楼宇型分布式能源与电空调供能方式对比

应笑笑 许红胜 王少宁

1 东南大学能源与环境学院

2 东南大学电力设计院

3 江苏省电力设计院

0 引言

天然气分布式能源[1-4]与天然气燃气-蒸汽联合循环[5-6]均涉及到了天然气的利用问题，在天然气对外依存度逐年提高、价格剧烈波动[7]的背景下，对于同时有冷、热、电需求的用户而言，选择最经济可行的供能方式已成为当下亟需解决的问题。

为探究天然气最佳供能方式，本文针对天然气冷热电联供与燃气蒸汽联合循环这两种不同的天然气利用方式，综合考虑能源、环境、经济等因素的影响，利用层次分析法确定各因素的权重，以避免人为给定权重存在的主观影响，通过多目标评价准则来优化评估基于这两种利用方式的供能系统的性能，从而获得天然气最佳利用方式与供能方式的相关结论，以期为今后天然气的利用与发展提供参考与指导。

1 系统介绍

在以内燃机为原动机的天然气冷热电联供系统中，内燃机缸套水余热与烟气余热被充分回收利用，系统能源利用效率大大提高。该系统的具体流程如图1 所示。用户所需电负荷由内燃机发电及电网共同承担，当内燃机发电量无法满足用户电负荷需求时，则需从电网购电以补充电负荷。在以冷热定电这一运行策略下运行时，内燃机产生的多余电量将输送给电网。在夏季制冷期，内燃机烟气与缸套水分别作为高压发生器的热源与低压发生器的热源来驱动溴化锂吸收式制冷机组，为用户提供冷负荷，而溴化锂机组排烟则进入换热器内，为用户提供生活热水。当冷负荷无法满足用户需求时，由电制冷机、补燃器（对带补燃的溴冷机而言）或直燃型溴化锂机组产生的冷量来补充。在冬季采暖期，内燃机烟气余热与缸套水余热通过烟气热水型溴化锂机组为用户提供热负荷，不足部分由直燃型溴化锂机组或锅炉补充。

图1 以内燃机为原动机的天然气冷热电联供系统流程图

2 系统经济性模型

本文建立了方案经济性数学模型以便于研究比较系统的性能，并假定方案中各设备在变工况下运行时其效率不发生变化。

内燃机天然气耗量VICE(d,h)为：

式中：VICE(d,h)指天然气耗量，m3；d 指制冷采暖季d 月典型日，d=6、7、8、9、12、1、2、3；h 指典型日的第h 时，为正整数；t1、t2分别指典型日第h 时的上一个运行时刻与下一个运行时刻；ηICE指内燃机的发电效率；EICE(d,h) 指内燃机d 月典型日第h 时的发电量，kWh；HV指天然气低位发热量。

以内燃机排烟及缸套水为驱动热源的烟气热水型溴化锂吸收式制冷机产生的冷量Qyrc(d,h)及热量Qyrh(d,h)分别为：

式中：ηrec指内燃机余热回收效率；COPxlbc、COPxlbh分别指烟气热水型溴化锂吸收式制冷机的制冷系数、制热系数。

对于带补燃的余热吸收型溴化锂机组即烟气热水直燃型溴化锂吸收式制冷机，其制冷天然气补燃耗量Vxlb（cd,h）与制热天然气补燃耗量Vxlb（hd,h）分别为：

式中：Qcuser（d,h）指d 月典型日第h 时的用户冷负荷，kWh；ηxlbr指烟气热水直燃型溴化锂吸收式制冷机的补燃效率；Qhuse（rd,h）指d 月典型日第h 时的用户热负荷，kWh。

对于直燃型溴化锂吸收式制冷机，其制冷耗气量Vzr（cd,h）及制热耗气量Vzr（hd,h）分别为：

式中：COPzrc指直燃型溴化锂吸收式制冷机的制冷系数；COPzrh指直燃型溴化锂吸收式制冷机的制热系数；指余热吸收型溴化锂机组d 月典型日第h 时产生的冷量，kWh；Qa（hd,h）余热吸收型溴化锂机组d 月典型日第h 时产生的热量，kWh。

对于电制冷机，其产生的制冷量Qe（cd,h）为：

式中：Qa（lcd,h）指溴化锂吸收式制冷机d 月典型日第h时产生的制冷量，kWh。

电制冷机消耗的电量Ee（cd,h）为：

式中：COPec指电制冷机的性能系数。

对于燃气锅炉，其制热量Qb（hd,h）为：

式中：Qa（lhd,h）指溴化锂吸收式制冷机d 月典型日第h时产生的制热量，kWh。

对两种系统来说，由于在运行中没有效益可言，故考虑系统费用现值（Present Value Cost，PC）。费用现值[8]是指按基准折现率，将系统计算期内各个不同时间点的现金流出折算到计算期初的累计值，其计算公式如下所示。

