光-气互补冷热电联供系统容量配置与运行研究

杜传铭， 陈孟石， 杜尚斌， 胡永锋， 赵义军

(1．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001； 2．华电综合智慧能源科技有限公司，北京 100160)

我国地缘辽阔，具有丰富的太阳能资源，且太阳能利用方式较为成熟，既可采用光伏发电产生电能，又可通过平板集热器和真空管集热器制备热水或供冷，但太阳能能量密度低，波动性大，不能单独为建筑供能[1-2]。将太阳能与天然气互补，结合二者的优势，使分布式供能系统在安全可靠的同时，也更加环保高效。因此，“分布式能源逐步替代集中式能源，多种能源网络融合与交互转变”是能源系统发展的大方向[3]。

蒋润花等[4]构建了一种含有太阳能集热器的燃气轮机冷热电联供系统。Das等[5]将光伏组件分别耦合至以内燃机和燃气轮机为动力装置的冷热电联供系统中，并进行了多目标优化研究，从而分析光伏对系统性能的影响。游盛水等[6]通过遗传算法对太阳能辅助式冷热电联供系统的电制冷比和光伏板面积进行优化，使得冷热电联供系统性能达到最优。Wang等[7]对含有太阳能的冷热电联供系统进行了研究，同时还分析了电负荷系数和太阳辐射强度对系统能量利用效率和效率的影响[8]。目前，鲜有比较不同太阳能互补方式以及储能对冷热电联供系统影响的研究。

笔者以北京市某商业综合体园区为研究对象，依据园区供冷、供暖和过渡季典型日的负荷需求，将光伏发电板和真空管集热器与燃气冷热电联供系统结合，设计了一种光-气互补冷热电联供系统(Hybrid Combined Cooling Heating and Power system, Hybrid CCHP)。以传统分供系统(Separated production system，SP)为参照对象，建立能源、经济和环境指标，比较了不同容量配置方法、以热定电和以电定热运行方式、有无太阳能互补以及有无储能运行情况对系统各评价指标的影响。

1 系统构成

SP即为大电网的集中供电模式：用户的电负荷全部从城市公共电网获取；用户的冷负荷全部从电制冷机制取；用户的热负荷则由在用户侧布置的燃气锅炉和板式换热器中换热提供。燃气冷热电联供系统(Combined Cooling Heating and Power system, CCHP)通过烟气热水型溴化锂制冷机组回收利用内燃机排放的400～550 ℃高温烟气、80～110 ℃缸套水和40～65 ℃润滑油冷却水中的热能，在夏季制冷，在冬季供暖。同时，通过板式换热器利用高温烟气、缸套水和润滑油冷却水中的热能为用户提供生活热水，电制冷机和燃气锅炉用于冷热负荷调峰。在CCHP的基础上，增设光伏发电板和真空管集热器,得到Hybrid CCHP，见图1。

图1 Hybrid CCHP的能量流动

为充分利用太阳能，Hybrid CCHP优先利用光伏发电，太阳能集热量优先满足热水负荷需求，其次用于制冷和供热。太阳能发电量和集热量不满足电、热负荷时，则由内燃机和吸收式空调机组提供。如果二者不能满足全部负荷，则由城市电网、电制冷机和燃气锅炉分别补充剩余的电、冷和热能。

2 数学模型

2.1 设备模型

2.1.1 内燃机

内燃机发电的数学模型可以表示为：

Epgu=ηpguFpgu=ηpguqV,gasqgas

(1)

Qpgu=σ(1-ηpgu)Fpgu

(2)

(3)

τpgu=Epgu/Enom

(4)

式中：Epgu为内燃机的功率，kW；ηpgu为内燃机的发电效率；Fpgu为逐时消耗的天然气热量，kJ；qV,gas为天然气消耗体积流量，m3/h；qgas为天然气的低位发热量，kJ/m3；Qpgu为内燃机回收的余热，kJ；σ为余热可回收系数；τpgu为内燃机的负载率；a0～a5均为内燃机发电效率的拟合参数；Enom为内燃机的额定发电功率，kW。

