区域能源项目优化设计及规划思路探讨

卢军，张少良，杨柳

（重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400030）

区域能源项目优化设计及规划思路探讨

卢军，张少良，杨柳

（重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400030）

该文围绕区域能源系统中负荷预测、系统形式、冷热源配置、输配冷损失及冷热价制定等相关问题，结合“3E”优化目标，对区域能源项目的优化设计及规划思路展开分析与探讨。

区域能源；规划；分布式能源；数值模拟；3E；优化目标

能源供应随着人们生活水平和生产力的不断提高而日趋紧张。国际能源机构指出，到2030年全球一次能源需求量将增加四成[1]。中国的发电和供热仍以化石燃料为主，现有发电系统多为传统发电形式，平均发电效率只有37%左右，其余63%的能量转化成余热白白浪费。改变高污染、高能耗的粗放型经济增长方式，找到一条保障能源持续供应、提高能源利用效率的发展道路是当务之急。

分布式能源（Distributed Energy Resources）是一种新型的能量供应概念，因其可提高能源利用效率、降低建筑能耗、缓解电力供需矛盾登上历史舞台。分布式能源的典型系统形式为冷热电联供，通过对一次能源（煤、天然气等）转换技术的集成运用，为用户同时提供冷、热、电等多种能源。冷热电联供系统多采用燃气轮机、内燃机、微燃机、斯特林机等作为整个联供系统的产能装置[2-3]。

联供系统中，用户既可自成系统，也可与城市电网并联运行；机组可独立运行，也可多台并联运行。冷热电联供包含三层含义：一是利用天然气等清洁能源把发电和供能结合于一体的能源管理；二是能源的梯级利用和综合利用，提高能源的综合效益；三是通过自控系统和智能管理平台，实现系统优化运行[4]。

本文针对区域能源项目负荷预测、能源系统形式、输配系统冷量损失、冷价制定等关键问题，结合“3E”优化目标，开发适用于典型联供系统形式的数值模拟软件，对区域能源项目的优化设计及规划思路进行分析与探讨。

1 负荷预测

建筑群的逐时冷热电负荷是区域能源系统设计的重要依据。建筑群的负荷变化受诸多因素影响，室外气象参数、建筑功能、建筑内扰等因素的改变均会引起建筑负荷特性的变化。

区域能源系统中，不同功能建筑物峰值负荷出现时段不尽相同。对于区域供冷（热）系统，若仅通过冷热指标与空调面积计算冷热负荷，直接累加确定总容量，会导致装机容量过大、管网初投资过高；此外，当区域能源系统负荷率较低时，还会对机组的效率造成严重影响。因此，需考虑一定的同时使用系数，在对输配管网冷（热）量损失进行计算的基础上，将空调负荷与冷（热）量损失逐时叠加，得到整个区域能源项目的逐时负荷。

在预测区域建筑群空调负荷时，可利用系统总负荷逐时累加值除以设计负荷逐时累加值得到“满负荷折算率”，利用该折算率乘以总设计小时数，得到系统的满负荷当量小时数。区域能源项目中，系统满负荷运行时刻较少，因此需要结合系统负荷频率变化特性，综合确定系统容量和设备台数；机组容量与负荷频率变化相匹配，是保证系统高效运行的前提。

分布式能源项目A位于广西省南宁市，区域建筑群主要由办公建筑、商业建筑、酒店以及物流广场所组成。夏季，区域集中冷源为办公建筑、商业建筑、酒店及物流广场供冷；冬季，区域集中热源为酒店供热；分布式能源站全年为酒店供应生活热水。

利用DeST能耗模拟软件，建立典型建筑模型，对各类建筑的空调逐时负荷进行动态模拟。将建筑冷负荷与输配冷损失所引起的附加负荷逐时叠加，得到项目的逐时总冷负荷。项目A总冷负荷最大值183.59MW，最大负荷出现时间是5223h；该项目位于夏热冬暖地区，年平均室外气温较高，故热负荷较小，设计日最大热负荷3052.7kW。项目A装机容量165.42MW，全年累计冷负荷580385.5MWh，空调季部分冷负荷时间频率分布见表1。

表1 空调季部分冷负荷时间频率表

项目A有41.9%的时间处于低负荷工况运行，系统负荷率为30%～40%；满负荷运行的时刻少，仅有2.19%。因此，在对系统容量进行配置时，需综合考虑区域负荷频率特性，尽可能保证区域能源系统的高效运行。

