1、樓宇型蓄能聯產系統的熱力學及經濟性能評價分析摘要：木文以商業樓為例，模擬計算微燃機和內燃機驅動的無蒂能及蒂能型聯產系統的一次能源利用率、 相對節能率、初投資及運行費用，對系統的熱力學利經濟性能進行評價分析。結果表明，聯產系統的一次 能耗均少于分產系統，其年生命周期成木則高于分產系統。考慮能耗和經濟性，該商業樓應選擇內燃機為 原動機。分析表明，增加蓄能裝置可明顯提高聯產系統的能耗及經濟性能，同時存在故優蓄能容量可使聯 產系統達到性能最佳。關鍵詞：分布式能源系統；熱力學性能；經濟性能；蕎能裝置0引言分布式能源系統具有能量利用率高以及污染物排放量少兩大優勢，現己引起了全世界的 廣泛關注小叫 分布式能

2、源系統設備容量一般較小，常安裝于用戶附近，可就近為用戶提供 不同形式的能量。按系統規模大小，分布式能源系統可以分為兩種，即區域型分布式能源 系統和樓宇型分布式能源系統。我國已建的分布式能源站主要是以建筑物為供能對象的樓 宇級分布式能源系統，如上海黃浦區中心醫院分布式能源站、北京國際商城分布式能源站以 及廣東鋁業集團分布式能源站等目前，分布式能源系統多為分布式冷熱電聯產系統，其通過回收再利用廢熱實現了在供 電的同時滿足用戶冷、熱能量需求的目標。實際案例表明，用戶電負荷與冷、熱負荷隨時間 波動的不一致將會削弱分布式冷熱電聯產系統在能耗方面的優勢，不利于分布式能源系統的 推廣與發展。在分布式冷熱電聯

3、產系統屮引進蓄能裝置是改善這一現狀的有效手段&7】。蓄 能裝置可以存儲聯產系統生產的多余冷（熱）量，并在其不足時釋放能量以滿足用戶的冷、 熱負荷，從而實現對用戶冷、熱負荷削峰填谷的效果。本文針對典型商業樓，基于無蓄能以及蓄能型聯產系統的數學模型，選擇相對節能率和 全生命周期成本為指標，對分布式冷熱電聯產進行技術經濟評價，并且對比分析有無蓄能裝 置對聯產系統性能的影響。此外，還考慮了蓄能容量対有無蓄能聯產系統的能耗及經濟性能 的影響。1用戶負荷及聯產系統模型本文以某商業樓為例進行模擬計算。該商業樓在夏季典型日和冬季典型日的負荷情況如 圖1所示。從圖1中可以看到，商業樓在夜i'可（

4、即20： 00至次日8： 00 1'可）的冷、熱、電 負荷幾乎都為0,其能量需求集中發生在白天。在典型日日間，商業樓的電負荷較為穩定, 而冷、熱負荷均隨著時間而波動變化。°020246810 12 14 16 18 20 22 24時間(h) (avi)翟抵丄旺2000806040(avi) 旺20°02468 10 12 14 16 18 20 22 24時間(h)8060402000806040圖1商業樓在典型日的冷熱電負荷：(a)夏季典型日；(b)冬季典型日為該商業樓同吋提供電量、冷量及熱量的分布式冷熱電聯產系統如圖2所示。首先，天 然氣進入原動機后燃燒做功，

5、提供商業樓所需電量。此時，原動機將會產生大量余熱。聯產 系統選擇了吸收式制冷機對該部分余熱進行回收利用，從而滿足商業樓在夏季典型日的冷負 荷需求。當吸收式制冷機產生的冷暈超出商業樓冷負荷時，對于無蓄能聯產系統，這部分冷 量直接散發到環境屮，而在蓄能型聯產系統屮，蓄能裝置可將該部分冷量貯存起來；在冷量 不足吋，無蓄能聯產系統通過電制冷機消耗公共電網提供的電量來生產不足的冷量，而蓄能 型聯產系統除此種方式外還可以釋放蓄能裝置中的冷量進行補充。商業樓在冬季典型日所需 的熱量則通過換熱器回收原動機釋放的低品位余熱來提供。類似的，當提供的熱量大于商業 樓熱負荷時，無蓄能聯產系統直接將多余熱量排放至環境，

