某酒店分布式能源的应用与节能控制分析

2022-11-27郝广宇田德利刘苏南宋长存张俊刚

区域治理 2022年40期

郝广宇，田德利，刘苏南，宋长存，张俊刚

1.济南港华燃气有限公司;2.济南港华环通市政工程有限公司;3.山东港华积成能源服务有限公司

21世纪以来，随着国家工业化进程的不断加速，我国已逐渐成为世界上最大的能源消费国与生产国，形成了以煤炭、石油、天然气、可再生能源等多种全面的能源供给体系[1]。

分布式能源系统是利用小型分散设备建设在靠近用户端（需求侧）提供能源的新型能源利用方式。冷、热、电三联供是分布式能源系统的主要形式，它有利于优化电源结构，增加清洁能源发电比例；有利于提高能源综合利用率；有利于改善环境，净化城市空气质量[2-3]。多能互补可因地制宜地将多种能源通过组合应用来缓解能源供需矛盾，尤其在可再生能源大规模发展的今天，其对可再生能源的消纳和输送具有重大意义[4]。

一、能源应用场景及能源需求

（一）分布式能源工程的应用场景

鉴于分布式能源系统的相关特点，其能源应用场景一般可大致分为两类，一类为区域型能源应用场景，例如内含多个制造厂房的工业园区、以某一大型商业综合体为中心环绕的商务园区等；另一类则为楼宇型能源应用场景，例如独栋的商业写字楼、酒店、商业别墅等。无论是区域型还是楼宇型能源应用场景都是需要独立输出用户侧所需能源需求，且由于区域型、楼宇型因为地块、楼层的能源需求有所不同，对能源输出的灵活性要求较高，这就更适合于分布式能源系统发挥它的能源输出特点[5]。

（二）本文酒店应用场景的能源需求

本文为某地区酒店分布式能源工程实例，该酒店建筑面积10000m2，共有200个房间，入住率约为70%，该地区供暖指标为50W/m2。由于场地方已选择电空调多联机进行冷能供给，所以该楼宇能源需求为热能（供暖）及卫生热水，根据酒店提供的相关数据，可以计算出酒店卫生热水及采暖负荷，如下公式所示。

卫生热水平均日耗热量：

式中qmr为平均日热水用水定额，L/（人·d），本文实例中取110L/（人·d）；m为用水计算单位数（人数或床数）；b1为同日使用率的平均值，本文实例中取0.7；Cp为水的比热容，kj/（kg·℃）；ρ为水的密度，kg/L；Tr为卫生热水需求温度，℃；TL为年平均冷水温度，℃。

通过上述计算公式可计算出该酒店的具体能耗负荷，并根据该酒店的实际能源需求，设计出一种不同能源形式组成的综合能源管控供能系统，通过控制逻辑的运算，可进行三种供能形式的选择，从而得出相应最优解进行能源供给，该分布式能源系统的流程图如图1所示。

图1 该酒店分布式能源系统设计图

二、供能方式与热力计算、选型

（一）分布式供能方式的选择

（1）方式一：太阳能+燃气壁挂炉

采用太阳能+燃气壁挂炉集热供应分系统，系统首先利用太阳能光热进行市政用水的加温制热，通过集热水箱储热后直接换热至卫生热水水箱，当太阳能辐照量未达到加热要求时，需利用燃气壁挂炉与卫生热水循环水箱间接换热进行加热，最后进入至酒店卫生热水循环。

在进行系统热力计算之前，首先应明确该地区的月均太阳能辐照强度，并由于卫生热水需求为全年四季使用，而供暖热能需求仅在采暖季使用，所以该地区太阳能辐照强度将分为采暖季、非采暖季，具体数值如下表1、表2所示。