为保证内燃机的高效稳定运行，选取内燃机最低负载率τmin=0.25。

2.1.2 吸收式空调机组

吸收式空调机组在制冷和制热工况下的数学模型可以表示为：

Qac=ηCOP,acQa

(5)

Qah=ηCOP,ahQa

(6)

式中：Qa为进入吸收式空调机组的热功率，kW;Qac和Qah分别为吸收式空调机组的制冷和制热功率，kW；ηCOP,ac和ηCOP,ah分别为吸收式空调机组的制冷和制热效率。

2.1.3 电制冷机

电制冷机的数学模型表示为:

Qec=ηCOP,eEec

(7)

式中：Qec为电制冷机制冷功率，kW；ηCOP,e为电制冷机的制冷系数；Eec为耗电功率，kW。

压缩机的存在使得电制冷机的制冷效率很高，其制冷系数一般为3～4，并随负载的变化而变化。笔者对电制冷机的制冷效率进行简化处理，假设其不随容量和运行工况的改变而发生变化。

2.1.4 燃气锅炉

采用WNS系列卧式燃气锅炉，其供水温度一般为95～115 ℃，回水温度一般为70 ℃。燃气锅炉的数学模型为：

Qb=ηbFb=ηbqV,gasqgas

(8)

式中：Qb为燃气锅炉产热功率，kW；Fb为燃气锅炉消耗的天然气热量，kJ；ηb为燃气锅炉效率。

2.1.5 光伏发电板

太阳能光伏发电系统的发电效率不仅取决于其自身的光电转换效率，还取决于当前的环境温度以及光照强度，光伏组件输出功率Ppv为[9]：

Ppv=PSTC(GAC/GSTC)[1+KT(TC-TSTC)]

(9)

TC=Tenv+kGAC

(10)

式中：PSTC为标准测试条件下光伏发电板的额定功率，kW；GSTC为标准测试条件下的光照强度，W/m2；GAC为实际瞬时光伏组件接收到的太阳辐射强度，W/m2；KT为功率温度系数；TC为光伏组件温度，℃；TSTC为标准测试条件下的温度，℃；Tenv为环境温度，℃；k为光伏组件安装系数。

光伏发电板的瞬时负载率τpv、发电效率ηpv及发电量Epv分别为[10]：

τpv=Ppv/PSTC

(11)

(12)

Epv=θStotalGACηpv

(13)

式中：b1、b2、b3均为光伏发电效率系数；θ为光伏耦合率；Stotal为总有效辐射面积，m2。

2.1.6 真空管集热器

真空管集热器的保温性能较好，运行温度较高，太阳能集热器瞬时产热量Qstc,Hybrid为：

Qstc,Hybrid=(1-θ)StotalGACηstc

(14)

式中：ηstc为真空管集热器的集热效率，取值为0.45[11]。

2.2 运行方式

对以热定电(Following the Thermal Load, FTL)模式和以电定热(Following the Electric Load，FEL)模式下的设备出力和系统性能进行比较。

图2给出了FTL模式的计算流程，任意时刻系统产生的热优先满足热负荷需求，产生的电满足部分电负荷需求，不足部分从电网购电。系统优先消耗太阳能集热量，用于生活热水、制冷和制热，并由内燃机尽可能满足剩余的总热负荷。因此，系统的总热负荷与内燃机最大产热量的比将决定内燃机的负载情况和发电效率。

图2 FTL模式的计算流程

Qpgu,FTL=

(15)

式中：Qpgu,max为内燃机最大热回收量，kJ；Qpgu,min为内燃机最小热回收量，kJ；Qpgu,need,FTL为逐时需热量，kJ；Qpgu,FTL为内燃机实际产热量，kJ。

2.3 目标函数

2.3.1 能源指标

选取一次能源节约率ηPESR来评估CCHP相对于SP的节能情况。

ηPESR=(FSP-FCCHP)/FSP

(16)

式中：FCCHP为CCHP的一次化石能源能耗，kJ；FSP为SP的一次化石能源能耗，kJ。

2.3.2 经济指标

采用动态分析方法中的年值费用CAC和年运行总成本节约率CACSR作为经济指标。

CAC=Cinv+Com+Cpc

(17)

