太阳能辅助式冷热电联供系统优化设计及性能分析

游盛水， 张峰源， 吴元旦， 于立军

(上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程所，上海 200240)

太阳能辅助式冷热电联供系统优化设计及性能分析

游盛水， 张峰源， 吴元旦， 于立军

(上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程所，上海 200240)

为减少化石能源的使用，设计了一种以太阳能为辅助式能源的混合联供系统，并对其原理及运行策略进行分析.以上海市某商务楼为实例，建立能源、经济和环境等综合评价指标，基于遗传算法对系统的电制冷比和光伏板面积比进行优化分析；以分供系统为参照对象，分析太阳能系统对联供系统综合性能的影响.结果表明：混合联供系统的综合性能优于传统分供和联供系统；混合联供系统的最佳光伏板面积比受系统电制冷比的影响，当电制冷比设置合理时，系统综合性能达到最优.

太阳能； 冷热电联供系统； 遗传算法； 优化设计； 性能分析

Abstract： To reduce the consumption rate of fossil fuels, a hybrid combined cooling, heating and power (CCHP) system with the utilization of solar energy was designed, of which the working principle and operation strategy were analyzed. Taking a commercial building in Shanghai as an example, the electric chiller ratio and PV arrays area ratio were optimized by genetic algorithm to achieve multi benefits of the hybrid CCHP system, including energy, economic and environmental benefits. Meanwhile, the effects of solar system on the comprehensive performance of hybrid CCHP system were analyzed with the separate production (SP) system as a reference object. Results indicate that the comprehensive performance of hybrid CCHP system is much higher than traditional SP and CCHP systems. The optimal PV arrays area ratio of hybrid CCHP system depends on its electric chiller ratio, and when the electric chiller ratio is reasonably set, optimum comprehensive performance can be obtained for the hybrid CCHP system.

Key words： solar energy; CCHP; genetic algorithm; design optimization; performance analysis

为了减少化石能源的使用并实现社会的可持续发展，太阳能等可再生能源已广泛应用于建筑领域[1].但由于屋顶面积小、能流密度低等限制，太阳能系统无法满足建筑的全部能耗需求，需要与其他形式的供能系统相结合[2].相比传统分供系统(SP)，天然气冷热电联供系统(CCHP)具有污染小、能效高、环境友好等突出优势，成为分布式能源的发展趋势之一[3-4].因此，将太阳能与联供系统结合已成为国内外的研究热点[5-7].

荆有印等[2]基于生命周期分析法对一种集成太阳能与内燃机驱动传统联供系统的太阳能冷热电联供系统进行了系统设备及运行策略的优化分析.Basrawi等[5]设计了一种将光伏发电系统与微型燃气轮机驱动冷热电联供系统相结合的混合联供系统，并分析了不同运行策略下混合联供系统的能源、经济和环境等综合效益.刘星月等[7]将太阳能和天然气驱动的联供系统相结合，研究出混合联供系统最优电制冷比和光伏发电最优容量，并对不同的运行策略进行评估.目前鲜有研究对比引入太阳能系统对天然气冷热电联供系统综合性能影响的文献.

笔者将光伏发电系统、真空管集热系统与燃气内燃机驱动的联供系统相结合，设计了一种以太阳能为辅助式能源的混合联供系统，并对其系统原理和运行策略进行分析.以分供系统为参照对象，建立能源、经济和环境等综合评价指标，基于遗传算法对混合联供系统的电制冷比和光伏板面积比进行优化分析，从而实现系统综合效益的最大化.以上海市某商务楼为实例，分析了引入太阳能系统对联供系统综合性能的影响,以及不同电价模式和太阳能系统安装面积对系统综合性能的影响.

1 系统介绍

混合联供系统主要由光伏发电系统、真空管集热系统与燃气内燃机驱动的联供系统组成，系统原理图如图1(a)所示.系统电负荷Euser和电制冷机电负荷Eec由光伏发电系统发电量Epv、燃气内燃机发电量Epgu和电网补充电量Egrid共同供给；系统冷负荷Qc由电制冷机的制冷量Qec和吸收式制冷机的制冷量Qac供给；热负荷Qh和驱动吸收式制冷机所需的热量Qrc由真空管集热系统的热量Qetc、余热锅炉的回收热量Qpgu和燃气锅炉提供的热量Qb共同供给.为充分利用太阳能，设定用户的冷、热负荷和电负荷先由光伏发电系统和真空管集热系统提供，不足时再由燃气内燃机及余热锅炉供给.若两者不能满足负荷的全部需求，则由电网和燃气锅炉补充余下的电能或热能.