对于生活热水负荷以及电负荷，利用分摊比例法[5]，借助设计负荷指标和实测统计所得的各类建筑逐时逐月负荷特征，模拟逐时负荷变化，提高负荷预测的准确性。

建筑的电力负荷主要由不同建筑功能房间各种用电设备构成，包括了照明、空调、动力运输、插座小动力以及生活水泵、送排风机、厨房动力和弱电机房等。与生活热水计算方法类似，参考文献[5]提出的不同类型建筑逐时、逐月用电负荷分摊比例特征，依据该分摊比例和电负荷额定指标计算单位面积逐时电负荷指标。

2 输配冷损失

在区域能源系统中，管径大，输送半径大，夏季供冷时，室外高温及太阳辐射会导致管内载冷介质温度升高，供冷品质下降。应同时考虑水泵及管路的冷量损失，水泵能量转化为热能，被输送介质带走；输送流体温度低，向土壤及地面空气传递冷量，造成管路冷量损失[6]。

供冷管道所选用保冷材料及保冷层厚度直接影响整个供冷系统的初投资及运行费用，若保冷材料或保冷层厚度选择不当，不但会导致冷量大量损失，还有可能出现设备和管道外表面结露[7]。合理选取保温材料及保温层厚度是降低输配系统冷热量损失，有效降低区域能源系统输配能耗，提高系统经济效益的前提[8]。

实际工程中，设计人员往往对管道保冷设计的重要性认识不足，或是仅凭借经验、按照产品样本简单估算，这些不考虑地区气候差异和保冷工程参数的做法势必会影响管道保冷效果和经济性，造成能源的巨大浪费。特别是，随着蓄冷技术的不断发展，如何保证低温大温差输配系统的供冷品质成为一项新的课题。因此，针对国内区域供冷项目的保冷现状，分析和研究输配系统冷损失计算，编制综合考虑地区气候差异等因素的“区域供冷冷损失计算软件”，对于管网的保冷设计具有重要意义。

以输配系统冷损失计算模型为基础，开发“区域供冷冷损失计算软件”，软件界面见图1及图2，该软件可实现“直埋式”和“管沟式”两种敷设形式管道的冷损失计算，通过确定管道和水泵在不同负荷率下所引起的冷量损失及温升，分析整个管网冷损失。

区域供冷项目规划设计时，应计算不同负荷率工况的冷损失率（即冷量损失占总供冷量的百分比）；特别是负荷较小时，管内流量较小，冷损失变化不大，但引起温升较大，需进行严格计算，控制冷损失率不超过5%。

图1 区域供冷冷损失计算软件界面（直埋式）

图2 区域供冷冷损失计算软件界面（管沟式）

3 区域能源系统形式

依据供能方式的不同，区域能源系统可分为常规能源区域供冷供热、燃气冷热电联供以及带有蓄能模式的供能系统。

常规能源区域供冷供热是利用水源热泵（冷水）机组及燃气锅炉作为区域集中冷热源，承担区域建筑群冷热负荷的系统形式。

燃气冷热电联供是将制冷、供热及发电过程一体化，燃料高品位能量用于发电，其排热品位较低，用于提供冷（热）量，形成冷热电联产，实现了能量的梯级利用，能源利用效率大大提高。

蓄能供能系统利用蓄能装置在系统低负荷时储存多余能量，在用能尖峰时段联合供能，削减了区域供能系统的高峰负荷需求，减少部分负荷工作时间，有效降低系统装机容量，也避免了高峰时刻的高能源价格。我国南方地区，夏季炎热潮湿，冷负荷非常大，夏季冷负荷尖峰与电力负荷峰值时段重合，采用带有蓄冷装置的区域供冷系统，可显著降低系统运行能耗，经济效益显著。

4 冷热电联供系统

4.1 发电系统

动力发电系统是分布式能源联供系统的关键部分，发电装置决定联供系统的形式。常见动力发电装置有燃气轮机、内燃机、微型燃气轮机和燃料电池等。

燃气轮机安装简单，初投资低，排气温度高，流量大，多用于大型区域能源项目；内燃机由于其发电效率高、部分负荷性能较好、对燃气压力要求较低的优势，在中大型楼宇或区域能源项目中得到广泛应用；微型燃气轮机运动部件较少，重量轻，噪音小，污染较小，缺点是初投资高，发电效率低。