表1 某地区非采暖季太阳能辐照量

表2 某地区采暖季太阳能辐照量

根据前文酒店卫生热水日均耗热量与采暖负荷计算结果，以及该地区太阳能辐照强度统计数据，计算出太阳能光热工程集热面积：

式中，Ajz为太阳能光热工程集热面积，m2；Qmd为日均耗热量，kj/d；f为该地区太阳能保证率；bj为集热器面积补偿系数；Jt为平均每平方米日太阳能辐照量，kj/m2；Ej为集热器年集热效率；E1为集热系统的热损失。

表3 设备选型及造价

在计算得出该酒店太阳能光热工程集热面积后，可通过乘以修正系数得出相应占地面积，并与酒店实际屋顶面积进行校正，若酒店屋顶面积未达到设计要求，则应取屋顶面积最大值进行热力计算。

由于采暖季时太阳能辐照量不足，在一定的集热面积下，市政用水经太阳能加热之后，仍未达到酒店所需卫生热水温度，需要燃气壁挂炉进行补燃加热，直至达到要求的卫生热水出口温度。

燃气壁挂炉补燃热量为：

式中，M为该酒店日均用水量，L/h；Tin为经太阳能集热工程预热后燃气壁挂炉进口水温，℃；Er为选用的燃气壁挂炉设备效率，%。

经过上述热力计算，可得出该酒店实行太阳能+燃气壁挂炉供能方式下，所需要的太阳能集热工程所占面积及燃气壁挂炉补燃热量，为下一步计算分布式能源工程总投资及设备选型打好基础。

（2）方式二：太阳能+空气源

由于不同地区燃气单价有所区别，在燃气单价相对偏高的地区，为提高整个分布式能源工程的经济性，可将空气源热泵这一供能形式作为燃气壁挂炉的补燃替代，即在系统中采用太阳能+空气源热泵子系统。由于空气源热泵COP值相对较高，所以其补燃热量可通过以下公式计算：

式中，Ek为空气源热泵设备效率，一般取2-4。

该种供能子系统运行原理与方式较为类似，市政用水经太阳能集热工程预热后，无法达到该酒店需求温度时，利用空气热泵进行补热，之后再进入到酒店热水循环中。

（3）方式三：太阳能+空气源热泵+燃气壁挂炉

通过空气源热泵、燃气壁挂炉两种补燃形式结合，使整个分布式能源系统的所有供能设备都得以运用，以太阳能集热系统对市政用水进行预热，结合空气源热泵利用空气低温热能再次加热，以燃气壁挂炉这一辅助热源进行最终加热方式，使得市政用水达到该酒店卫生热水温度要求时进入酒店热水循环。该种方式因需要及时控制反馈太阳能集热水箱与卫生热水恒温水箱、恒温水箱与空气源热泵、恒温水箱与燃气壁挂炉之间的温度差距，需要利用温度传感器等一系列反馈装置从而进行温度控制，再通过内部计算进行成本校核，保证酒店卫生热水的正常供应。

表5 能源运行成本分析

（二）该分布式能源系统的设备选择及造价

由于该系统由多种供能形式组成，在实际运行中，需要的运行控制逻辑也较为复杂，下文将研究同一分布式能源系统不同方式下的运行控制逻辑，从而提升系统能效，减少非必要能源消耗。

三、分布式能源系统的节能控制逻辑

由图2所示，该分布式能源系统工程控制系统内部逻辑如下，市政用水进入酒店冷水水箱后，首先进入太阳能集热器进行加热，若太阳能集热器出口水温与集热水箱水温无法达到相应差值，则水泵关闭，反之水泵正常开启将热水送入集热水箱；其次，若太阳能集热水箱与恒温水箱水温差值达到设定要求，则两水箱之间水泵开启，使集热水箱热水进入恒温水箱，反之则水泵关闭；最后，温度传感器实时反馈恒温水箱温度是否达到酒店卫生热水需求温度，通过输入当地其他能源单价及所用设备功率后系统进行成本计算，打开其他补燃方式控制循环泵进行加热，使恒温水箱中热水进入酒店微循环温度保证在需求温度范围以上。