冷热电三联供系统运行方案的比较分析

李 伟,章维维

(东北电力大学经济管理学院，吉林 吉林 132012)

冷热电三联供系统运行方案的比较分析

李 伟,章维维

(东北电力大学经济管理学院，吉林 吉林 132012)

冷热电三联供系统可以为用户同时提供冷、热、电能源，具有很好的经济性和环保性。由于用户不同时段的用能波动很大，系统不能全天都按照额定功率运行，也不能完全满足用户的用能需求，不能很好地发挥其经济性。为了更好发挥系统的运行效率，提高系统运行的经济性，提出在冷热电三联供系统的基础上，探索系统在配置蓄能装置的情况下，满足四季不同能源需求的最经济的运行模式。通过结合峰谷电价等情况，计算各种方案运行所耗费的燃料成本和电费，进行经济性评价。最终得出带蓄能装置的系统，在不同季节的一天内不同时段的系统运行方案。最终的结果表明，带有蓄能装置的冷热电三联供系统可以按照额定功率工作，并且经济性最佳。

冷热电三联供系统；蓄能装置；运行方案；经济性分析;分布式能源

0 引言

冷热电三联供系统是一种分布式能源系统，是建立在用户侧的，以天然气为主要燃料的小型能源梯级利用系统。直至目前，冷热电三联供系统的使用已经相当普遍，主要应用于医院，商场，办公楼，学校，住宅小区，公共场所设施等。国内外对于冷热电三联供系统的研究也相当成熟，主要涉及分布式能源系统实现各环节所用的技术及实现方法，以及研究发电的方式、储能技术、能源利用、能量转换、并网技术等具体技术能否实现及如何实现的问题[1-7]。以上这些研究均能够很好地证明冷热电联供系统具有很好的节能性和环保性，同时在一定的运行条件下也具有经济性。国内外学者对于冷热电三联供系统的研究主要集中于研究系统本身的节能性[8-15]，说明系统相较于传统的能源供给方式，具有一定的经济性。但是目前为止，并没有文献考虑到峰谷负荷对系统运行模式的影响。在实际情况中，由于存在电能需求的高峰和低谷，导致系统全天并非按照额定功率运行，如此可能会导致在低谷时系统运行效率较低而高峰时系统超负荷工作。这样会降低系统的经济性，减少系统使用寿命。

为了更好发挥系统的经济性，需要考虑系统设备的容量和配置方案，遵循容量原则，优化冷热电联供系统的配置模型。本文从系统运行方案和优化配置角度，比较不同的系统方案的经济性，制定更加经济的冷热电三联供系统的运行方案。利用系统的技术参数，结合峰谷电价，计算系统运行的成本费用情况。最终将方案进行对比，得到最优的系统运行方案。优化的冷热电三联供系统，由于配置了蓄能装置，并且考虑了符合需求的变化，具有一定的节能经济性，为实际生活中配置节能系统提供参考。

1 系统运行方案

目前的冷热电联供系统的设备有原动机，制冷机，热交换设备这3种主要设备，原动机可选择燃气轮机，微型燃气轮机或燃气内燃机，制冷机有吸收式制冷机和压缩式制冷机等。除此之外，该系统中还可以安装余热锅炉，发电机等装置，这就是最基本的冷热电三联供系统。为了保证用户侧的用电安全，有的方案还可以与电网相连以保证电能的需求，或者安装电压缩机保证冷热需求。为了增加系统的经济性，起到电力及能源的削峰填谷作用，系统配置方案中还会另外安装蓄能装置，以保证系统的灵活运行和能源需求及供给的转移。本文设置了2种系统配置方案：一种是把冷热电三联供系统与电网相连，系统并网不上网，另外安装电压缩机的运行方案(图1所示)；另一种是带蓄能装置的冷热电联供系统，并且该系统与电网相连，并网不上网(图2所示)。

图1 无蓄能装置的冷热电三联供系统Fig.1 CCHP system without energy storage device

图2 带蓄能装置的冷热电三联供系统Fig.2 CCHP system with energy storage device

2 系统运行费用分析

假设冷热电三联供系统安装在总面积为10万 m2的北方住宅小区内，该建筑物夏季制冷期为5月15日—10月15日，共153天；冬季采暖期为11月5日—4月5日，共151天；余下的时间为过渡期。参考相关文献，根据小区的能源需求情况，估计三联供系统设备的装机容量及规格如下：燃气轮机以Solar公司的技术参数为参考，选用1台Solar Saturn20燃气轮机，1台型号为BS600的双效蒸汽式溴化锂吸收式制冷机组，用电空调设备代替电动压缩机。蓄能装置选用容量为1 406 m3。冷热供应满足需求。该设备可以满足建筑物全年的冷热电负荷需求。系统的具体参数如表1。

