基于用户需求不确定性的冷热电三联供系统运行经济性及灵敏度分析

李 伟，章维维，杨薏霏

（1.东北电力大学 经济管理学院，吉林 吉林 132012；2.国网长春供电公司，长春 130000）

1 冷热电三联供系统发展情况

冷热电三联供系统是一种建立在用户侧的分布式小型能源梯级利用系统。目前我国许多大型建筑设施内部，已经普遍安装冷热电三联供系统进行能源的供给，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。

国内对于冷热电三联供系统的研究已经相当成熟，主要涉及分布式能源系统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—4］。以上这些研究均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具有经济性。也有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［5—7］，说明系统与传统的能源供给方式相比，具有一定的经济性。但是到目前为止，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，系统并非全天按照额定功率运行，如此可能会导致系统在低谷时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，缩短系统的使用寿命。

为了更好地发挥系统的经济性，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，通过结合实际案例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。同时，本研究在此基础上，对系统运行过程中的电价及运行小时数等参数进行灵敏度分析，得到系统的最佳经济运行区间。优化的冷热电三联供系统，考虑了用户需求的变化以及峰谷电价情况，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。

2 系统运行方案

传统的冷热电联供系统的3种主要设备有原动机，制冷机，热交换设备，最基本的冷热电三联供系统包括燃气轮机、压缩式制冷机或吸收式制冷机以及发动机。为了保证用户用电需求，冷热电系统也可以与电网相连［8］。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，系统不配置蓄能装置，无蓄能装置的冷热电三联供系统如图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

3 系统运行费用分析

本研究以吉林省白城市某小区冷热电三联供项目改造工程为背景，对该市采用冷热电三联供系统的某小区用户进行分析，对配置蓄能装置的冷热电三联供系统的经济性以及灵敏度进行分析，并且考虑了实际运行过程中，用户用电安全等问题。吉林省白城市具有丰富的风电资源，政府为了鼓励风电消纳，率先实施了居民用户冷热电三联供示范试点工程。日前，国家能源局将白城市列为全国唯一的风电本地消纳综合示范区，本文以白城市的某居民小区为例，假设冷热电三联供系统安装在总面积为10万m2的住宅小区内，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—次年4月5日，共151天；余下时间为过渡期。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：

图2 带蓄能装置的冷热电三联供系统

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，一台型号为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［9—12］，系统的具体参数如表1。

表1 燃气轮机的技术指标

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。

假定在一个10万m2的住宅区共有1 000户用户，每户平均面积为100 m2。平均每家用户都安装1台规格为4 648 W（2匹）的空调，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 kWh/h。除此之外，每家用户的月耗电量大约为200 kWh。表3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2 制冷机组技术参数

表3 该地区的峰谷电价收费标准

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 h冷热需求情况

3.1 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计算出单台空调的耗电量为2 kWh/h，平均电价为0.455元/kWh。根据以上信息可以计算出该建筑的空调制冷成本为 2 kWh/h×9 h×153×1 000×0.455元/kWh=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

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1 206 754元。

如果系统全年无休并且以额定功率运行，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/kWh，该系统每年可满足用户的用电需求，则运行费用约为200 kWh×12×1 000×0.08元/kWh=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。

由于系统无蓄能装置，因此在用能高峰期要从电网额外购电，在用能低谷期要关闭设备或者以较低功率运行。根据用户全年的用能情况可知，需要关闭系统的时间段为过渡期的0:00～5:00，以及夏季的0:00～6:00。

考虑到系统关闭时间段节省的运行费用，无蓄能装置的运行费用为4 589 653元。所以，系统的年成本为1 206 754元+4 589 653元=5 796 407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7:00左右小幅度增加。在启动无蓄能装置系统时，热能需求高峰时段开启空调系统，同时需要上网购电。因此系统需从电网购电的时段为17:00～21:00，电价为0.562元/kWh，21:00～24:00以及6:00～7:00电价为0.329元/kWh。每户每天需额外缴纳电费2kWh/h×4h×0.562元/kWh+2kWh/h×4h×0.329元/kWh=7.128元。整个取暖季需额外缴纳电费为7.128元×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+5 796 407元+1 076 328元=8 125 805元。

