能源规划中区块化供能方案及运行策略分析

金海魁，王 健*，阮应君，金冯梁

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092；2.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092；3.浙江浙能能源服务有限公司，杭州 310013)

能源的低碳、绿色、智慧成为21世纪很重要的词汇之一，被多频次、多场合提及。在此前提下，国际上主要发达国家纷纷提出建立低碳绿色的能源示范区，其中美国提出2030 年建立净零能耗能源体系，英国2019 年公共建筑达到零碳，德国2020 年新建建筑达到近零能耗，芬兰计划率先打造全球第一个零碳城市等。

中国已确定了6 个低碳试点省区，36 个低碳试点城市，至今大陆31 个省市自治区当中除湖南、宁夏、西藏和青海以外，每个地区至少有一个低碳试点城市[1]，“十三五”期间国家将组织创建100 个国家低碳示范社区，将低碳理念融入社区规划、建设、管理和居民生活之中，推动城乡社区低碳化发展。尽管如此，如何在能源示范区建立高效互联的能源系统仍需要持续研究和创新。

总结了近几年国内外学者在区域综合能源规划方面的研究，其中易文飞等[2]以冷热供应为基础研究了区域综合能源站选址及能源传输管网路径优化布局问题；刘迪等[3]对综合能源中的电、冷、热等多能协同分配问题做了优化研究；龙惟定[4-5]基于需求侧提出了能源总线的概念，并在中国多个项目上有所应用；雷雨[6]以京津城市群为例，对多元不确定区域能量系统进行了柔性随机规划方法的研究；洪博文[7]对双层总线结构的模块化区域用户级能源系统进行规划研究。

图1 居住建筑和公共建筑区位

基于对区域综合能源领域文献的分析，国内外学者对于能源系统从源网荷储等方面都进行过相关研究，从可再生能源与传统能源的耦合配比优化到能源系统微网的打造，再到需求侧的特性匹配，最后到储能系统的研究。本文的区块化供能是在具有共同特性的地块打造高效精确的能源系统，其供能方式具有灵活化、精确化、高效化、自治性的特点，并结合区块化能源系统用能时间的不同特征，可打造区块化能源总线模式，实现能源系统之间的匹配互联。

以某区域能源规划实际项目为基础，从区域能源需求的预测分析入手，结合系统侧和储能侧，力求打造源网荷储综合考量的高效节能的区块化能源系统。根据各片区周边可再生资源禀赋，打造海水源热泵能源总线系统，并进一步阐述该系统的相关适用性和运行策略，对于区域能源项目中的系统运行具有一定的必要性和指导意义。

在能源系统方案选型和能源总线的应用上具有一定的创新性和借鉴性。能源方案利用混合整数线性规划对系统进行优化设计，以最小年化成本为目标函数，确定能源系统最佳配置方案；结合两个地块的用能时间特性打造能源总线系统，提高整体能源效率，对于能源总线系统在实际项目中的应用具有一定的实践意义。

1 项目概况

项目建筑分为公共建筑和居住建筑两类，公共建筑又分为商业、商办混合和研发办公等类型；居住建筑总面积为130.31×104m2，公共建筑总面积为153.60×104m2。能源系统也将分建筑类型打造居住建筑区块化能源系统和公共建筑区块化能源系统；由于各类型建筑在用能方面的互补性，打造区块化能源微网将有助于实现区域能源的互联互通、互补互济，并提高综合能源效率。

2 负荷预测

居住建筑及公共建筑的负荷由DesignBuilder 软件进行模拟预测，软件利用具有代表性的标准建筑进行建筑冷热电负荷模拟，得到建筑冷热电负荷的逐时动态特性[8]。

Design Builder软件中的参数设置主要包括建筑外形参数、围护结构热工参数、内扰参数和室内外设计参数等[9]。上述参数均按《浙江省居住建筑节能设计标准》(DB 33—1015—2015)和《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)规范选择。

区域能源规划中大部分建筑为未建建筑，建筑外形参数经简化原则，建筑底面形状统一为矩形；其他的建筑外形几何参数在模型样本量确定过程中基本确定，可以在 DesignBuilder 软件里建立简化的计算模型[10]，图2为标准建筑模型及分区情况。

图2 标准建筑模型及分区

2.1 居住建筑负荷预测

居住建筑标准模型面积为12 527 m2，单层建筑面积约为750 m2，共18层，属于多层住宅建筑。根据标准居住建筑负荷预测结果和居住建筑总面积，得到区块内居住建筑总的典型日冷、热、电负荷，如图3所示。

由图3(a)、图3(b)可知，居住建筑的典型日冷热负荷曲线的趋势是一致的，但由于地域问题，居住建筑的冷负荷需求大于热负荷需求，冷热负荷需求峰值均出现在晚上21:00左右。该片区居住建筑总面积为130.31万m2，其冷、热、电负荷峰值和年总负荷详如表1所示。

图3 居住建筑典型日负荷曲线

表1 居住建筑负荷

2.2 公共建筑负荷预测

办公建筑标准模型面积为33 940 m2，单层建筑面积约为1 500 m2，共20 层；商业建筑标准模型面积为56 916 m2，单层建筑面积约为7 500 m2，共8 层；根据标准公共建筑负荷预测结果和不同类型建筑总面积，得到区块内公共建筑总的典型日冷、热、电负荷，如图4所示。

