某综合区域燃气分布式能源耦合可再生能源供能方案研究

区域能源可通过向终端用户提供或回收过剩的、低品位的热量和冷量，整合区域内各类资源，使得区域内能源系统达到最优配置。同时由于区域能源系统内建筑业态相对丰富，有利于负荷的优化，从而降低总体设备投资，提高设备利用效率，减少能源成本，降低用户能源使用价格。

以燃气分布式能源作为支撑，可以克服可再生能源不稳定，不连续等缺点，实现系统节能高效运行。本文以实际项目为例，探讨燃气分布式能源耦合可再生能源的技术路线，验证技术路线的可行性和经济性，为同类项目研究与建设提供参考。

1 项目概要及负荷分析

该项目总供能面积22.6 万m2，由数据中心、办公、厂房、宿舍组成。数据中心需全年24h 不间断供冷供电；其他建筑冷、热负荷供能时间为夏季5月15 日至9月15 日，冬季11 月15 日至3月15 日，每天8：00～21：00。

结合设计院建议值、公司类似项目实际运行值及规范，综合计算项目冷负荷18024kW，热负荷9814kW。其中数据中心3.39万m2，冷负荷8996kW；其他建筑19.2 万m2，冷负荷9028kW，热负荷9814kW。

数据中心用电包括IT、精密空调等，合计电负荷9157kW。

2 项目技术路线确定

为进一步提高项目节能环保特性，本项目采用燃气分布式能源与热源热泵耦合的方式，原因如下：

①数据中心冷负荷与电负荷需求比例基本为1：1，能量密度大，且稳定，而燃气分布式能源的内燃发电机热电比也基本为1：1，负荷匹配性好。

②数据中心全年不间断冷负荷需求，使燃气分布式能源发电的余热可充分利用，利用小时数增加，可以显著提高项目经济性和能源利用率。

③地源热泵与燃气分布式能源相耦合，实现了运营模式上的互补。分布式能源发电可直接供应地源热泵用电，余热可有效解决地源热泵冬夏季取放热不平衡对地层温度和系统运行效率的影响，使得系统稳定性、能效和经济性均有所提高。

装机方案为：4 台2300kW 燃气内燃发电机及配套余热机，1台制冷功率2650kW制热功率2450kW的地源热泵机组和2 台3850kW 的电制冷机组。

3 项目运行策略分析

本项目采用并网不上网的原则、以热定电的策略运行，保证余热充分利用。项目所在地实施峰谷电价，在用电尖峰、高峰、平段和低谷时价格分别为1.4167、1.2884、0.7697 和0.3023 元/kWh。发电气价为2.57 元/Nm3，发电天然气成本为0.625 元/kWh，故夜间数据中心所有负荷由电网承担更具经济效益。

项目数据中心冷负荷和电负荷为全年性的稳定负荷，因此本文主要讨论其他功能建筑在不同负荷率时项目的整体供应策略。

3.1 夏季工况运行策略

由于该项目在夏季和过渡季夜间数据中心冷负荷均由电制冷和地源热泵承担，且冷负荷高于热负荷，因此若在夏季和过渡季优先利用地源热泵供冷会造成地源侧取放不平衡；且制冷工况下地源热泵机组与电制冷机组相比并无明显优势，因此在夜间低谷电价时，供冷优先选用电制冷机组，不足部分由地源热泵机组进行补充。

图1 是项目夏季100%、75%、50%和25%负荷下的运行策略示意图。夜间低谷电价时，发电机停机无余热，其他地块无冷负荷需求，数据中心冷负荷由电制冷机组及地源热泵机组共同承担，且优先利用电制冷机组供冷，地源热泵机组补充供冷。在非低谷电时段，4 台发电机组全部开机运行，余热制冷供应数据中心冷负荷；其他地块冷负荷由电制冷机组及热源热泵机组共同承担并参与调峰，且优先使用电制冷机组，不足时用地源热泵补充调峰。如图1b、1c、1d 所示，当白天电制冷机组满足非数据中心用户所有供冷需求时，地源热泵机组不开机。

图1 夏季工况运行策略示意图

3.2 冬季工况运行策略

冬季工况时，数据中心冷负荷全部由冷却塔承担且负荷稳定，因此冬季工况仅讨论对其他功能建筑供热的运行策略。具不同负荷下的运行策略见图2。

如图2 所示，夜间低谷电价时，发电机停机无余热，用户热负荷主要由地源热泵机组承担，不足部分启动余热冷温水机组的补燃功能进行补充。非低谷电时段，用户热负荷主要由发电机余热承担，不足部分由地源热泵补充并调峰。

图2 是项目冬季100%、75%、50%和25%负荷下的运行策略示意图。基于“以热定电，余热充分利用”的原则，冬季100%负荷工况下开启3 台发电机，75%负荷工况开启2 台发电机，50%负荷和25%负荷工况开启1 台发电机，不足热量由地源热泵提供。

图2 冬季工况运行策略示意图

3.3 运行策略校核

根据上述运行策略，计算地源热泵冬季取热量1.24 万GJ，夏季放热量1.19 万GJ，则地源热泵取、放热量不平衡率为4.3%。在运行阶段可通过适当调节进行有效控制，因此以上运行策略基本合理。

4 经济效益分析

该项目运行成本由燃气费、电费、水费、人工费、修理费、管理费等构成。该方案与常规市电、锅炉、电制冷方案相比，在同样供应4342 万kWh 电、3.8 万GJ 热及31 万GJ 冷情况下，每年可节约运行成本1000 余万元，效益显著。

5 结语

燃气分布式能源与可再生能源地源热泵的耦合是未来能源领域发展的方向，两类技术的耦合可同时提高项目的安全性、经济性及系统能效，同时数据中心类项目是燃气分布式能源的理想实施项目，其负荷特性决定该类项目经济效益非常可观，燃气分布式能源与地源热泵的耦合方案、运行策略，较常规锅炉、电制冷系统，可以大幅度降低系统运行成本，对于能源服务公司具有可观的经济效益，应予以推广。