制冷机组的技术参数(项目中，机组采用《远大空调说明书》中推荐的组合，即冷水7 ℃/12 ℃高流量型和冷却水37 ℃/30 ℃低流量型组合)，具体参数见表2。

表2 制冷机组技术参数Table 2 Technical parameters of chiller

另外假定这个10万 m2的住宅区共有1 000户用户，每户平均面积为100 m2。每家用户都安装规格为4 648 W的空调1台，根据空调的技术参数可以大致计算出单台空调的耗电量为2 kW·h/h。除此之外，每家用户的月耗电量大约为200 kW·h。表3中显示的是该地区峰谷时刻电价情况，根据该电价情况，可以计算出各种方案的消费情况。

表3 该地区的峰谷电价收费标准Table 3 Peak and valley price charges in this region

图3为某居民家中全天候冷热需求情况。从图3可看出，居民夏季的热负荷需求很少，而冷负荷需求存在明显的峰谷现象，白天冷负荷需求很少，傍晚到夜间的需求量很大，其原因就是白天人们大多数都在上班，很少有人留在家中，冷负荷需求很少。因此夏季用户在12:00—16:00及18:00—23：00存在高峰负荷；冬季热负荷在全天的需求较为平稳，几乎无冷负荷需求；过渡季在时段16:00—23:00有少量的热负荷需求，其他时段的冷热需求均很少。

图3 居民家中24小时冷热需求情况Fig.3 Hot and cold demand of residents during 24 hours

2.1 无蓄能装置的成本费用

用户安装冷热电三联供系统，系统为用户提供电及冷热能源，同时用户还与电网相连，保证用户能源供应充足。当系统发电不足时，可以从电网购买；系统制冷或供热不足时，通过电动压缩机，即空调供应冷热源。计算无蓄能装置的年成本费用如下。

1. 夏季制冷费的计算。居民夏季通过联供系统制取冷源，基本可以满足低谷时期用户的冷需求；在需求高峰时段，系统释放的冷能并不能完全满足用户的用能需求，所以需要启动空调设备，假设每天需要在12:00—16:00及18:00—23：00额外从电网购电启动空调系统制冷，共9 h。根据空调的技术参数可以大致计算出单台空调的耗电量为2 kW·h/h，平均电价为0.455元/(kW·h)。根据以上信息可以计算出该建筑的空调制冷成本为2 kW·h/h×9 h×153×1 000×0.455元/(kW·h) =1 253 070元。

2. 系统运行年成本。系统采用saturn20机组和BS600机组。根据相关参数，可计算出初始设备建设投资，具体参数如表4。

表4 设备初始投资Table 4 Initial equipment investment

该系统预计使用寿命为15年，无蓄能装置初始总投资11 720 000元，银行贷款利率计为6%，折合为年成本为1 206 754元。

有关运行费用的计算，以国际上的统计数据作为参考，按系统发电量计算。运行费用标准选为0.08元/(kW·h)，该系统每年可满足用户的用电需求，则运行费用约为200 kW·h×12×1 000×0.08元/(kW·h)=192 000 元。

系统以天然气为主要燃料，每年燃气轮机消耗天然气为2 616 828 m3，余热补燃锅炉消耗天然气2 004 502 m3,系统共消耗天然气量为4 621 330 m3,以天然气价为1.1元/m3计算，系统消耗的天然气费用为4 621 330 m3×1.1元/m3=5 083 463元。

所以，系统的年成本为1 206 754元+192 000元+5 083 463元=6 482 217元。

3. 冬季取暖费的计算。从图3的冷热需求可以得到冬季用户在17:00—24:00以及07:00左右小幅度增加。在无蓄能装置中，在启动联供系统的同时，热能需求高峰时段开启空调系统，并且上网购电。所以系统需从电网购电的时段为17:00—21:00，电价为0.562元/(kW·h)，21:00—24:00以及06:00—07:00电价为0.329元/(kW·h)。所以每户每天需额外缴纳电费4 kW·h×0.562元/(kW·h)+4 kW·h×0.329元/(kW·h)=3.564元。整个取暖季需额外缴纳电费为3.564×151×1 000=538 164元。

综上，计算出系统的年总运行成本费用为电网购电费+系统运行成本，即1 253 070元+6 482 217元+538 164元=8 273 433元。

2.2 带蓄能装置的成本费用

带蓄能装置的联供系统的用户电力由燃气轮机发电和电网购电组成，燃气轮机燃烧后的高温排烟通过吸收式机组供冷和供热，不足的冷热能由燃气锅炉和电压缩制冷机补充。动力系统多余的冷热能源可以储存在蓄能装置中，在用能高峰时释放。其中，为了节省初始投资，蓄能装置同时满足蓄冷和蓄热的要求。所以选择自然分层水蓄能装置。