6、而蓄能型聯產系統則將多余熱量 存放于蓄能裝置屮；當熱量不足時，無蓄能聯產系統開啟燃氣鍋爐對不足的熱量進行補充, 而蓄能型聯產系統則可以同吋利用開啟燃氣鍋爐和釋放蓄能裝置中熱量兩種方式來補充不 足熱量。疊共電科爐商業圖2樓宇型分布式冷熱電聯產系統流程示意圖微型燃氣輪機和內燃機是分布式冷熱電聯產系統屮較為常用的兩種原動機。本文選擇的微型燃氣輪機的額定參數如下：額定發電效率為33%,額定余熱煙氣溫度 為300°c。而微燃機的額定煙氣流量可根據下式進行計算罔：其中，eratedmi-是微燃機的額定發電功率，kw； mexhaitstmr是微燃機額定煙氣流量，kg/so 微燃機的變工況性能如下

7、式所示:爲7=0.128+ 0.8575瓦療和皿m=03442 +0.6708瓦存入斶血=0.8126 + 0.1886e”其中，e府是微燃機負荷率，fmt. rnexlmt texfmt則分別為微燃機燃料耗能、微燃 機余熱煙氣流量以及微燃機余熱煙氣溫度與其額定值之比。假定內燃機的額定煙氣余熱溫度均為500°c,其額定發電效率可以用下式計算：嘰 w =(0.00097%® +37.5)/100其中，e“關ge是內燃機的額定功率，kwo與微燃機類似，內燃機的變工況性能可以表示為“叫= 0.13 + 2.47e(；£-1.6e兀沁心=0.53 + 0.38孤+009勵

8、其中氐£為內燃機負荷率'"ge是內燃機發電功率與額定功率之比，而texhaust.ge則是內 燃機余熱煙氣溫度與英額定值之比。內燃機的余熱主要通過余熱煙氣和缸套水兩種形式被帶走。一般來說，兩者攜帶的熱量 之比約等于1。因此本文假設余熱煙氣和缸套水帶走的熱量均為內燃機總余熱量的40%, 且缸套水的出口溫度恒為98°c o吸收式制冷機可產生的冷量由原動機提供的余熱量0噸及制冷系數copabc共同決定, 如下式：qc,abc = qrec x copc式(5)屮吸收式制冷機的制冷系數主要取決于蒸發溫度、冷凝溫度以及發生溫度，其 計算公式如下i叫其屮，掘是吸收式制

9、冷機的熱力學完善度。聯產系統屮輔助設備包括電制冷機和燃氣鍋爐。其中，電制冷機的制冷系數為3,而燃 氣鍋爐則以天然氣為燃料，其效率恒為90%o2系統性能評價指標分布式能源系統的熱力學性能由一次能源利用率和一次能耗相對節能率進行評價，而對 其經濟性能的評價則采用了全生命周期分析法。2能量性能評價指標一次能源利用率(primary energy ratio, per)是系統輸出總能量與消耗的一次能量之 比，其計算式為：per = (e + q + qh ) / (尸 + e嗣 i tgrid + qhoiler / hoiie,.)其中，e、。和創分別是聯產系統提供的電量、冷量和熱量，kwh； f為

10、原動機消耗的燃 料低熱值，kwh；坊加和q加問分別是聯產系統從公共電網中購買的電量以及燃氣鍋爐產生 的熱量，kwh； ；g/7v和弘0紂則分別為公共電網的發電效率和燃氣鍋爐效率。一次能耗相對節能率(primary energy saving ratio, pesr),簡稱相對節能率，是指聯 產系統和輸出能量完全相同的分產系統的一次能耗之差與該分產系統一次能耗的比值，計算 公式如下：ppr _ pfcpesr =x 00%(8)pecsp其中，peccchp為聯產系統的一次能耗，kwh；而pecsp為對應分產系統的一次能耗，kwh。 2.2經濟性能評價指標分布式冷熱電聯產系統的經濟成本主要包括初

11、投資和運行費用，本文暫不考慮設備的維 護費用。聯產系統的運行費用可由下式進行計算：occchp = ( f + qboiler i "boiler) i lhvng x p ng + grid x pgrid其中,是天然氣的低熱值,mj/m3；”ng和&加分別為天然氣和電網電力單價，元/kwho 而聯產系統初投資成本的計算式如下：cccchp =工 g x capacityi(10)i=英屮，c是設備的價格，capacity則為設備的額定容量，m弋表第i個設備，為聯產系統的 總設備數目。聯產系統屮部分設備的成本如表1所示。表1聯產系統部分設備成本蓄冷裝置蓄熱裝置電制冷機燃氣鍋