为研究和综合评价混合联供系统的性能，将分供系统、联供系统作为参照对象，联供系统与混合联供系统原理相似，如图1(b)所示.在分供系统中，所有电负荷均由电网提供，冷、热负荷分别由电制冷机和燃气锅炉供给，如图1(c)所示.

(a) 混合联供系统原理

(b) 联供系统原理

(c) 分供系统原理

2 太阳能系统数学模型

2.1 倾斜面逐时太阳能辐照量

太阳能系统产生的电能和热能大小主要取决于光伏板和真空管集热器倾斜面获取的太阳能辐照量.倾斜面太阳能辐照量IT主要由直射辐照量Ib,T、散射辐照量Id,T和反射辐照量Ig,T组成：

IT=Ib,T+Id,T+Ig,T

(1)

倾斜面直射辐照量和反射辐照量主要与水平面直射辐照量Ib和散射辐照量Id有关，而倾斜面散射辐照量受天空条件的影响，较为复杂.笔者采用Perez模型计算倾斜面散射辐照量[8]：

(2)

(3)

(4)

式中：θ和θz分别为太阳的入射角和天顶角；ρ为地面反射率；β为组件倾斜角；F1和F2分别为环绕太阳系数和水平亮度系数;a、b为太阳入射角的修正系数.

2.2 太阳能组件安装面积

由于场地限制，光伏板、集热器组件通常分排安装，如图2所示.因此，需要确定方阵间的最佳间距，避免前排方阵挡住后排方阵的光照，同时充分利用场地资源.

图2 方阵间距示意图

对于北半球而言，最佳间距的设计原则为冬至日上午9时或下午3时，后排方阵不被前排方阵遮挡，由几何关系可得：

(5)

式中：w为组件宽度；αs和γs分别为冬至日上午9时太阳高度角和太阳方位角.

sinαs=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(6)

(7)

式中：φ为当地纬度；δ和ω分别为太阳赤纬角和时角.

由式(5)～式(7)可得太阳能组件安装面积Seff与场地面积Srt的比值F：

(8)

2.3 光伏发电系统

光伏发电系统逐时发电功率为：

Epv=ηpvITSpv

(9)

式中：Spv为光伏板面积；ηpv为发电效率，其大小取决于太阳能辐照量、环境温度及光伏电池工作温度等[9].

ηpv=0.15[1-0.004 5(Tpv-25)]

(10)

(11)

式中：Tamb为环境温度；TNOCT和Tpv分别为电池标称和光伏电池工作温度.

2.4 真空管集热系统

真空管集热系统逐时热量为：

Qetc=ηetcITSetc

(12)

式中：Setc为集热器有效采光面积；ηetc为集热器热效率，其大小主要取决于管内流体的平均温度Tw,m、环境温度Tamb及倾斜面太阳能辐照量IT[10].

(13)

式中：Kθ为太阳入射角修正系数，主要由纵向修正系数和横向修正系数组成[10].

Kθ=K(θt)K(θ1)

(14)

(15)

(16)

式中：θ1和θt[11]分别为太阳入射的纵向角和横向角.

θ1=|tan-1(tanθzcos(γ-γs))-β|

(17)

(18)

式中：γ为集热器方位角.

3 系统优化模型

3.1 目标函数

联供系统是一种复杂的综合供能系统，仅从一方面难以评价其整体性能.笔者以分供系统为参照对象，从能源、经济和环境3个角度对联供系统进行性能分析.

(1)年能源节省率ηPES.

年能源节省率指一年内联供系统相对分供系统的一次性能源节省率：

(19)

式中：FSP和FCCHP分别为分供系统和联供系统的一次性能源使用量.

(2)年使用成本节省率ηATCR.

