案一全年运行小时数为3063h，方案二全年运行小时数为3001h，方案三全年运行小时数为2695h。带入选型参数进行能耗模拟计算，空调系统主要设备投资回报对比详见表4。

表4 投资回报对比表

从表4 对比可以看出，按高效累计负荷最大原则确定的方案二， 全年运行费用最低。方案二相对于方案一有332 万初投资增量成本，但每年运行费用节约68 万元，回收周期约5 年，可接受。

5 结语

该项目根据商业综合体负荷特性，对三联供系统研究分析得出以下结论：

（1） 提出一种按发电机组提供的累计负荷最大化的原则来确定发电机最优容量的方法， 并通过对比分析论证其有效性，希望可以对不同负荷特性项目提供一个广泛适用的设计思路；

（2） 通过以上原则确定的发电机，还需校核项目本身是否能够完全消耗发电量，综合设备成本、电力燃气配套和运行费用多个因素最终确认方案；

（3） 对于商业项目，确定发电机组容量后，还需预判招商情况，如招商不佳，发电机组发电量不能完全消耗、只能部分负荷运行时，能源利用率将降低，投资回收期变长，可考虑配置多台发电机分步实施，减缓初投资压力，提升发电机组高效运行小时数；

（4） 由于发电机的部分负荷效率可能远低于满负荷运行效率，可进一步探讨发电机组部分负荷下的运行策略，使整个冷热源可以始终维持在系统的高效运行区间。