新疆地区天然气冷、热、电三联供能源站规划设计浅析

焦小龙

（Shanghai Tongji Urban Planning&Design Institute，Shanghai 200092，China）

新疆地区天然气冷、热、电三联供能源站规划设计浅析

焦小龙

（上海同济城市规划设计研究院，上海 200092）

为了落实《天然气利用政策》、“煤改气”等国家及新疆地区相关政策，通过负荷因子法，对铁门关市核心区不同性质用地的能耗需求进行了详细的模拟、预测，并规划建设一座天然气冷、热、电三联供能源站，满足铁门关市核心区冷、热、电用户用能需求。通过规划分析，天然气冷、热、电三联供系统可为商业、商务等核心区域提供8.1万GJ/a的供冷量、14.5万GJ/a的供热量和1.03亿kWh/a的电力，该系统可作为铁门关市能源供应的补充，可创造可观的经济效益和社会效益。

新疆地区； 天然气冷、热、电三联供能源站； 负荷因子法

（Shanghai Tongji Urban Planning&Design Institute，Shanghai 200092，China）

0 引言

天然气冷、热、电三联供能源站主要指布置在用户附近，以天然气为一次能源用于发电，并利用发电余热制冷、制热，同时向用户供应冷、热、电的分布式能源站[1]，具有能源综合利用效率高、清洁环保、一次性投资少等优势，目前已经在广州、上海、北京等发达城市得到了较好的应用。2014年12月国务院发布了《能源发展战略行动计划（2014-2020）》，2016年3月颁布了《关于推进“互联网＋”智慧能源发展的指导意见》，2016年底国家发改委发布《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》，同时首届、第二届国际能源变革论坛在江苏苏州成功举办，并发布了《苏州宣言》、《 2016苏州共识》，这些政策及文件无不要求积极发展天然气冷、热、电三联供等清洁能源供应方式，提高能源利用效率、减少碳排放、改善环境品质，这也为铁门关市能源供应提供了新的思路。

铁门关市位于新疆维吾尔自治区中部、塔克拉玛干沙漠东北缘，隶属于巴音郭楞蒙古自治州，呈现典型的大陆性极端干旱气候，主要表现为年均温差大、干旱少雨、蒸发强烈、日照时间长、太阳辐射强度高等。铁门关年平均气温10.4℃，最高气温 42.3℃，最低气温－28.8℃，年平均无霜期200d，年平均降水65.8mm，蒸发量2172.6mm；最大冻土深度为1.0m，标准冻土深0.63m。铁门关市周边天然气资源丰富。轮库天然气长输管线途径铁门关市北侧，管径DN600mm，压力6.27MPa，设计输气能力25亿Nm3/a，可以作为铁门关的主要气源，也为天然气冷、热、电三联供能源站提供了可靠、充足的天然气。

铁门关市将打造为新疆节水生态示范城市，是全市政治、经济、文化中心，是新兴的军垦宜居城市，天然气冷、热、电三联供能源站的建设将有助于较好的完成这一目标，同时将对铁门关及新疆地区以天然气为一次能源的多能联供系统的推广起到良好示范作用。

1 项目概况

项目位于铁门关市核心区（以下简称“核心区”）占地面积0.9km2，主要承担市级行政办公、文化、商业等功能，总建筑面积约为89万m2，其中商业建筑建筑面积28.9万m2、图书展览建筑建筑面积7.3万m2、科研建筑建筑面积3.3万m2、文化活动建筑建筑面积3.5万m2、行政办公建筑建筑面积44.0万m2、娱乐康体建筑建筑面积2.0万m2。核心区热(冷)负荷主要包括冬季采暖热负荷、夏季空调冷负荷、生活热水负荷，其中采暖热负荷、空调冷负荷为季节性负荷，生活热水负荷为全年性负荷。能源站采用以天然气为一次能源的冷、热、电联供的方式为核心区提供全部的冷、热负荷及部分电力负荷，规划设计的内容包括核心区的冷、热负荷预测，三联供能源站设备选型、天然气消耗量计算、经济性分析及环境影响评价。

