容量配置对三联供系统经济性的影响研究

2018-06-19贺越阮应君张春雁吴家正

建筑热能通风空调 2018年12期

贺越阮应君张春雁吴家正

1同济大学机械与能源工程学院

2国网上海综合能源服务公司

0 引言

在研究三联供系统经济性时，需要明确系统的运营模式。系统的运营一般可以分为两种模式，一种以盈利为目的，另一种不以盈利为目的。本研究建立在以盈利为目的的模式上。以盈利为目的的运营模式，设备投资主体为能源服务公司，运行时消耗的能源费用由能源服务公司承担，能源公司向建筑业主提供冷、热、电力并收取相应的费用。

本研究以宁波地区的某办公建筑作为冷热电三联供的对象，分析了在设计投资阶段，内燃机容量和吸收式制冷机容量的组合对系统经济性的影响，给出了容量配置范围参考表，同时提出了适用于该地区办公建筑的容量配置比。本研究可为宁波地区办公建筑三联供系统的设计投资预期提供参考。

1 系统模型

传统供能系统中，建筑的冷、热、电供应相对独立。建筑的电力供应只是由集中电网提供。而建筑的冷负荷需求通常是由空调制冷系统满足，一般情况下空调能耗仅由电力提供。

三联供系统供能形式则不同于传统供能形式，由于发电原动机和吸收式制冷机的加入，供能方式可变性增强[1-2]。原动机燃烧天然气进行发电，同时回收余热进行供热，天然气可实现热负荷电负荷双线供应。联供系统综合热量由原动机和燃气锅炉同时提供。离心式电制冷机组和溴化锂吸收式制冷机组混合制冷，冷负荷供应方式增加。两种系统的供能结构对比如图1所示。

图1 系统供能结构对比

本研究建立了三联供系统的系统模型，同时还建立了传统系统的模型作为对比研究。

1.1 系统运行策略

本研究中三联供系统采用“以热定电”的运行模式[3-4]。该模式指三联供系统优先满足热负荷需求的供应，在选定原动机发电容量后，根据原动机热电比，原动机最大与余热输出能力随之确定，这里的最大余热输出能力可作为原动机余热容量。在热负荷需求低于余热容量的情况下，原动机调整余热输出以完全满足热负荷需求。此时原动机电量输出随余热输出变化，将该发电量与电负荷需求量进行匹配，当电量供给不足，从集中电网购电。在热负荷需求高于余热容量的情况下，原动机满负荷运行，热负荷不足的部分通过锅炉补充。该运行模式的公式表达如下：

先对需求侧冷、热、电负荷进行转换，将建筑冷负荷需求通过离心式、吸收式制冷组合系统转化为电需求和热需求，再分别加到建筑原来的电负荷、热负荷需求中，形成总热负荷需求量Htotal和总电负荷需求量Ptotal：

式中：LCooling，LHeating，Lpower分别表示建筑的冷、热、电负荷需求，kWh；CCE-CH，CAB-CH分别表示离心式制冷机组制冷量和吸收式制冷机组制冷量，kWh；Htotal表示在冷负荷需求经过转换后的热需求总量，kWh；Ptotal表示在冷负荷需求经过转换后的电力需求总量，kWh；表示吸收式制冷机组容量，RT。

式（1）表示制冷过程优先考虑吸收式制冷，这样可以使得夏季的原动机余热得以充分利用，保证“以热定电”策略下原动机在夏季的运行时间。

然后对得到的总热负荷需求量Htotal的总电负荷需求量Ptotal进行“以热定电”配置：

式中：Hboiler表示锅炉热供应量，kWh；表示原动机余热供应量，kWh；表示原动机发电量，kWh；Pgrid表示电网购电量，kWh；表示原动机发电容量，kW；ηGE，分别表示原动机发电效率和余热利用效率。

以上各式中建筑负荷需求为逐时负荷需求。上述各式表示在“以热定电”模式下，三联供系统中逐时的能流关系。

1.2 系统评价指标

本文采用的评价方式是经济性评价，指标有投资回收期、年运行收益、系统投资。进行评价时，以传统系统作参考。

式中：RCCHP，Rcon分别表示三联供系统和传统系统的年运行收益，元；SCCHP，Scon分别表示三联供系统和传统系统的设备投资，元；u表示电网购电价格，元/kWh；v表示天然价格，元/kWh；表示三联供系统原动机容量，kW；分别表示三联供系统离心式机组容量和吸收式机组容量，RT；分别表示三联供系统和传统系统锅炉容量t/h；表示传统系统离心式机组容量，RT；CGE表示原动机单位容量设备费用，元/kW；Cboiler表示锅炉单位容量设备费用，元/t·h-1；CCE-CH，CCAB-CH分别表示离心式机组和吸收式机组单位容量设备费用，元/RT；m表示维护费用系数，取0.05。