式中：（CO）t指第t 年的现金流出；n 指计算期；i0指基准折现率；P/F 指复利现值系数。

系统费用现值的计算涉及系统的运行成本及建设成本，运行成本C 包括燃料费、电费、材料费、工资及福利费、折旧费、其他费用[9]即

式中：Cf指系统年燃料费用；Ce指系统年购电费用；Cm指材料费；Cs指工资及福利费；Cd指折旧费；Co指其他费用；Nd指制冷季d 月的天数，Md指采暖季d 月的天数；ygas指天然气价格，单位，元/m3；yve指谷电时段电价；yre指峰电时段电价；yfe指平段电价。

3 评价优化准则

3.1 多目标评价准则

为了便于研究比较基于内燃机余热回收利用的天然气冷热电联供系统相较电空调系统的优劣，本文取电空调系统为参比系统。在电空调系统中，用户所需电负荷由电网提供，而电驱动的风冷热泵所产生的冷量与热量则用于满足用户冷热负荷需求。本文拟提出三种评价准则，分别是：年一次能源节约率（即能源评价准则）、年当量二氧化碳减排率即（即环境评价准则）、年费用现值节约率（即经济性评价准则）。

系统年一次能源节约率（Primary Energy Saving Ratio，PESR）是指天然气冷热电联供系统与产生相同冷量、热量、电量的电空调系统的天然气耗量之差与电空调系统年天然气耗量的比值，其计算式如下式所示。

式中：BECBCHP指冷热电联供系统年一次能源消耗量；BECES指电空调系统年一次能源消耗量。计算电方案消耗的年一次能源时，将消耗的电能转化为燃气-蒸汽联合循环产生相同电量所消耗的一次能源量，如下式所示。

式中：Ees指电空调系统耗电量，kWh；ηe指燃气-蒸汽联合循环发电效率；ηs输配电损失。

年当量二氧化碳排放量[10]是指将各主要气体对温室效应的影响等效为等量CO2的影响。在本文中，年当量二氧化碳减排率（CO2Equivalent Emission Reduction Ratio，CO2EERR）定义为：冷热电联供系统与产生相同冷量、热量、电量的电空调系统的年当量CO2排放量之差与电空调系统年当量CO2排放量的比值，其计算式如式（23）所示。

式中：CDEES指冷热电联供系统年当量CO2排放量；CDEBCHP指电空调系统年当量CO2排放量；μe为燃气蒸汽联合循环发电单位耗气量所对应的二氧化碳排放量的转换系数，2541 g/m3；μf为联供系统每千瓦时能量的天然气所对应的二氧化碳排放量的转换系数，220 g/kWh。

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系统年费用现值节约率（Present value cost ratio，PCR）是指天然气冷热电联供系统与产生相同冷量、热量、电量的电空调系统的费用现值之差与电空调系统的费用现值的比值，其计算式如式（23）所示。

式中：PCBCHP指冷热电联供系统的费用现值；PCES指电空调系统的费用现值。

为了综合考虑系统的能源消耗，环境影响及经济性，本文拟采用多目标评价准则来评估比较系统的性能优劣，如下式所示。

式中：w1、w2、w3分别为三个评价准则的权重系数。

3.2 层次分析法评价优化准则

由多目标评价准则表达式易知，评价准则的权重系数的确定至关重要，它将影响最终的评价结果。层次分析法[11（]Analytic Hierarchy Process,AHP）可以将半定性半定量问题转化为定量问题进行计算，目前，已被广泛运用于学科研究工作中，用层次分析法来确定各指标权重可以有效解决权重赋值问题。

层次分析法的流程如图2 所示。

图2 层次分析法流程图

4 实例分析

为了探究最佳的供能方式与天然气利用方式，本文选取南京某医院建筑为研究对象，该医院由主楼A及主楼B 构成，总建筑面积为166374.35 m2，拥有较大的冷、热、电负荷需求，且需求较为集中。利用eQUEST软件对该建筑进行负荷预测，得到制冷采暖季典型日冷热电负荷预测结果分别如图3、图4、图5 所示。南京市不同时段电价以及天然气价格如表1 所示。

