太阳能与冷热电三联供系统耦合特性分析

杨镇阁 杨天海 李琦芬 胡慧忠

1.上海电力学院能源与机械工程学院2.上海明华电力技术工程有限公司

太阳能与冷热电三联供系统耦合特性分析

杨镇阁1杨天海2李琦芬1胡慧忠1

1.上海电力学院能源与机械工程学院2.上海明华电力技术工程有限公司

以太阳能与冷热电联供集成系统为研究对象，设计了光伏组件、太阳能集热器与冷热电联供集成的多能互补系统，构建了以光伏组件与太阳能集热器的耦合率为特征参量的负荷分析模型，以传统分供系统为参照对象，提出了节能减排率作为本系统的评价指标，通过全年逐时供给模式下的“热跟随”和“电跟随”两种运行策略的研究，结果表明：当联供系统按照 “以热定电”选型运行时，使用光伏组件是太阳能与联供系统的最佳耦合方式；当联供系统按照“以电定热”选型运行时，存在最佳的耦合比例。

多能互补；三联供；光伏组件；太阳能集热器；节能减排率；耦合率

能源消费紧张，节能形势严峻，环境污染严重，减排压力上行。近年来，国家大力发展清洁能源，以期解决上述问题，取得节能减排的效果。太阳能作为清洁能源的代表已经得到了广泛的使用，使用光伏组件和太阳能集热器是最为普遍的用能方式，但太阳能能流密度低、不连续的特性也限制了其大规模发展；冷热电三联供系统以其节能减排的优点一直处于研究热点；多能互补将清洁能源与冷热电三联供相结合，一方面将清洁能源就地取用，另一方面减小联供机组容量，提高了机组的使用效率，是近年来国家大力推行的用能方式[1]。

目前，有关太阳能与冷热电三联供系统结合的研究大多集中于运行策略和优化设计方面。文献[2]以经济、能源和环境为优化目标，对冷热电三联供系统不同运行模式之间的调度策略进行了研究。文献[3]介绍了小型离网型太阳能冷热电联供系统，分析了系统的运行策略。文献[4]研究了太阳能以光伏形式对冷热电联供系统的运行优化。文献[5]研究了太阳能以太阳能集热器形式对冷热电联供系统的集成优化。文献[6]以平板换热器和光伏作为太阳能利用形式，对联供系统的配置进行了优化。可见，国内外学者分别对太阳能的利用与冷热电三联供系统的集成方面都做了大量的研究，但对二者相结合的普适性研究还略显不足。

本文介绍和分析了太阳能与传统三联供系统的耦合问题，将光伏组件、太阳能集热器结合到三联供系统当中，共同对需求侧供应冷、热、电，对多种供能模式下的三联供系统建立了相应的数学模型，按照 “以热定电”和“以电定热”两种选型运行方式，一方面分析了机组容量的选取对节能减排率的影响，另一方面分析了光伏组件与太阳能集热器不同耦合比例下对节能减排率的影响。最后结合上海某实例进行分析，针对全年逐时负荷情况，分析了多种能源供给模式下的光伏组件与太阳能集热器的耦合比例，优化了太阳能联供机组的容量，对多能互补的进一步发展提供了有益的参照和借鉴。

1 多能互补的太阳能三联供系统

1.1 系统构思

多能互补的太阳能三联供系统主要由光伏组件、太阳能集热器和传统三联供系统组成，系统流程图如图 1 所示。

图1 太阳能与三联供的耦合系统

在系统中，通过燃气轮机发电和光伏发电来供应电力负荷，不足部分通过电网提供，同时充分回收发电余热，通过换热器来采暖和提供生活热水，与光伏集热器一起共同承担负荷，不足热负荷通过燃气锅炉提供，通过吸收式制冷机供应冷负荷，辅以电制冷机增强供应可靠性。为达到最大节能减排效果，将太阳能的发电，产热作为第一优先级使用。

1.2 系统运行策略

系统选型、运行策略的选择很大程度上决定了系统运行性能的优劣。当前应用最广泛的是“以电定热”和“以热定电”这两种策略。“以电定热”顾名思义，就是根据电负荷的变化来确定机组的选取容量，然后机组以优先满足电负荷为标准运行，产生的余热制冷或供应热负荷，不足部分由燃气锅炉提供。“以热定电”就是将热负荷作为选型、运行依据，将热负荷的供应作为优先考虑，产生的电力供应电负荷，不足部分由电网供应。

2 数学模型

2.1 太阳能系统

光伏组件的发电量和太阳能集热器的发热量主要取决于采光面积和当地的辐照量。一旦使用面积确定，其各自的容量也就确定下来，由于实际工程中，可用使用面积是一定的，故二者之间使用存在制约关系。光伏组件，太阳能集热器的工作功率如式（1）（2）所示：