式中：i表示折现率，这里取贷款基准利率；t表示时间，年；R可由RCCHP和Rcon分别替代，S可由SCCHP和Scon分别替代，再通过式（14）可分别计算得出PBPCCHP和PBPcon。

这里PBP表示投资回收期，PBPCCHP和PBPcon分别表示三联供系统和传统系统的投资回收期，其含义为自系统建成开始运行后，当运行总时间大于该回收期后，系统开始盈利，且每年盈利收入等于每年运行收益R。

2 计算条件

本研究供能对象为宁波市某典型办公建筑，通过软件模拟，预测该建筑全年能耗，作为建筑侧负荷需求来源。将建筑能耗数据与当地能源价格数据导入已建立的系统模型，将机组容量的组合作为变量进行调整。由于，目前国内第三方能源服务的并网政策机制尚不完善，本研究中三联供并网模式为“并网不上网”。

2.1 建筑负荷预测

运用模拟计算软件能快速方便地计算出逐时动态负荷[5-6]。本文所使用的模拟软件为DesignBuilder，通过导入典型建筑信息参数及宁波市气象参数，得到办公建筑的全年逐时能耗数据如图2。该办公建筑的建筑面积为50120 m2。该办公建筑冷、热、电全年能耗指标统计如表1所示。

图2 建筑全年逐时能耗

表1 建筑全年能耗统计

2.2 能源价格参数及系统参数

本研究中电网电价参数采用分时电价，当地电价数据如表2 所示（2017-7-1发布）。由于宁波地区尚无冷热定价政策，本研究中冷热价数据参考上海世博B片区能源中心冷热价格数据，按冷热同价，均为0.5 元/kWh。本研究中选择内燃机作为发电原动机，价格参数及系统参数如表3所示。

表2 电网电力价格参数

表3 系统价格及效率参数

3 结果与分析

3.1 容量配置对经济性的影响

在系统的设计投资阶段，价格参数为已知参数，机组容量是变量参数。因此，容量组合的变量参数有两个，一个是内燃机容量，另一个是吸收式制冷机容量。

容量的变化范围区间依据的是图2的逐时能耗曲线。本研究中设定的并网条件为“并网不上网”，而能耗曲线建筑电负荷峰值为1000kW，所以内燃机容量范围上限取1000kW，避免容量选取过大。内燃机容量范围下限取100kW。根据式（1），冷负荷优先由吸收式制冷提供，而根据表3系统参数内燃机发电效率与余热利用效率相当，吸收式制冷机容量范围上限取350RT，即1231kW，与1000kW的内燃机余热出力相接近，以保证夏季利用内燃机余热进行吸收式制冷，从而保证内燃机全年的利用小时数。吸收式制冷机容量范围下限取50RT。

对于CCHP系统，容量组合对投资回收期的影响如图3所示。当容量配置为1000kW/50RT（前者表示内燃机容量后者表示吸收式制冷机容量，下文同）时，投资回收期最长，为9.30年。当容量配置为100kW/50RT时，投资回收期最短，为5.55年。回收期最长与最短相差3.75年。

图3 投资回收期随容量组合的变化曲面

在内燃机容量保持1000kW不变时，随着吸收式制冷机容量配置的上升，回收期下降明显，容量配置为1000kW/350RT时，回收期降至6.45年，比最大回收期下降30.6%。不过这一规律随着内容燃机容量的降低而改变。当内燃机容量为100kW时，回收期会随着吸收式制冷机容量的上升而上升，不过变化幅度不大，当容量配置为100kW/350RT时，回收期为6.08年。当吸收式制冷机容量保持50RT不变，内燃机容量下降时，回收期同样有明显下降。1000kW/350RT的配置与100kW/50RT的配置相比，回收期仅升高0.90年。

图4为图3中数据点的二维表示，选取了中4组吸收式制冷机容量不变的情况下，投资回收期随内燃机容量变化的数据。从变化曲线可以更直观的看出，在容量组合过程中，随着吸收式制冷机容量的增大，在调配内燃机的容量过程中，投资回收期的变化幅度在减小。因此，在设计阶段在机组选型时，配置大容量级别的吸收式制冷机更有利于减弱内燃机选型对回收期带来的影响。