图4 公共建筑典型日负荷曲线

由图4(a)、图4(b)可知，公共建筑的典型日冷热负荷曲线的趋势基本也是一致的；公共建筑的冷负荷需求在9:00—17:00相对平衡，峰值达到290 MW左右；热负荷峰值在10:00左右，大约123 MW，并且公共建筑中冷负荷需求远大于热负荷需求。该片区公共建筑总面积153.60万m2,其冷、热、电负荷峰值和年总负荷详如表2所示。

表2 公共建筑负荷

3 区块化能源系统供能方案

能源方案利用混合整数线性规划对系统进行优化设计，结合源网荷储四个方面，以最小年化成本为目标函数，能量平衡、环境低影响、设备生产能力为约束，确定能源系统最佳配置方案。

3.1 公共建筑能源系统供能方案及投资估算

当地冬、夏季海水水温适宜用作热泵冷热源，可在公共建筑集中用能区域规划较大规模海水源热泵设施，结合发电系统、冷热源系统和储能系统打造复合式能源系统。并与另一居住建筑片区结合打造海水源热泵能源总线系统。其能源系统形式如图5所示。

图5 公共建筑能源系统形式

该片区能源系统采用天然气内燃机+吸收式制冷+电制冷+海水源热泵+储能罐。设备清单详如表3所示。

在规划区建设进程初期，负荷率不足50%的时候，建议优先配置3 MW内燃机1 台、对应1 台3 MW吸收式制冷机、1 台5 MW海水源热泵、离心

表3 公共建筑能源系统设备

式冷水机组10 000 RT和15 t·h-1的锅炉。随着建设进程完善，逐步配置全部机组。

冬、夏季能源系统运行策略示意如图6所示。

图6 冬、夏季能源系统运行策略示意图

夏季供冷运行策略：①优先满足内燃机使用10 h，吸收式制冷并通过蓄热削峰填谷；②其次尽量使离心式冷水机组满负荷运行；③剩余冷量由海水源热泵提供。

冬季供热运行策略：①优先满足内燃机使用10 h；②其次通过蓄热削峰填谷；③剩余使用海水源热泵制热，其中运行策略如表4所示，冬夏季各机组负荷分配如图7所示。

表4 分布式能源站系统运行策略

图7 冬、夏季各机组能源供给占比

公共建筑分布式能源站投资及运行费用估算如表5所示。公共建筑片区方案，系统初投资总计34 177万元，运行费用总计4 631万元，运行收入总计8 116万元，投资回收期为9.81年。

表5 公共建筑分布式能源站投资及运行费用估算

3.2 居住建筑能源系统供能方案及投资估算

能源总线系统(energy bus system，EBS)是近年来被提出的一种可实现在区域范围内冷、热能量互通互融的新系统，是一种集成化规模化应用在区域内的低品位能源、可再生能源及未利用能源的低碳区域供冷供热能源系统。能源总线系统半集中的末端系统形式不但可以规避区域供冷系统末端负荷率低导致的系统能效降低的问题，还可以在区域级别上集成应用多种天然冷热源，同时回收热量，提高系统能效比。

根据居住建筑片区的负荷预测结果，可知居住建筑总负荷需求相对较低，可以首选低品位热源、可再生能源及热回收的利用，并综合考虑到收费及运行围护管理因素，居住建筑适宜采用能源总线的方式进行供能，又由于居住建筑和公共建筑在冷热需求时间上具有互补性，因此居住建筑冷热负荷和公共建筑部分冷热需求适宜采用能源总线进行供能。

能源总线系统方案中，系统消耗电能向用户供冷供热，主要投资为海水侧站房及管线投资等，系统原理如图8所示。

本方案中能源总线初投资根据建筑面积确定参考价为35元/m2，其相应投资及费用估算如表6所示。

图8 居住建筑能源系统形式

表6 能源总线系统投资及运行费用估算

该区居住建筑方案系统初投资总计4 560万元，运行费用总计2 516万元，运行收入总计2 993万元，投资回收期为9.56 年。

4 结论

旨在打造区块化能源系统，通过对居住建筑和公共建筑地块进行针对性负荷预测，并结合地块周边可再生资源禀赋，打造绿色高效的区块化能源系统，从以上分析和计算中，得出如下结论。

(1)通过对居住建筑和公共建筑的用能需求分析，得到居住建筑和公共建筑典型日负荷曲线，利用居住建筑和公共建筑在用能时间上的互补性，规划公共建筑能源系统组合为天然气内燃机+吸收式制冷+电制冷+海水源热泵+储能罐，居住建筑利用海水源能源总线系统进行供能。

(2)通过对居住建筑和公共建筑能源系统初投资、运行费用、收益等的分析计算，得出居住建筑和公共建筑的动态回收期在9 年左右，相对合理。

(3)区块化能源系统的打造有利于能源系统之间的互联匹配，根据不同区块用能需求时间上不同的特征，利用能源总线的方式实现能源系统之间的联系，形成真正的能源微网互联、互通、互济。