(18)

(19)

(20)

CACSR=(CAC,SP-CAC,CCHP)/CAC,SP

(21)

式中：Cinv为设备投资年回收成本，万元；Com为系统运行、维护费用及人员费用，万元；Cpc为燃料或电量消耗成本，万元；R为资本回收系数；Ck为第k个设备单位容量投资成本，元/kW；Nk为第k个设备的容量，kW；L为供能系统的设备总数；r为银行的年利率，取值为8%；m为系统设备的使用寿命年限；h为系统年运行时间；Com,k为第k个设备单位出力所需的运行维护成本，元/(kW·h)；Pk,i为第k个设备在第i小时的功率，kW；k1,i为第i小时的天然气价格，元/m3；k2,i为第i小时电网的购电价格，元/(kW·h)；Fgas,i为第i小时系统消耗的总天然气量，m3；Egrid,i为第i小时系统从电网的购电量，kW·h；CAC,SP为SP的年值费用，万元；CAC,CCHP为CCHP的年值费用，万元。

2.3.3 环境指标

将CO2排放量μCDE和CO2减排率μCDESR作为环境指标，可表示为：

(22)

μCDESR=(μCDE,SP-μCDE,CCHP)/μCDE,SP

(23)

式中：k3,i为天然气燃烧的CO2转化系数，一般取值为220 g/(kW·h)；k4,i为电网购电时的CO2转化系数，取值为968 g/(kW·h)[10]；μCDE，SP为SP的CO2排放量，t；μCDE,CCHP为CCHP的CO2排放量，t。

2.3.4 综合指标

如果以单一指标对系统进行评价可能会造成系统在其他性能上不够理想，具有很强的片面性，并不能使分布式能源系统的综合性能得到很好发挥，据此考虑节能、经济和环保三方面，得到综合指标μIP：

μIP=ω1ηPESR+ω2CACSR+ω3μCDESR

(24)

式中：ω1、ω2和ω3分别为能源指标、经济指标和环境指标所占的权重系数，均取值为1/3。

3 实例分析

3.1 用户对象

选取北京某商业综合体分布式能源站为研究对象，总建筑面积为12万m2，太阳能有效利用面积为5 000 m2，拥有包括商业办公楼、酒店、机房以及充电桩等冷热负荷需求较好的用户，适宜建设分布式能源站。

根据GB/T 51074—2015 《城市供热规划规范》中给出的北京市建筑采暖指标，北京市全年的供冷、供热以及过渡季节时间基本接近[12]。此外，由于典型日的冷、热负荷数据能够代表全年或季节的大多数负荷需求，并能较好地反映各种用能设备典型的运行和使用情况，因此可在供冷季、过渡季和供暖季各取1天典型日作为全年负荷代表进行研究[13-14]。取8月7日、10月14日和12月17日作为各季节典型日的代表，其冷、热、电负荷数据见图3。

图3 典型日冷、热、电负荷数据

由图3可知，该商业综合体全年各季电负荷差别不大；相比于冬季热负荷，夏季的空调冷负荷昼夜变化较大；由于过渡季节冷、热负荷需求很小，此时内燃机不运行；此外，用户全年具有一定的热水负荷需求。典型日环境温度和太阳辐射情况见图4。

图4 典型日太阳辐射强度和环境温度的变化

根据北京市发展和改革委员会[2019] 758号文件和[2019] 1544号文件，北京市郊区峰谷电价时段划分为高峰时段、平段、低谷时段以及尖峰时段(仅夏季7月和8月)，而燃气价格分为采暖季浮动价格(3.15元/m3)和采暖季后价格(2.87元/m3)，其中天然气的发热量为35.5 MJ/m3。主要设备的经济参数见表1[15-17]。能效参数见表2[16-18]，其中：ηe,SP为SP的发电效率;ηgrid为电网输送效率;ηh为换热器系数;αc和αh均为辅助设备耗电系数;ηst,in为储冷水罐储冷效率;ηst,out为储冷水罐释冷效率;ξ为储冷水罐能量损耗率。