图4 投资回收期随容量组合的变化曲线

图5 投资随容量组合的变化曲面

对回收期随容量组合的变化规律进行分析：影响投资回收期的因素有系统投资和年运行收益。投资随容量配置的变化如图5所示，容量配置为100kW/50RT时投资最小757万元，容量配置为1000kW/350R曲线T时投资最大1231万元，在三维坐标中近似为一个平面。而年运行收益随设备容量组合的变化如图6所示，当容量配置为1000kW/350RT时年运行收益最大228.14万元。当容量配置为100kW/350RT时年运行收益最小154.48万元。

图6 年运行收益随容量组合的变化曲面

由图4联系图5：当配置为1000kW50RT时，投资水平较高，而收益水平较低，回收期最长。当配置为1000kW350RT时，虽然投资最大，但收益也最大，而经过计算得回收期较短。当配置为100kW350RT时，虽然收益最低，但是投资小，计算结果为回收期较短。当配置为100kW50RT时，虽然收益较低，但投资最小，计算结果为回收期最短。回收期是投资和收益综合影响的结果。

对于三联供系统，宁波地区的天然气价格较低，有利于天然气发电[7-8]，使天然气发电有正运行收入。在以热定电运行模式下，选择更大容量的内燃机意味着系统在冬季能通过发电满足更高的峰值电力负荷需求，从而提高发电量，提高运行收入。如果吸收式制冷机容量不随之提高，内燃机在夏季的利用小时数就难以保证，内燃机在夏季的“冗余容量”就会增多，“冗余容量”只会增大投资而不会提高运行收入。因此，在系统选型时容量的组合应该在合适的范围内，容量的配置需按照配比进行。

需要指出的是，本研究中的系统是以盈利为目的建立的系统。实际上，研究中投资回收期的含义为：自系统建成开始运行后，当运行总时间大于该回收期后，系统开始盈利，且每年盈利收入等于每年运行收益。经济性评价不能只依据回收期，还需要投资者考虑自己的实际需求或目标，以及投资贷款的限额。比如，根据本研究中回收期的计算结果，如果投资者担心远期市场风险希望尽快回收而且看轻回收后的收益，在设计阶段可以选择100kW/50RT的配置，此时投资回收期为5.55年，年运行收益为159.50万元。如果投资者看重回收后的收益，对回收期要求不高，在设计阶段可以选择1000kW/350RT的配置，此时投资回收期为6.45年，年运行收益为228.14万元。因此，本研究给出的容量配置范围参考表，如表4。

表4 办公三联供系统容量配置范围参考表

表4根据模型的计算数据，给出了投资回收期小于7年时，容量配置的参考范围及相应的回收期、收益、投资参考范围。在确定内燃机容量规模后，可通过该表查出吸收式制冷机容量规模的建议配置范围，以及相应的回收期、运行收益、系统投资预期范围。投资方可据此制定满足自己投资预期的容量组合方案。

研究中作为参考的传统系统，其回收期为5.44年，运行收益为149.20万元，投资为696万元。

3.2 容量配置比

根据容量组合对回收期的计算结果，得到如图7所示的容量配置比拟合曲线，其中：在内燃机容量（单位为kW）一定的情况下，取使得回收期最短的吸收式制冷机容量（单位换算为kW）为纵坐标Y的值，以该内燃机容量作为横坐标X的值，构成表示容量组合的数据点。再改变内燃机容量，找到各内燃机容量值下，回收期最短的数据点。对这些点进行线性拟合得到图7中的拟合曲线。由拟合曲线可以的到式（15）。

图7 容量配置比拟合曲线

式中：θ为本研究提出的容量配置比，建议宁波地区的办公建筑按1.32:1的比例配置系统吸收式制冷机与内燃机的容量时；Y和X分别表示需要配置的吸收式制冷机容量大小和内燃机容量大小，kW。以此比例配置吸收式容量的方案，可以保证比同等内燃机容量下的其他方案更快的回收投资。

图8为各经济参数随设备容量的变化，其中吸收式制冷机与内燃机容量按比例θ=1.32配置。

图8 经济参数随配置容量的变化率

采用三联供系统后，相比传统系统，年运行收益提高了，但由于设备方面的投资，回收期也增大了。图8中纵坐标表示以传统系统作为参考，三联供系统各经济指标变化率。当三联供系统按容量配置比θ=1.32同时增大内燃机容量和吸收式制冷容量时，回收期的变化率由2.0%提高到18.5%，变化幅度不大，这意味着按照配置配置容量时，系统投资都易于回收。而运行收益由6.9%提高到52.9%，变化幅度大，这意味着在满回收期后，系统每年可以为投资者带来可观的收益。当然投资幅度也随着容量的增大而显著提升，因此投资者还需根据自己投资能力和收益需求确定容量规模。