供能系统的年使用成本CATC主要包括设备投资成本CII和能源成本CEC，假定功能设备运行完全可靠，无维护成本：

CATC=CII+CEC

(20)

(21)

(22)

式中：Nk和Ck分别为设备容量及单位容量投资成本；N为设备种类；I为利率，取值为0.5；L为设备寿命，取值为15年；Ei,grid和Fi,gas分别为逐时电网购电量和天然气消耗量；Ci,grid和Ci,gas分别为逐时电网电价和天然气价.

年使用成本节省率可表示为：

(23)

式中：cSP,ATC和cCCHP,ATC分别为分供系统和联供系统的年使用成本.

(3)年CO2减排率ηCDER

供能系统CO2的排放主要来源于天然气和电网电能.

(24)

式中：μCO2,grid和μCO2,gas分别为当地电网和天然气CO2的排放因子.

年CO2减排率可表示为：

(25)

式中：ESP,CDE和ECCHP,CDE分别为分供系统和联供系统的年CO2排放量.

(4)综合评价指标ηEC

为全面评价联供系统各方面的性能，基于能源、经济和环境3个评价指标构建综合评价指标ηEC：

ηEC=ω1×ηPES+ω2×ηATCR+ω3×ηCDER

(26)

式中：ω1、ω2和ω3分别为3个评价指标的权重系数，均取为1/3.

若ηEC为正值，说明联供系统的综合性能优于分供系统；若ηEC为负值，说明联供系统的综合性能劣于分供系统.

3.2 优化变量

3.2.1 电制冷比

混合联供系统冷负荷由电制冷机和吸收式制冷机共同供给.两者制冷量的分配会影响混合联供系统提供电能和热能的大小.因此，将电制冷比xec作为优化变量之一.

xec=Qec/Qc

(27)

3.2.2 光伏板面积比

由于建筑屋顶面积的限制，光伏板和集热器安装面积的分配会决定系统获得的电能和热能大小.因此，光伏板面积比xpv也作为优化变量之一.

xpv=Spv/Seff

(28)

3.3 系统运行策略

联供系统的性能很大程度上取决于选择的运行策略[12].目前常见的运行策略主要有以电定热(FEL)和以热定电(FTL)2种形式.笔者将分析2种运行策略对混合联供系统性能及配置的影响.

3.3.1 以电定热

光伏发电系统优先满足用户的电负荷需求，不足时由燃气内燃机补充.燃气内燃机产生的余热与真空管集热系统共同供给用户的热负荷需求，不足时由燃气锅炉补充.如果有多余废热，则直接排放到环境中.

3.3.2 以热定电

真空管集热系统优先满足用户的热负荷需求，不足时由燃气内燃机补充.燃气内燃机产生的电能与光伏发电系统共同供给用户的电负荷需求，不足时由当地电网补充.如果有多余电能，默认将此部分电能输送到附近用户并被消耗掉，不予分析.

4 实例分析

4.1 用户对象

为评价在全年逐时太阳能辐照量下混合联供系统的综合性能，并分析其系统的最优配置，选择上海市某商务楼为研究对象，全年8 760 h的用电量为9.512×105kW·h，制冷量为6.932×105kW·h，制热量为7.21×104kW·h.该商务楼仅在工作日开放，屋顶可利用面积为2 000 m2，太阳能组件均安装在屋顶上，方向朝南且安装倾角为28°，太阳能组件安装面积与场地面积比值F为0.56.上海市太阳辐射状况及月平均气温如图3所示.上海市非居民用天然气价为2.18元/m3，电价如表1所示.

图3 上海市太阳辐照量及月平均温度

Fig.3 Monthly global solar irradiation and average temperature in Shanghai

表1 上海市电价表

注：1)峰值段为6:00—22:00；2)谷时段为23:00—5:00.

4.2 系统配置优化

以综合评价指标ηEC为目标函数，采用遗传算法分析2种运行策略下混合联供系统的电制冷比xec和光伏板面积比xpv的寻优过程，如图4和图5所示.由图4可知，2种运行策略下，ηEC先随xec的增大而增大,达到峰值后随xec的增大而减小.光伏板面积比xpv随xec的增大而增大；当xec大于0.3时，xpv均为1.0，说明此时太阳能均用于光伏发电.