表1 设备经济参数

3.2 系统容量配置

3.2.1 按典型负荷需求配置方法

以FTL模式为例，对系统的总热负荷需求进行峰谷负荷划分。在内燃机运行期间，大于总热负荷平均值QAVE的负荷称为热峰负荷，小于总热负荷平均值QAVE的负荷称为热谷负荷。取系统最大热负荷Qmax、总热负荷平均值QAVE、热峰负荷平均值Qave的100%、75%、50%和25%共6个典型负荷作为内燃机装机容量设计目标[13]。同样，在FEL模式下对总电负荷进行划分，得到6种典型电负荷。

表2 系统设备能效参数

当内燃机的额定发电功率和额定产热功率正好满足选取的典型电负荷或热负荷时，由式(1)～式(4)可以得到内燃机的额定装机容量，并得到在相应内燃机容量下系统综合指标(μIP)，见表3。结果表明，按照峰负荷平均值的方法设计原动机容量时在2种模式下均表现出较好的性能，在综合性能较好时内燃机容量在3 000～4 000 kW。

表3 内燃机装机容量及综合指标

3.2.2 最大矩形法

在FEL和FTL模式下，分别依据电、热负荷历时曲线中使横纵坐标围成面积最大的点，确定各自运行方式下的驱动设备容量。最大矩形法既避免机组长时间运行在低效区，又能防止外部辅助能耗过大，是一种简单实用的设计方案[19-20]。

系统热负荷历时曲线上的点与横纵坐标轴的矩形面积SMRM,FTL,max最大时对应的内燃机容量Enom,FTL为:

SMRM,FTL,max=max(ΔT×QMRM)

(25)

(26)

式中：QMRM为内燃机热回收功率，kW；ΔT为内燃机满负荷运行时间，h；QMRM,S,max为矩形面积最大时内燃机热回收功率，kW。

FEL模式下的设计方法与FTL模式类似，不再赘述。采用最大矩形法设计得到的内燃机容量见表4。由表4可知，在FTL模式下计算得到的内燃机容量较FEL模式更大，且性能较好。采用最大矩形法可以获得具有适宜性能的内燃机容量，但受负荷数据自身特点的影响较大。

表4 采用最大矩形法设计得到的内燃机容量

3.2.3 遗传优化算法

最大矩形法并未考虑设备运行过程中的经济和环境效益，因此要对内燃机容量进行优化。以系统综合指标μIP作为优化目标，取Hybrid CCHP的内燃机容量Enom和光伏耦合率θ作为优化变量，采用遗传算法寻找系统综合指标μIP最优的容量配置，各系统优化结果见表5。经分析，优化后CCHP的综合指标最优，在FTL和FEL模式下的综合指标分别为27.57%和28.85%；优化后Hybrid CCHP在FTL和FEL模式下的综合指标分别为30.04%和30.63%，较CCHP高2%左右。

表5 优化后的系统容量

通过枚举法计算得到在2种模式下[21]CCHP综合指标μIP随内燃机容量的变化曲线，见图5。由图5可知，最佳内燃机容量为3 600～3 700 kW，从而验证了遗传算法的准确性。

图5 内燃机容量对CCHP综合指标的影响

3.3 系统运行结果

在FTL模式下，Hybrid CCHP各设备逐时热(冷)出力和电出力见图6。由图6可知，系统绝大部分的电负荷需求和冷热负荷需求由内燃机和吸收式空调机组提供。由于在FTL模式下光伏耦合率为0.12，太阳能的利用方式主要为太阳能热互补，

(a) 设备冷、热出力

(b) 电出力

因此太阳能供热水和冷量较多，光伏发电量较少。

在FTL模式下，内燃机按照冷热负荷需求出力，产生的余热用于供冷或供暖。由于夏季夜间冷负荷需求很少，受内燃机容量和最小负载的限制，即使夏季夜间内燃机按照最低负载情况出力，系统冷量仍略大于用户冷负荷需求，需要电网补充电能。在冬季时，内燃机依据热负荷需求工作，通过吸收式空调机组供热，由于冬季热水负荷需求较大，太阳能优先提供生活热水，因而用于供热的太阳能很少，由燃气锅炉补充供热。在过渡季节，内燃机不工作，热水负荷白天可由太阳能提供，夜间由燃气锅炉提供，全天的电负荷基本由电网提供。