2 热（冷）负荷预测

2.1 预测方法及参数

负荷因子法[2]是用于城市规划阶段建筑逐时冷、热负荷预测的方法。核心区采用负荷因子法对全年逐时热(冷)负荷进行预测，即根据建筑的类型、功能特性确定不同建筑的逐时负荷因子，再根据建筑的功能要求确定热(冷)负荷指标，最后计算不同类型用地的逐时热(冷)负荷。建筑热(冷)负荷因子通过专业的负荷模拟软件进行建模模拟，模型的主要假设及参数如下：

（1）铁门关地区供暖时间一般从10月中旬到次年3月底，空调制冷时间一般从6月初到8月底。

（2）热(冷)负荷分为建筑热(冷)负荷和内扰负荷两部分。建筑负荷主要包括围护结构传热负荷、太阳辐射和新风负荷等，该类负荷与外界气候条件关系密切，是建筑的主要负荷。内扰负荷包括室内设备、照明、人员负荷等，其大小一般不随气候条件变化，主要与建筑功能特性及作息时间相关，由建筑具体的使用特性来确定，所占比重较小，为了计算方便，仅考虑建筑热(冷)负荷。

（3）负荷因子在0-1之间波动，主要呈现热（冷）负荷随时间的变化特征。

（4）核心区的建筑按照功能可简化为办公、商业、展览馆三大类。其中办公类包括科研、行政办公建筑，商业建筑包括商业设施、娱乐康体建筑，展览馆主要指图书、展览及文化活动设施建筑，各类建筑的冷（热）指标见表1。

（5）负荷预测主要以《公共建筑节能设计标准》依据，室外气象参数参照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）中库尔勒气象参数（如图1-图3所示）。

通过模拟计算，办公类建筑、商业类建筑、展览类建筑的冷、热负荷因子如图4-图9所示。

图1 逐时干球温度

图2 逐时湿球温度

图3 太阳辐射强度延时图

图4 办公类建筑热负荷负荷因子

图5 办公类建筑冷负荷负荷因子

图6 商业类建筑热负荷负荷因子

图7 商业类建筑冷负荷负荷因子

图8 展览类建筑热负荷负荷因子

图9 展览类建筑冷负荷负荷因子

2.2 空调冷负荷、采暖热负荷预测

空调同时使用系数取0.8，根据商业、办公楼、展览馆的负荷因子以及建筑面积指标，经计算核心区年最大冷负荷为69.7MW，平均负荷为17.5MW；年最大采暖热负荷为50.7MW，年平均负荷为19.5MW。

表2 核心区空调冷负荷、采暖热负荷

2.3 典型日负荷模拟

图10 冬季典型日采暖热负荷逐时分布图

图11 夏季典型日空调冷负荷逐时分布图

图12 全年热(冷)负荷逐时分布图

表3 核心区生活热水负荷

根据软件模拟得到夏季典型日空调冷负荷、冬季典型日采暖热负荷的变化规律如图10、图11所示。从图可以看出冷（热）负荷均出现在白天，这和企事业单位的作息时间基本吻合。冬季采暖热负荷相对比较稳定，峰值负荷出现在上午10点左右，受内扰负荷影响，下午5点以后采暖负荷逐步下降；夏季空调冷负荷日波动较大，最大冷负荷主要出现下午3点左右，这与室外气温出现峰值的时间基本吻合。

2.4 全年采暖热负荷、空调冷负荷模拟

全年采暖热负荷、空调冷负荷的变化情况如图12所示，采暖负荷明显在采暖季开始时间及末尾时间负荷较低，空调冷负荷主要出现在每年的6月至8月，过渡期主要在春、秋两季。夏季空调最大冷负荷与冬季采暖最大冷负荷大致相当，有利于提高天然气冷、热、电三联供能源站的设备利用效率。

2.5 生活热水负荷

生活热水热负荷是全年性热负荷，且热负荷较均匀，主要用于核心区公共建筑的洗浴、盥洗热水等用热需求。经计算核心区生活热水负荷为7.1MW。

2.6 设计热负荷

根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）规定的能效指标：燃气锅炉额定热效率不低于0.89；直燃型溴化锂吸收式冷（温）水机组名义工况性能系数制冷系数不低于1.10。目前市场上的溴化锂机组性能系数COP可达1.1-1.4，核心区溴化锂机组COP取值为1.3。经计算核心区采暖期平均所需热负荷26.6MW，制冷期平均所需冷负荷为20.6MW，过渡期平均所需负荷为7.1MW。