4.2 冷热源形式

发电系统类型决定了联供系统的余热利用形式，燃气轮机的余热形式为高温蒸汽及高温热水，为溴化锂吸收式制冷机的使用提供绝佳条件；内燃机的余热形式为高温烟气和高温冷却水，为烟气热水型吸收机的使用提供可能。根据不同发电原理及余热形式，确定区域能源系统不同的联供流程。

广西省南宁分布式能源项目A采用区域能源站的发电余热（蒸汽、热水等）来制取冷（热）水，承担规划区域内空调及生活热水负荷需求。发电系统发电量在满足用户用电和制冷系统用电后，多余电力可以上网，不足的电力可以从电网购入。采用蒸汽型溴化锂吸收式制冷机、热水型溴化锂吸收式制冷机以及离心式冷水机组联合承担区域建筑群冷负荷。

夏季，优先开启热水和蒸汽型溴化锂机组制冷，当空调冷负荷高于溴化锂制冷机总装机容量时，开启电制冷机组。冬季，利用烟气换热器和汽水换热机组提供的高温热水，在二级站内换热得到空调热水，满足供热需求。由余热锅炉低压蒸汽提供的高温热水，在二级站内通过水-水换热器换热，制取生活热水。

重庆某区域能源项目B采用区域能源站的余热制取冷（热）水，承担规划区域内空调及生活热水负荷。该项目以燃气内燃机作为发电装置，以烟气型吸收机、蒸汽型溴化锂吸收机、江水源热泵以及江水源冷水机组作为冷热源。

夏季，发电机的高温烟气进入烟气热水型直燃机的高温发生器，发电机高温冷却水进入烟气热水型直燃机的低温发生器，共同驱动溴化锂单、双效复合型吸收式机组制冷，冷量不足部分由江水源机组补充。冬季，发电机组高温烟气进入烟气热水型直燃机的高温发生器，内燃机高温冷却水进入直燃机的低温发生器，二者共同作为空调热水的热源；热量不足部分由江水源热泵作为补充。

5 冷价制定

管网初投资包括管网建设投资，如管材、附件、保温及施工等费用，可表示为管径的函数；根据全国市政工程投资估算指标，可采用管网综合造价计算初投资。但该估算指标只列出公称直径从DN50到DN1000的管道单位长度造价，对于管径大于DN1000的管道单位长度造价，则需拟合线性回归模型进行计算。

区域能源项目的年运行费用主要包括电费、管网冷损失费、管网折旧及维修年均费；总成本费用包括维护人员费用、修理费、管理费、营销费、技术开发费等，总成本费用可利用指标估算。将机组和管网的初投资折算成年度费用，在考虑运行费用基础上，选取合适的投资回收期和收益，结合其他价格影响因素，推算出冷价[9]。

末端用户的用能需求是逐时变化的，分布式能源系统供冷（热）量与系统发电量相互影响，系统常处于部分负荷运行状态。为了合理确定冷（热）价，应逐时计算用户冷（热）负荷，对空调系统耗电量进行动态分析，从而求解上网电量。此外，区域能源系统输配冷量大，输送距离远，冷量损失大，由冷量损失引起的系统耗电增量也应纳入冷价计量之内。

区域供冷（热）项目的冷（热）价应以同时满足投资方和冷（热）用户的承担能力为原则，冷（热）价不宜过低，导致投资方长期不能回收成本；也不宜高于单体建筑集中制冷（热）的费用，降低冷（热）用户购冷（热）的积极性。

6 数值模拟软件

大型区域能源项目系统形式复杂，冷热源设备种类繁多，在项目规划设计阶段，人工计算系统能耗难度较大，费时较长。故有必要开发不同类型的区域能源优化设计评估软件，通过软件数值模拟，优化系统配置，并最终指导项目的高效节能运行。

以燃气-蒸汽轮机循环发电系统变工况模型、冷源模型（蒸汽型溴化锂吸收式制冷机、热水型溴化锂吸收式制冷机、电制冷机）以及输配系统能耗模型为基础，建立整个分布式能源系统数学模型，开发“冷热源及输配系统能耗分析软件”，软件主界面见图3。

图3 软件主界面

导入区域能源系统各地块全年动态负荷，结合冷源模型、冷却塔模型、输配系统模型、机组群控模型以及输配系统控制模型，分析系统能耗特征，可实现“一机对一塔”、“非一机对一塔”以及冷冻水二次侧定（变）流量的系统能耗模拟；此外，软件设有区域供冷系统“冷价概算”模块，可为业主方的冷价设定提供参考。