3.2 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 kWh。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 kWh，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。

通过冬季供暖数据，可以大致估计本小区的供暖需求，凌晨0:00～6:00以及7:00～17:00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6:00～7:00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。

通过以上分析，计算出带蓄能装置比不带蓄能装置每年节省成本1 128 760元。可以得出：带蓄能装置比不带蓄能装置的系统更加经济。

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，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工作，即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适用。

4 带蓄能装置系统的灵敏度分析

通过以上对于带蓄能装置与未配置蓄能装置的系统进行经济性比较，可以得到带蓄能装置具有最佳的经济性，能够减少机组的关停次数，使机组全年保持额定功率运行。表5列示了带蓄能装置与未配置蓄能装置的系统各项运行成本的费用数据，依次对系统运行过程中电价及系统运行小时数的变动对系统经济性的影响，进行电价及运行小时数的灵敏度分析［17］。

表5 设备年运行成本 元

4.1 电价灵敏度分析

对于系统电价的灵敏度分析，本研究是在假设其他因素不变的情况下，测定电价的变动对于有无蓄能装置的系统经济性的影响，从而说明电价在一定区间变化时，选用何种系统最为经济。

假设白城市一天内的平均电价为P平，则无蓄能装置的运行费用与带蓄能装置的运行费用比较关系见表6。

由表6可以得到：当P平＜0.232元/kWh时，使用无蓄能装置是经济的；当P平≥0.232元/kWh时，使用带蓄能装置的冷热电三联供系统是经济合理的。

表6 电价灵敏度分析元

4.2 运行小时数灵敏度分析

如果该小区用户的实际用能需求量比预测量小，实际上不能达到上文提到的预计冷热电需求数量，用户就会在用能较少的情况下选择关闭冷热电机组，从而系统运行小时数减少，运行费用也相应减少。假设无蓄能装置全天并不能满负荷工作，其在用户需求低谷期需要关停系统，而在能源需求高峰期不能满足用户能源需求时需要开启空调设备制冷或供热。相比之下，配置蓄能装置的冷热电三联供系统可以全天以额定功率运行，用能低谷期蓄能，用能高峰期也不必借助空调供暖或制冷。但是当用能低谷期达到一定范围后，无蓄能装置的经济性将高于带蓄能装置的系统，假定其他因素不变，研究系统运行小时数的变动对于有无蓄能装置的系统经济性的影响，从而说明系统运行的一定区间内，选用何种系统最为经济。

根据图3可知，用户在用能低谷期会选择关闭无蓄能装置的系统，假设用户实际的用能低谷期比预计多，则系统实际关停xh，据此可以分析系统的经济性。

得到 x＞2 102 h。

通过计算可以得知，如果居民用户全年的用能低谷时段多于2 102 h，可以使用无蓄能装置的冷热电三联供设备，但是如果用户全年的用能低谷时段少于2 102 h，系统关闭的时间将低于2 102 h，无蓄能装置的年运行成本将会高于配置蓄能装置的系统。也就是说，每天用户的用能高峰期占到全天的24%就需要使用配置蓄能装置的设备，其经济性最佳。

5 结束语

通过以上计算和分析，本研究从年运行成本方面比较了蓄能装置与不带蓄能装置的冷热电三联供系统的经济性，得到在白城市目前的用户用能需求情况下，使用蓄能装置的冷热电三联供系统经济性最佳。同时，对电价及系统运行小时数进行灵敏度分析。通过计算电价变动的临界值，可以根据电价从以上2种方案中选择最为经济的方案；此外，通过计算无蓄能装置设备关停时间的临界值，可以根据用户高峰时段或低谷时段的比例情况选择合适的方案。本研究通过定量化的计算，对冷热电三联供系统的经济性进行评价，并且结合实际情况，考虑了电价的波动和用户用能的不确定性，计算比较得到最经济的运行方案，在实际应用中数据易得，运算简便，具有一定的实践意义。D

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