表4 核心区设计热负荷

3 天然气冷、热、电三联供能源站规划

天然气冷、热、电三联供能源站本着以热定电的原则确定发电机容量，能源站采用燃气轮机发电形式，燃气轮机的排气口排出的高温烟气进入余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽一部分进入汽轮机做功发电，一部分通过供热管网供热，一部分在制冷期通过溴化锂制冷机组制冷。当燃气轮机余热无法满足供热需求时，以燃气锅炉作为补充。燃气三联供能源站热电比取1.1，最大发电量能力为58.4MW，最小发电能力为7.2MW。

表5 能源站发电能力

天然气冷、热、电三联供能源站装机容量4×7MW，供热能力61MW。采暖期4台机组全部运行，制冷期3台机组运行供冷，过渡期仅1台机组运行。采暖期机组最大利用小时数为2352h，制冷期为1288h，过度期为1470h。天然气冷、热、电三联供能源站的发电量除满足能源站用电需求外，原则上本地消纳。

3.1 用气量预测

铁门关天然气热值为39.9MJ/Nm3，燃气三联供系统能源综合效率约为85%，燃气锅炉热效率取0.9。经计算天然气冷、热、电三联供能源站年耗气量为2253万Nm3。

表6 天然气冷、热、电三联供能源站耗气量

3.2 经济性分析

天然气冷、热、电三联供能源站建成运行后，全年累计供冷量8.11万GJ，全年累计供热量14.5万GJ，年累计发电量1.03亿kWh。若不考虑运行、折旧费用和补贴费用，每年可收入7395万元。

表7 全年累计能耗及经济性分析

3.3 环境影响分析

考虑到当前铁门关供热方式均为燃煤小锅炉的格局，根据《锅炉大气污染物排放标准》（2014），当天然气冷、热、电三联供能源站实施后，与同等规模小型燃煤锅炉房相比，在满足核心区冷、热负荷需求的前提下，每年可减少15.57万t二氧化碳排放，减少389t二氧化硫、40t氮氧化物排放。由此可见，发展城市天然气冷、热、电三联供系统可大大缓解环境污染的压力，提高环境品质。

4 结语

通过负荷因子法对铁门关核心区的冷、热负荷进行了详细的预测，较好的展示了逐时冷、热负荷的变化情况。天然气冷、热、电三联供能源站建成后可以提供8.1万GJ/a的供冷量、14.5万GJ/a的供热量和1.03亿kWh/a的电力，可以缓解全年电力及燃气峰谷波动较大的压力，同时每年可以减少15.57万t二氧化碳排放，减少389t二氧化硫、40t氮氧化物排放。

[1]CJJ 145-2010，燃气冷热电三联供工程技术规程[S].

[2]王振江.城市能源规划中建筑冷负荷预测方法研究[D].大连：大连理工大学，2010.

Analysis on Planning and Design of Natural Gas Cold，Hot and Electric Energy Supply Stations in Xinjiang

JIAO Xiao-long

In order to implement the"natural gas utilization policy"，"coal to gas"and other countries and Xinjiang region related policies，the article through the load factor method，Tiemenguan core area of different nature of the energy consumption needs of a detailed simulation,Planning and construction of a natural gas cold，heat，electricity triple for energy stations，to meet the core area of iron gate city cold，heat，electricity users with demand.Through the planning and analysis,natural gas cold，heat，electricity triple supply system for commercial,business and other core areas to provide 81,000 GJ/a of the cooling capacity，145，000 GJ/a heat and 103 million kWh/a of electricity，The system can be used as a supplement to the energy supply of Tiemenguan to create considerable economic and social benefits.

Xinjiang area； natural gas cold，heat，electricity triple for energy station； load factor method

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.001

TM611

B

2095-3429（2017）04-0001-05

焦小龙（1979-），男，陕西泾阳人，本科，工程师，副所长，主要从事暖通规划设计领域工作。

2017-05-08

修回日期：2017-06-22