表1 南京市电价及天然气价

图3 夏季典型日冷负荷曲线

图4 冬季典型日热负荷曲线

图5 制冷采暖季典型日电负荷曲线

基于“以冷热定电”原则，本文提出了天然气冷热电联供方案（即方案1）及电空调方案（即方案4），方案3 及方案2 分别为文献[12]提出的方案及该项目可研报告提出的方案。表2 为4 种方案主要设备的配置信息。表3 示出了所提方案所涉及的有关参数值。

表2 四种供能方案设备配置

表3 系统相关参数值

在计算费用现值节约率时，需要计算各方案的建设成本，对于天然气冷热电联供方案，取当前造价水平20000 元/kW 进行计算。而对于电空调方案即方案4，其建设成本考虑了设备购置费及安装费，以当前同类工程费用水平计算，为802.87 万元。

4.1 方案性能比较与分析

表4 评价准则权重系数

根据文中所建立的经济性模型，可以得到四种方案3 项评价准则的具体数值，分别如图6 至图8 所示。图9 为运用评价优化准则得到的各方案的评价数值。由图6 可知，方案1 及方案2 均比电空调系统更耗能，而方案3 的能耗则略低于电空调系统（即方案4），因此方案3 是4 种方案中最为节能的。由图7 可知，3 种天然气冷热电联供方案的二氧化碳排放量均较电方案低。而图8 表明，虽然电方案的建设成本显著低于其他三种天然气冷热电联供方案，但由于电方案每年电费较高，从而使得其费用现值仍旧可能高于天然气冷热电联供方案，如方案1。由此可见，当考虑的因素不同时，最佳方案的选择存在较大差异。由各方案的多目标评价准则的数值可知（如图9 所示），方案1 为最佳供能方案。

图6 各方案年一次能源节约率

图7 各方案年二氧化碳减排率

图8 各方案年费用现值节约率

图9 各方案多目标评价准则值

5 敏感性分析

天然气价格与电价作为影响天然气冷热电联供项目成本的2 个重要因素，对用户在供能方式的选择方面起着重要的影响。因此，本文将主要研究天然气价格、电价对方案费用现值节约率的影响。

图10、图11 分别为三种天然气冷热电联供方案（方案1 至方案3）相对电方案的费用现值节约率与天然气价格，电价变化率之间的关系图。

图10 各方案费用现值节约率与天然气价格的关系

图11 各方案费用现值节约率与电价变化率的关系

由图10 可知，当三种天然气冷热电方案的费用节约率均为0 时，所对应的天然气价格分别是3.056、2.769、2.325，并且方案2 对天然气价格最为敏感，方案3 次之，方案1 最小。由此可见，随着天然气价格的提高，电方案的经济优势将逐步显现出来。

图11 反映了各方案费用现值节约率与电价变化率的关系。由于文中计算电价时使用的是分时电价，为简化研究，此处电价变化率是指各时段电价以相同的变化率变化。从图中数据可以知道，随着电价的升高，天然气冷热电联供方案的经济优势将逐步显现出来。方案2 对电价变化最为敏感，方案3 次之，方案1最小。综上可见，天然气冷热电联供方案设备配置是否合理决定了其是否具有经济优势，以及对外部因素（如天然气价格、电价等）的敏感度。

6 结论

本文以南京某医院这一典型楼宇建筑为研究对象，利用eQUEST 软件模拟建筑冷热电负荷，根据天然气燃气-蒸汽联合循环发电与天然气冷热电联供这两种不同的利用方式，提出了两种不同的供能方案，即天然气冷热电联供方案与电方案，并与该项目可研报告以及论文中所提出的方案进行比较，建立了系统经济性模型，对比分析了各方案的经济、能源、环境等方面的指标，并研究分析了天然气价格、电价对系统经济性能的影响，以评估最优的天然气利用方式与供能方式。本文所得结论如下：

1）在“以冷热定电”原则下，四种方案中，方案2 最差，方案1 为最佳供能方案，而电方案优势并不明显。

2）随着电价的提高，天然气冷热电方案的经济优势将逐步显现，当电价变化率大于16%时，三种天然气冷热电联供方案（即方案1、方案2、方案3）的经济性均将优于电方案。而随着天然气价格的提高，在目前电价水平下，电方案的经济优势将变得比较突出，并且只有当天然气价格低于2.325 元/m3时，3 种天然气冷热电联供方案的经济性才会均高于电方案。

3）当天然气冷热电联供设备选型配置较为合理时，将天然气运用于天然气冷热电联供的供能方式将优于将天然气运用于燃气蒸汽联合循环，再通过供能设备将电能转换为冷热能的供能方式。