图4 不同运行策略下最佳光伏板面积比及综合性能对比曲线

Fig.4 Comparison curves of optimal PV ratio and comprehensive performance under different strategies

(a) 以电定热运行策略

(b) 以热定电运行策略

Fig.5 Configuration optimization of the hybrid CCHP system under different strategies

由图5可知，采用合理电制冷比、光伏板面积比为1时，2种运行策略的系统综合性能均为最优，且大部分情况下混合联供系统的综合性能要优于分供系统的综合性能.图5(b)中,在以热定电运行策略下，当xec较大、xpv较小时，ηEC为负值，表明在该系统配置及运行策略下混合联供系统的综合性能劣于分供系统的综合性能.

4.3 系统性能分析

为评价太阳能对联供系统性能的影响，笔者对比分析了2种运行策略下混合联供系统和联供系统的综合性能(见图6).由图6可知，2种运行策略下混合联供系统的综合性能ηEC均优于联供系统的综合性能.太阳能系统有效提升了系统的能源和环境效益.但由于太阳能系统的安装成本较高，导致系统经济指标提升得不明显，反而在以电定热运行策略下混合联供系统的经济效益劣于联供系统的经济效益.此外，在以电定热运行策略下2种联供系统的性能均优于以热定电运行策略下联供系统的性能.

图6 混合联供系统和联供系统综合性能的对比

Fig.6 Comparison of comprehensive performance between hybrid and conventional CCHP system

4.4 影响因素分析

上海市主要采用分时和未分时2种电价类型，如表1所示.笔者分析了不同电价类型对联供系统经济指标ηATCR的影响(见图7).由图7可知，在以电定热运行策略下，联供系统采用分时电价的经济效益要优于未分时电价的经济效益；在以热定电运行策略下，联供系统采用未分时电价的经济效益要优于分时电价的经济效益.表明在以电定热运行策略下，峰值段联供系统在电网的购电量较少，采用分时电价更优；在以热定电运行策略下，峰值段联供系统在电网的购电量较多，采用未分时电价更优.

图7 不同电价类型下系统经济指标对比

Fig.7 Economic performance under different classifications of electricity charges

为分析太阳能系统安装面积对混合联供系统性能的影响，分别以系统综合评价指标ηEC、能源指标ηPES、经济指标ηATCR和环境指标ηCDER为目标函数，研究在以电定热运行策略下混合联供系统的性能指标(见图8).由图8可知，随着太阳能系统安装面积的增加，ηEC、ηPES和ηCDER不断提高，说明增加安装面积能够有效减少化石能源的使用，提高联供系统的综合性能.但由于太阳能系统安装成本较高，随着太阳能系统安装面积的增加，ηATCR小幅度提高后便逐渐降低，主要原因是周末期间综合商务楼只有少量应急用电，系统的多余发电量无法并网销售，从而导致系统经济效益降低.

图8 不同安装面积下混合联供系统的综合性能

Fig.8 Comprehensive performance of the hybrid CCHP system with different installation areas

5 结 论

(1)在2种运行策略下混合联供系统的综合性能均优于联供系统的综合性能，并且太阳能系统有效地提升了系统能源和环境效益.但由于太阳能系统的安装成本较高，系统的经济效益可能会下降.

(2)混合联供系统的电制冷比对光伏板面积比和系统综合性能的影响较大.当采用合理电制冷比时，太阳能均用于光伏发电，混合联供系统的综合性能达到最优.

(3)在以电定热运行策略下，联供系统采用分时电价的经济效益要优于未分时电价的经济效益.在以热定电运行策略下，联供系统采用未分时电价的经济效益要优于分时电价的经济效益.

(4)混合联供系统的综合性能、能源及环境效益随太阳能系统安装面积的增加而提高.但由于太阳能系统安装成本较高，系统多余发电量无法并网销售，随着太阳能系统安装面积的增加，系统的经济效益小幅度上涨后便逐渐降低.

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Design Optimization and Performance Analysis of a Hybrid Solar CCHP System

YOUShengshui,ZHANGFengyuan,WUYuandan,YULijun

(Institute of Thermal Energy Engineering, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

2016-11-02

2016-11-25

游盛水(1991-)，男，福建漳州人，硕士研究生，主要从事分布式能源管理方面的研究. 于立军(通信作者)，男，教授，博士生导师，电话(Tel.)：021-34206287；E-mail：ljyu@sjtu.edu.cn.

1674-7607(2017)10-0855-06

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