式中，EPV为光伏组件发电效率，ESC为光热转换效率，HA为倾斜面逐时太阳能辐射量，K1光伏组件的综合效率系数，K2为光伏组件耦合率，S为屋顶面积（可用使用面积），T1为光电转化效率 ，T2为光热转换效率。为了便于贴近工程实际应用，根据《光伏发电站设计规范》[7]GB50797，光伏组件的综合效率系数如表1所示。

表1 光伏组件综合效率系数表

2.2 三联供系统

（1）传统能源系统

以传统热电分供系统作为参照系统，由此，对于给定建筑，其年一次能源消费量如式（3）所示：

式中，Ft为传统能源系统年一次能源消耗总量，ηgrid为电网供电效率,COPec为电制冷效率，ηb为锅炉热转换效率，EE为电负荷，EC为冷负荷，EH为热负荷，i为第i小时。

根据上述计算得到了一次能源消费量，传统能源系统的年CO2排放量可由式（4）计算。

式中，Ct为传统能源系统年CO2排放量，Tgrid为电厂碳排放系数，Fb为燃气锅炉耗能量，Tgas为天然气碳排放系数。

（2）太阳能冷热电联供系统

在太阳能冷热电联供系统中，将给定建筑群作为一个整体考虑，根据前述整个系统运行策略，计算其年一次能源消费量，主要包括电网购电所折算一次能源消费量，以及原动机和燃气锅炉所消耗燃气量，如式（5）所示：

表2 系统技术参数设定

式中，FSC为系统年一次能源消费总量，为 时刻电网购电量，光伏i时刻发电量，为原动机发电量，为原动机逐时发电效率，为天然气锅炉逐时供热量，i 为太阳能集热器i时刻集热量。

对于太阳能冷热电联供系统，其年CO2排放量可由式（6）求得。

式中，CSC太阳能冷热电联供系统温室气体排放量。

表2为本文分析所涉及的相关设备技术参数。

需要指出的是，本文考虑了原动机在部分负荷变工况运行时，发电效率和余热回收效率会发生变化，在容量相近的机组之间存在相近的特性。根据文献[8]查得不同负载率下燃气发电机组的发电效率和热回收效率可计算如下：

2.3 系统评价指标

由于太阳能的不连续性，为了更好地揭示节能效果，直观地表现评价指标，本文使用全年相对节能率ESR（Energy saving ratio）和全年相对减排率COR（emission reduction ratio）作为评价准则，并以此为基础，提出节能减排率EC（Energy conservation and emission reduction ratio）：

图2 原动机发电、热回收效率随机组负载率的变化曲线

式中，EC值越小，说明太阳能冷热电联供系统相对于分产系统的整体效益越好。本文选取原动机额定功率和光伏组件耦合面积为优化变量。

3 实例分析

本项目的全年负荷预测采用由清华大学开发的DeST软件进行，本项目设计日负荷采用华电源HDY-SMAD空调负荷计算软件进行计算。其中住宅建筑设为13层，建筑面积2 334m2；办公建筑亦为13层，建筑面积7156 m2。建筑的外墙、楼板和屋面均为钢筋混凝土结构，内墙为普通砖，外窗均为镀low-e膜中空玻璃。所有功能房间夏季室内温度设定为26℃,冬季室内温度设定为20℃。通过确定室内环境控制参数、室内热扰参数、维护结构参数，模拟得到建筑的全年逐时负荷，

其年负荷统计如表3所示。

表3 全年负荷概况

图3 全年逐时热负荷图

图4 全年逐时电负荷

图5 “以热定电”模式下太阳能联供系统的优化曲线

图6 “以电定热”模式下太阳能联供系统的优化曲线

本项目进行了全年8 760 h的逐时空调冷负荷、空调热负荷及电负荷计算。供冷时取同时使用系数为0.7，供热时取同时使用系数为0.65。全年空调逐时热负荷如图3所示，全年逐时电负荷如图4所示。

将分供系统和太阳能联供系统分别用于该建筑，由上述数据和公式得到优化结果。两种运行策略下太阳能联供系统的综合性能优化过程曲线如图 5、6所示。从图中可知，图中目标函数多数为正值，这说明无论采用哪种运行模式，太阳能联供系统的性能都要优于分供系统。对于“以热定电”策略来说，最优光伏耦合比例为100%， 这表明此时全部太阳能都用于发电，节能效果最好，原动机的最佳容量是350 kW。在“以电定热”模式中，太阳能联供系统的节能减排特性随着光伏耦合比例的增加逐渐达到峰值，之后开始回落，最优光伏耦合比例为84%，大部分太阳能用于发电，少部分用于制热。当随着机组容量的增大，节能减排率表现出较强的波动性，机组容量达到161 kW之后，节能减排率开始整体性下降。