以燃气内燃机变工况发电模型、冷热源机组能耗模型（烟气型直燃机数学模型、蒸汽型溴化锂吸收式制冷机能耗模型、江水源热泵能耗模型、电制冷机组能耗模型）以及输配系统能耗模型为基础，开发分布式能源“系统性能分析软件”，软件主界面见图4。

图4 软件主界面

导入区域能源系统各地块全年动态负荷，结合冷源模型、冷热源系统模型、输配系统模型以及机组群控模型，分析系统能耗特征，实现不同工况下系统能耗的模拟；此外，软件设有分布式能源系统“经济性评价”及“冷价概算”模块。

7 区域能源项目3E优化目标

区域能源系统优化设计时，需建立以能源、经济和环境为基础的多目标优化方程，以总效率（最大）为能源目标，以净现值（最大）为经济类目标，以COx、NOx排放量（最小）作为环境类目标。

效率目标：是推动能量转化过程的动力，区域能源系统运行过程中存在不可逆热损失，采用“年平均效率”作为能源类优化目标，强调不同温度所对应的不同品位热能，得出有用功的利用情况，揭示系统中能量利用的薄弱环节。

净现值目标：区域能源系统多涉及供能单位收支问题，故采用“净现值”作为经济类优化目标，系统第一年支出包括初投资（能源站建设费用）和相关运行费用，其后每年支出仅有运行费用。通常，楼宇型联供系统初投资可根据设备安装容量预估，区域型能源站多以建设大型发电厂为基础，除了设备购置费以外，还包括了建设工程费、安装工程费以及其他一些附属费用。因此，建议将初投资表示为关于决策变量（各部件设备容量）的函数。运行相关费用主要包括年运行费用、年维护管理费和税收等；年运行费用是由于系统能量消耗包括现场燃料消耗、水消耗和从电网下载电能三部分所产生的费用；年维护管理费包括人工费和维护费用；税收包括企业所得税、增值税和城建教育费附加税。

污染物排放目标：相比于分散系统而言，采用区域能源系统所能够减少的污染物排放量，主要包括CO2、SO2、NOx等。

8 结论

区域能源系统利用同时使用系数，有效降低系统装机容量，经济效益显著。采用分布式能源系统供能，利用天然气发电，发电效率高，减少了电力输配线损；发电废热作为空调热水及生活热水热源，实现热量梯级利用，能源综合利用率较高，节能效益明显。区域能源项目规划设计阶段，在系统数学模型的基础上，结合3E目标，开发设计评估软件，优化系统配置，具有重要意义。

[1]国际能源机构.世界能源展望2011报告[R]. 2011.

[2]华贲.区域型分布式冷热电联供能源系统的规划设计[J].中外能源，2011，3（16）：13-20.

[3]Anna Monis Shipley，R.Neal Elliott.Distributed Energy Resources and Combined Heat&Power：A Declaration of Terms.April 2000//WADE（World Alliance of Decentralized Energy，www.localpower.org）.Guide To Decentralized Energy Technologies，2002.

[4]李春蝶.区域型CCHP耦合系统配置及运行优化研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[5]金红光，徐建中，郑丹星.分布式冷热电联供系统装置及应用[M].北京：电力工业出版社，2009.

[6]张歆辉，卢军，李春蝶，等.区域供冷系统能耗模型及能效分析[J].煤气与热力，2013，33（3）：29-32.

[7]寿青云，陈汝东.借鉴国外经验积极发展我国的区域供冷供热[J].流体机械，2003，11（31）：47-50.

[8]Brent Griffith，DariushArasteh.Advanced insulations for refrigerator/freezers：the Potential of new shell designs incorporatingpolymer barrier construction，Energy and Buildings[J].1995（22）：219-231

[9]李春蝶，卢军，黄光勤，等.基于动态负荷的区域冷热电联供系统冷价制定[J].煤气与热力，2013，33（5）：23-28.

责任编辑：孙苏

Discussion on Optimization Design and Planning of Regional Energy Project

Based on the relevantissues of load prediction,system form,hotand cold source configuration,cold loss ofdistribution and cold and hotprice determination and,combined with the optimization objective of 3E,the optimization design and planning of regionalenergy projectare analyzed and discussed.

regionalenergy；planning；distributed energy resource；numericalsimulation；3E；optimization objective

TK01+9

A

1671-9107（2014）10-0005-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.005

2014-07-18

卢军（1966-），男，四川渠县人，博士，教授，主要从事建筑节能研究工作。