12、爐價格(元/kw)124120970300內燃機成本單價由下式計算：cge =4894.47-0.1546xe罰©(11)微燃機成本單價計算式為：5t = 6713.6 0.824x erafed(單效和雙效吸收式制冷機的單價分別為：p = -2 x 10一 舊嚴 + 4 % 10一】5 *5 _ 3 % 1 o 宀 +10-疋 _ 0.0002/ + 0.250 lx-1.37(13)(14)y = -8xl0-2,x6 +3x10-16%5 -3xl0'12%4 4-2xl0'8%3 -7xl0_5x2 +0756x+16.898英屮，x代表吸收式制冷機的額定功率

13、，kwo(15)由運行費用和初投資成本共同決定的年生命周期成本可用于評價聯產系統的經濟性能, 其計算式為-広6刖啦1 = cqchp x rf + °ccchf其中，crf為初投資冋收系數，可由下式計算得到:c _dx(l + d)"3(l + d)_l其屮，為折現率，為聯產系統的生命周期年限。本文中，選為參比的分產系統主要rh電制冷機以及燃氣鍋爐組成，分別為商業樓提供冷 負荷和熱負荷。此外，商業樓所需電量（包括商業樓電負荷及電制冷機耗電量）全部從公共 電網購買，其發電效率為36%,同時忽略電量輸送過程中產生的電能損耗。3結果與分析3樓宇型蓄能型聯產系統性能分析表2給出了商

14、業樓聯產系統及分產系統的全年能耗性能。在聯產系統中，蓄能型內燃機 聯產系統的一次能源利用率最高，可達78.51%,其一次能源相對節能率也最大，為27.54%； 而無蓄能微燃機聯產系統的一次能源利用率最低，其值為67.13%,該系統的相對節能率則 為15.26%,其值同樣是聯產系統中最小的。與傳統分產系統對比發現，所有聯產系統的一次能源利用率和一次能耗相對節能率均高 于分產系統，意味著聯產系統的全年一次能耗都小于分產系統。對比不同原動機聯產系統可 知，以內燃機為原動機的聯產系統的一次能源利用率和相對節能率都比以微燃機為原動機的 聯產系統高，說明前者的能耗性能優于后者。這是由內燃機和微燃機的發電效

15、率不同引起的。 前面已經提到，微燃機的額定發電效率始終為33%。而根據式（3）可知，內燃機的額定發 電效率最低可達37.5%。這就導致了內燃機聯產系統為提供電量所消耗的一次能源少于微燃 機聯產系統。此外，對比原動機相同的無蓄能和蓄能型聯產系統可以看到，蓄能型聯產系統 的一次能源利用率及相對節能率都高于無蓄能聯產系統。表明了在聯產系統中，增加蓄能裝 置可以減少全年一次能耗，進一步提高聯產系統在能耗性能方面的優勢。表2閤業樓聯產系統及分產系統的能耗性能分產系統無蓄能微燃 機聯產系統蓄能型微燃 機聯產系無蓄能內燃 機聯產系統蓄能型內燃 機聯產系統一次能源利用率per56.89%67.13%68.76

16、%75.45%78.51%一次能耗相對節能率pesr15.26%17.27%24.61%27.54%表3為商業樓聯產系統及分產系統的初投資成本及全年運行費用o分產系統的初投資成 本約為20萬元，遠小于所有的聯產系統，而分產系統的運行費用則比所有聯產系統都多。 從表中可以看到，由于微燃機成本高于內燃機，微燃機聯產系統的初投資也就比內燃機聯產 系統高。由能耗分析可知，內燃機聯產系統的一次能耗小于微燃機聯產系統，這使得前者的 年運行費用要小于后者。類似的，對比可知，引入蓄能裝置后，聯產系統的年運行費用明顯 下降，而初投資成本卻有所提高。表3商業樓聯產系統及分產系統的經濟性能分產系統無蓄能微燃 機聯產

17、系統蓄能型微燃 機聯產系無蓄能內燃 機聯產系統蓄能型內燃 機聯產系統初投資成本（¥）202228.6906212.8911410.7900362.7907250.5年運行費用（¥）334100.8320672.3314916.9284921.1275896.6為全面評價聯產系統的經濟性能，本文將折現率設為10%,系統的生命周期年限為20年，計算了所有聯產系統相比于分產系統的年生命周期成本節約率。圖3總結了商業樓聯產系統的全年能耗及經濟性能。從圖中可以看到，雖然聯產系統的相對節能率均大于0,但其 年生命周期成本節約率都為負值，也就意味著，聯產系統的能耗性能優于分產系統，而其經