两种模式下效果迥异的原因是负荷特征所导致的。分析图3，图4可知，全年热负荷均值要高于电负荷，并表现出强烈的波动性，而电负荷则相对平稳。在“以热定电”模式下，优先考虑热负荷的供应，导致电出力不足，故需要光伏发电作为补充；在“以电定热”模式下，需要以电负荷作为出力指标，当原动机组容量小于电负荷峰值时，需要电网输电补充，故提高光伏耦合比例会快速提高节能减排效果，节能减排曲线出现较强变化，先急剧上升，当接近峰值后趋于平稳，此时电负荷基本满足，加装太阳能集热器补充热负荷才是最佳的选择。

4 结论

本文设计了集成太阳能利用的三联供系统，对需求侧供应冷、热、电三种产品。以上海某实例分析，按8 760 h/a为分析周期，与传统分供系统作比较，同时进一步比较采用不同法方法下了机组的容量选择，得出以下结论：

（1）太阳能联供系统无论采用哪种运行模式，其能源和环境效益都要优于分供系统；

（2）太阳能与联供系统的集成存在最佳的组合方式；在“以热定电”模式下，适合全部以光伏形式进行集成，联供机组的最佳容量为350 kW；在“以电定热”模式下，光伏的最佳耦合比例为84%，对应联供机组的最佳装机容量为161kW。

太阳能与联供系统相结合，为解决当前联供系统效率不高的问题给出了新的思路，光伏与太阳能集热器合适的耦合比例会产生更好的节能减排效果，同时，传统的机组选型方法和运行策略都要针对需求侧的负荷特征重做考虑，以提高整个系统的节能性。

1国家发展改革委. 《国家能源局关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》. 发改能源[2016]1430号.2016.7.4

China national development and reform commission, the implementation of the national energy administration's implementation of the implementation of the multi-energy complementary integration optimization demonstration project, and the implementation of the energy reform (2016) 1430

2荆有印,白 鹤,等. 太阳能冷热电联供系统的多目标优化设计与运行策略分析[J]. 中国电机工程学报,2012,(20):82-87+143.

Jing Youyin,Bai He, et al.The multi-objective optimization design and operation strategy analysis of [J]. Chinese Journal of Electrical Engineering 2012 (20): 82-87+143.

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6 Annamaria Buonomano, Francesco Calise.Solar heating and cooling systems by absorption and adsorption chillers driven by stationary and concentrating photovoltaic_thermal solar collectors_ Modelling and simulation,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 81, Part 1,January 2018, Pages 1112-1146.

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China Federation of power enterprises.GB 50797-2012, photovoltaic power station design specification [S]. (CN-GB), 2012.

8 Yasuhiro Higuchi, Ryo Nakayama, et al. Environmental evaluation of a combined system composed of micro grid and district heating and cooling[J]. Transactions of the JSME, 2015, 81(827):161-177 (in Japanese).

黄浦区节能降碳工作获市节能降碳考核组好评

近日，上海市节能降碳目标责任评价考核组到黄浦区开展年度节能降碳工作考核。

市考核组通过走访、查阅了12大类、100余份节能工作材料，充分肯定了黄浦区的节能工作，认为黄浦区节能工作有4大亮点：（1）节能降碳评价考核机制健全、落实到位。（2）试点示范全面推进。（3）增加资金投入，强化能力建设。（4）开展节能低碳项目国际合作。

黄浦区需求侧管理示范项目被国家发改委列为中美合作项目。开展北京东路地区、台湾路等慢行交通国际合作研究。

Characteristics Analysis of Solar Power and CCHP Coupling System

Yang Zhenge1, Yang Tianhai2, Li Qifeng1, Hu Huizhong1
1.Shanghai Electrical Power University Energy and Mechanical Engineering College 2.Shanghai Minghua Electrical Power Technology Engineering Co.，Ltd

The author chooses solar power and CCHP integration system as research object and designs photovoltaic module and solar collector with CCHP integrated multi-energy complementary system and constructs load analysis model with photovoltaic module and solar collector coupling rate as characteristics parameter. The article selects traditional CCHP as reference object and puts forward energy saving and emission reducing rate as system evaluation index. Through ‘thermal following’ and ‘electric following’ operation strategy research under the condition of annual hourly supply model, the results show that using photovoltaic module is the best coupling method for solar power with CCHP system when system chooses ‘electric counts on thermal’ operation. There is the best coupling proportion when CCHP chooses ‘thermal counts on electric’ operation.

Multi-Energy Complementary, CCHP, Photovoltaic Module, Solar Collector, Energy Saving and Emission Reducing Rate, Coupling Rate

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.005

杨镇阁：（1992-），男，硕士研究生，研究方向：分布式能源及多能互补技术。

杨天海（1969-），男，高级工程师。

（区发改委）