夏季制冷需求：带蓄能装置的运行方案为用户夏季供冷，系统全天处于运行状态且在需求低谷期蓄冷，需求高峰时段放冷。根据DEST建筑软件分析建筑物的用能情况，可以模拟出小区白天尖峰时刻冷量为12 225 kW·h。选用的分层水蓄能装置，配置规格为1 406 m3的蓄能装置，最大蓄能容量为3 211 kW·h，可以满足尖峰时刻的用能需求。因此系统在夜间的蓄冷量能够满足白天的需求量，无需电制冷。

通过上图中的冬季供暖数据，可以大致估计本小区的供暖需求，凌晨00:00—06:00以及07:00—17:00是热负荷需求的低谷期，系统可以在这一段时期蓄能，在17:00—24:00以及06:00—07:00这段时间，是需求高峰期。整个系统由于添加了蓄能装置，动力系统可以全天满负荷工作，需求高峰期不必超负荷运转，可以保持额定状态，不足由蓄能装置补充，无需从电网购电。而在过渡季节，用户的冷热需求均要求不高，完全可以由联供系统来满足。因此冬季和过渡季节无需额外的电网购电费用。

所以带蓄能装置的初始投资为16 720 000元，折合成年金为1 721 582 元。则带蓄能装置的年总成本为： 1 721 582元+192 000元+5 083 463元=6 997 045元。

通过以上论述分析，计算出带蓄能装置比不带蓄能装置每年节省年成本费用1 276 388 元。可以得出结论带蓄能装置比不带蓄能装置的系统更加经济。

3 结语

通过计算有蓄能装置和无蓄能装置的年成本费用，得出了冷热电三联供系统较为经济的运行方案：在10万 m2的小区内，系统安装蓄能装置及电压缩机装置，全年满负荷运作。夏季，系统在12:00—16:00及18:00—23：00存在高峰负荷，此时段系统满负荷制冷而且蓄能器放冷，在其他时段，冷负荷较低，蓄冷器蓄冷。冬季在供暖低谷时期蓄热，在供暖高峰时放热。过渡期冷热负荷较小，无需开启蓄冷装置。这样可以比无蓄热装置的联供系统节省1 276 388 元，起到高效利用系统排出的余热，使系统利用率更高。同时，带蓄能装置的系统，动力装置可以实现全天处于额定功率下工作，也就是说，在没有蓄能装置的情况下，系统的动力装置在高峰期将会处于高效率状态下工作，而在用电低谷期，系统动力装置将会在较低效率下工作，这种情况不能充分利用动力装置，也会缩短动力装置的使用寿命；若装有蓄能装置，可以使动力设备总是处于拟标准工况下运行，达到效率，环保性和经济性能最佳。

基于以上计算可知带蓄能装置的三联供系统具有更好的节能经济性，能够使动力机组在额定功率下运行，不必反复开启和关闭机组，同时能够降低机组的装机容量，在大型建筑物或能源需求量大的区域较为经济。

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李 伟

(编辑 蒋毅恒)

Comparative Analysis of Operation Scheme for CCHP System

LI Wei, ZHANG Weiwei

(School of Economics and Management, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

combined cooling heating and power (CCHP) system can provide users with cold, hot and electric power, which has good economy and environmental protection. However, because the use of energy of users fluctuates greatly at different periods, the system can not operate in accordance with the rated power all day, nor can it fully meet the user’s energy demand, and can not give full play to its economy. In order to give full play to the efficiency of the system and improve the economy of system operation, this paper proposes the the most economical operation mode for the system with energy storage equipment to meet the energy needs of different seasons based on the CCHP system. In combination with the peak and valley price, this paper calculates the fuel cost and electricity cost of various running schemes, and makes economic evaluation. Finally, we obtain the optimal operation scheme of the system with energy storage equipment in different periods of time in different seasons. The results show that the CCHP system with energy storage equipment can work according to the rated power and has the best economy.

combined cooling heating and power; energy storage equipment; operation plan; economic analysis; distributed energy

TK 01

A

2096-2185(2017)03-0045-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.008

2017-05-04

李 伟(1968—)，男，教授，硕士研究生导师，研究方向为能源政策、技术经济评价等；

章维维(1992—)，女，硕士研究生，主要从事可再生能源的利用，风电期货、电网输配电价研究，1038521520@qq.com。