18、 濟性能則比分產系統差。其中，內燃機聯產系統的年生命周期成本節約率均高于微燃機聯產 系統。從表2的分析可知，內燃機聯產系統的初投資成本及運行費用均低于微燃機聯產系統, 從而使得前者的生命周期成本小于后者。對比有無蓄能的聯產系統可發現，增加蓄能裝置在 提高聯產系統相對節能率的同時，還可以提高聯產系統的年生命周期成本節約率。導致這一 結果的主要原因是，引入蓄能裝置后聯產系統的一次能耗下降，使得系統的年運行費用減小。 因此，雖然增加蓄能裝置引起了初投資成本增加，但聯產系統的年生命周期成本仍然有所下 降。1 二/次能源相片年生命周期用1扌節能率 e本節約§i1111i0.40.30.200.

19、0 -0.1 02 -03無t聽e擁機惡內燃機聯沁圖3商業樓無蓄能及蓄能型聯產系統的能耗及經濟性能3.2蓄能容量對聯產系統性能的影響在上述部分已分析討論了在無蓄能容量限制條件下，引入蓄能裝置對分布式冷熱電聯產 系統的能量及經濟性能的影響。本文將進一步分析蓄能型聯產系統在不同蓄能容量下的性能 表現。圖4為蓄能容量對商業樓蓄能型聯產系統一次能耗相對節能率的影響。從圖屮可以看出, 兩種蓄能型聯產系統的一次能耗相對節能率首先均隨著蓄能容量的增人而逐漸上升。接著， 當蓄能容量達到一定值吋，英一次能耗相對節能率將維持在某個恒定值。由前血的分析可知， 蓄能裝置通過蓄存系統主產的多余冷（熱）量來提高聯產系統的

20、節能性。因此，蓄能容量增 大就意味著可回收利用的多余冷（熱）量增大，從而減少了補充冷（熱）量所需消耗的一次 能源，導致了聯產系統相對節能率的上升。然而，當用戶負荷及系統配置都確定時，聯產系 統產生的多余冷（熱）總量也是一定的。當蓄能裝置容量大于該值時，即使蓄能容量繼續增 大，蓄能裝置中可蓄存的多余冷（熱）量也不會增加。此吋，聯產系統的一次能耗將不再隨 著蓄能容量的增大而變化。23 o2628*蓄能型微燃機聯產系統y1蓄能型內燃機聯產系統24242020為能型微燃機聯產系統 一1召能型內燃機聯產系統0j21-020406080100120140160蓄冷容量(kwh)0.160204060801

21、00120140160蓄熱容量(kwh)圖4蓄能容量對蓄能型聯產系統能量性能的影響(a) 920000915000910()009050(h)900000895000890u00020406080100120140160蓄冷容量(kwh)y 蓄能型微燃機聯產系統 蓄能型內燃機聯產系統圖5是蓄能型聯產系統的初投資成本隨蓄能裝置容量的變化情況。如圖5(a)所示，隨著 夏季蓄冷裝置容量的升高，微燃機和內燃機驅動的蓄能型聯產系統的初投資成本均呈線性增 長。在夏季典型日，商業樓的電負荷較為平穩，而其冷負荷在高峰段較高。這就導致，引入 蓄能裝置后，聯產系統中吸收式制冷機和電制冷機的額定容量均不受影響。此時

22、，聯產系統 的初投資成本僅收到蓄冷裝置成本的影響。而從圖5(b)川可以看到，蓄能型聯產系統的初投 資隨冬季蓄熱裝置容量的增大呈現先減后增的趨勢。蓄能型微燃機聯產系統的最小初投資成 本出現在蓄冷裝置容量約為40kwh時，而蓄能型內燃機聯產系統的初投資成本在蓄冷裝置 容量為80kwh左右達到最小。這是因為在冬季典型日引入蓄熱裝置將會削減燃氣鍋爐的額 定容量。如表1所示，燃氣鍋爐的單位成本高于蓄熱裝置。蓄熱裝置容量的增大導致燃氣鍋 爐額定容量隨之減小，兩者相互作用，最終導致聯產系統的初投資成本減小。而當蓄熱裝置 容量分別大于40kwh和80kwh后，蓄能型微燃機和內燃機聯產系統的燃氣鍋爐額定容量先