同理，在FEL模式下Hybrid CCHP的各设备出力情况见图7。在FEL模式下优先按照系统的电负荷需求工作，因而系统冷、热、电的出力结果与FTL模式不同。

(a) 冷、热出力

(b) 电出力

各系统评价指标见表6。整体来看，通过增设光伏发电板和真空集热器，在相同运行模式下，Hybrid CCHP的能源指标、经济指标和环境指标均高于CCHP 1%～2%，而SP的各评价指标最差。

表6 各系统评价指标

在FTL模式下Hybrid CCHP的评价指标见图8。经分析，在FTL模式下冬季系统的各评价指标均优于夏季，不同季节白天的各项评价指标均好于夜间。从评价指标上看，夏季和冬季夜间的能源和环境指标均为正值，故此时仍具有较少的能源和环境效益；夏季和冬季夜间的经济指标最低分别为-140%和-20%，说明此时CCHP的经济效益较SP更差。

图8 FTL模式下Hybrid CCHP的评价指标

如图9所示，造成Hybrid CCHP夜间评价指标较低的原因可通过内燃机负载率和发电效率进行解释。夜间用户冷热负荷需求较低，内燃机的负载率τpgu和发电效率ηpgu较低，夜间城市电网电价处于低谷，而Hybrid CCHP消耗的燃气所付出的成本较高，加之Hybrid CCHP本身所具有的设备固定投资成本，故Hybrid CCHP的经济效益较差。

图9 FTL模式下内燃机的负载率和发电效率

3.4 太阳能互补的影响分析

针对Hybrid CCHP，为比较在FTL和FEL模式下太阳能的不同互补方式对系统性能的影响，在仅采用太阳能热互补时，改变太阳能集热器的有效辐射面积Sstc，探究太阳能热互补对系统评价指标的影响；在仅采用太阳能电互补时，改变光伏发电的有效辐射面积Spv，探究太阳能电互补对系统评价指标的影响。由图10可知，仅采用太阳能热互补时，在FTL模式下随着有效辐射面积的增大，系统各评价指标均存在极值点，即存在最佳有效辐射面积；在FEL模式下随着有效辐射面积的增大，能源和环境指标增速减缓而趋于稳定。如果仅采用太阳能电互补方式，不论是FEL模式还是FTL模式，随着有效辐射面积的增大，系统的能源指标、经济指标和环境指标均增大。

(a) 太阳有效辐射面积对能源指标的影响

(b) 太阳有效辐射面积对经济指标的影响

(c) 太阳有效辐射面积对环境指标的影响

(d) 太阳有效辐射面积对综合指标的影响

以上结论可以根据设备出力情况进行解释。以FTL模式为例，内燃机依据用户热负荷需求进行发电，仅采用太阳能电互补时，光伏产电量的增加不影响内燃机出力，因而不影响系统评价指标；但仅采用太阳能热互补时，随着太阳能互补量增加，内燃机负载率降低，因而系统评价指标下降。因此，太阳能互补量较大时，如果运行方式和互补方式选取不当，会导致内燃机负载率降低，进而使系统评价指标下降。

3.5 储能对系统的影响

在夏季夜间，FTL和FEL模式均存在冷量过剩问题，但其产生原因有所不同。在FTL模式下，受到内燃机自身容量和最低负载率的限制，内燃机按冷负荷需求出力时，夏季夜间有少量冷量剩余；在FEL模式下，内燃机依据电负荷需求出力，由于夏季夜间具有一定的电负荷需求，此时内燃机的负载率处于中等水平，在完全满足电负荷需求的同时，生成的大量余热被用于制冷，故过剩的冷量较多。笔者通过增设储冷水罐以解决冷量过剩问题，并探究了储能对Hybrid CCHP评价指标的影响。

为避免能量损失过多以及储存容量过大带来的设备成本增加问题，储冷水罐的储-释周期为24 h[17]。储冷水罐在储-释过程中的数学模型分别见式(27)和式(28)。

Qst(t)=(1-ξ)Qst(t-1)+Qst,inΔtηst,in

(27)

Qst(t)=(1-ξ)Qst(t-1)+Qst,outΔt/ηst,out

(28)

式中：Qst(t)为储冷水罐中的储冷量，kJ；Qst,in和Qst,out分别为储冷和释冷功率，kW；Δt为时间间隔，s。

含有储冷水罐的Hybrid CCHP优先消耗内燃机余热和太阳能的冷量，如果冷量不足，再消耗储冷水罐中的冷量，最后再由电制冷机补充供冷。在FEL模式下，储冷水罐储-释冷功率均达到最大时Hybrid CCHP出力结果见图11。

(a) 设备冷出力

(b) 设备电出力

由图11可知，在冷出力方面，储冷水罐将夜间过剩的冷量储存起来，一定程度上代替白天电制冷机补冷；在电出力方面，由于电制冷机冷量的减少，系统总电负荷降低，电网的购电减少，起到节能减排的作用。由于各时间储冷水罐均以最大功率储-释冷，联供系统在7时冷量不足，储冷水罐立即释冷，因而在13时储存的冷量消耗殆尽。

根据北京市分时后的阶梯电价， 7时为电价低谷期， 8时～10时为电价平段期，而11时～15时为电价高峰期。如果调整不同时间的释冷功率，在电价高时释冷量多，则可以大大降低电价高峰期的电冷量，从而获得更佳的经济效益。故采用释冷功率由所储存的冷量和电价决定的“阶梯释冷”模式，如图12所示。

在采取阶梯释冷模式时，系统的冷出力和电出力情况见图13。与图11比较可知，从冷出力方面看，相比于各时间储冷水罐均以最大功率释冷，采取阶梯释冷模式时在8时开始释冷，此时释冷功率较小(500 kW)，在11时电价高峰期开始以2 000 kW的功率释冷，整个释冷过程一直持续到15时结束；

图12 阶梯释冷模式

(a) 设备冷出力

(b) 设备电出力

从电出力方面看，采用阶梯释冷模式时Hybrid CCHP在电价高峰期的购电量很少，因而该方式可以更好地发挥“削峰填谷”的作用。

由表7可知，增加储冷水罐后能源指标提升至34.06%，环境指标提升至43.73%。采用阶梯释冷模式后最优经济指标可达16.49%，高出无储能模式0.30%。

阶梯释冷模式虽然可以提升系统的经济指标，但需要合理设置不同时间的释冷功率，避免释冷功率过慢、释冷周期长、冷量向环境中散失增大等情况，同时也应避免储冷水罐的容量过大导致的设备成本增加问题。

表7 含储冷系统的各项评价指标

4 结 论

(1) 按照典型负荷容量配置方法时，采用峰负荷平均值作为典型负荷可以获得较好的性能。按照最大矩形法设计容量，实际性能受总负荷计算方法的影响较大。采用遗传算法可以得到综合效益最优的内燃机容量，CCHP最佳内燃机容量为3 600～3 700 kW。

(2) 在FTL和FEL模式下Hybrid CCHP和CCHP的各项评价指标均优于SP，与FTL模式相比，在FEL模式下Hybrid CCHP性能最佳，此时内燃机容量为3 490 kW，光伏耦合率为0.73，最佳综合指标为30.63%。通过光-气互补，Hybrid CCHP的各项评价指标较CCHP提高1%～2%。

(3) 仅采用太阳能热互补时，在FTL模式下系统各评价指标存在极值点，即存在最佳有效辐射面积。在FEL模式下，随着有效辐射面积的增大，能源和环境效益增速减缓并趋于稳定。仅采用太阳能电互补时，随着光伏面积的增大，在FTL和FEL模式下各项评价指标均增大。

(4) 通过增加储冷水罐，将夏季夜间储存的过剩冷量代替电制冷机在白天为系统补充供冷。根据阶梯电价，通过阶梯释冷模式可获得更高的经济效益。