23、后減小為0,此后系統的初投資成本將隨蓄熱裝置容量的增大而線性增大。9250009200(h)915(x10910000905(x10900000020406080100120140160蓄熱容量(kwh)圖5蓄能容呈:對蓄能型聯產系統初投資成本的影響圖6為蓄能裝置容量對蓄能型聯產系統全年運行費用的影響。聯產系統的運行費用與其 能耗情況密切相關。聯產系統的節能性越高，則運行費用就越少。可以發現，圖6中系統年 運行費用隨蓄能容量的變化趨勢與圖4所示相対節能率對應。隨著蓄能容量的增大，蓄能型 聯產系統的年運行費用先逐漸減小，最終穩定在某個值。如圖6(a)所示，當蓄熱裝置容量不 受限制時，蓄冷裝置容量

24、從0增加到120kwh,蓄能型微燃機聯產系統的年運行費用相比降 低了 1.39%,而蓄能型內燃機聯產系統的年運行費用則相比減少了 1.79%。(a) 3400003300003200001只 3100(h)富 30000()§ 2900()0280000270000*蓄能型微燃機聯產系統 蓄能型內燃機聯產系統020406080100120140160蓄冷容量(kwh)(b) 3200003120003040(h)旺 296000通 288000280000272000*蓄能型微燃機聯產系統 蓄能型內燃機聯產系統020406080100120140160蓄熱容量(kwh)圖6蓄能容量對

25、蓄能型聯產系統全年運行費用的影響圖7則給出了蓄能型微燃機和內燃機聯產系統的年生命周期成本節約率隨蓄能容暈的 變化情況。由式(15)可知，蓄能型聯產系統的年生命周期成本與初投資及年運行費用直接 相關。綜合圖5(a)和圖6(a)可知，雖然蓄能型聯產系統的初投資成本隨蓄冷裝置容量的增加 而不斷升高，但是其年運行費用卻隨之逐漸降低至一定值。因此，受系統初投資成本以及年 運行費用的共同影響，蓄能型聯產系統的年生命周期成本節約率隨著蓄冷裝置容量增加而呈 現先升后降的趨勢。蓄能型微燃機聯產系統的最大年生命周期成木節約率出現在蓄冷裝置容 量為lookwh左右，而蓄能型內燃機聯產系統在蓄冷裝置容量約為120kw

26、h時達到最大年生 命周期成本節約率。類似的，隨著蓄熱裝置容量增大，蓄能型聯產系統的年生命周期成本節 約率先逐漸上升，達到最大值后不斷下降。這一結果表明，引入適當容量的蓄能裝置可以有 效減少系統能耗，降低運行費用，從而提高聯產系統的經濟性能。當蓄能裝置容量過大時, 進一步增加蓄能容暈將不再影響系統能耗，而其引起的初投資成木增加使得蓄能型聯產系統 的經濟性能持續下降。(b) .(mo(a) -0jo2 4 0 21 1 2 2 o o o o m煤護岑翌京更令壬芒倒m一二一蓄能型微燃機聯產系統 上二蓄能型內燃機聯產系統買爲#杲徑遙更始劃芒翅曲20o22.0tz1蓄能型微燃機聯產系統-*蓄能型內燃機

27、聯產系統020406080100120140160020406080100120140160蓄冷容雖(kwh)葡熱容雖(kwh)圖7蓄能容量對蓄能型聯產系統年生命周期成本節約率的影響4結論本文以典型商業樓為例，對無蓄能和蓄能型聯產系統進行了能耗及經濟性能兩方而的綜 合評價分析。計算結果指出，以微燃機或內燃機為原動機的無蓄能和蓄能型聯產系統的一次 能耗均小于分產系統，但是其全生命周期成本都比分產系統高。其中，原動機為內燃機的聯 產系統的相對節能率和年生命周期成本節約率都比微燃機聯產系統高。通過對比分析還可發 現，增加蓄能裝置可以減少聯產系統的一次能耗和全生命周期成本，這表明蓄能型聯產系統 相比于

28、常規無蓄能聯產系統在能耗及經濟性能方面均具有一定優勢。此外，本文還分析了蓄能容量對蓄能型聯產系統的能耗及經濟性能的影響。結果表明， 增加蓄能容量可以減少聯產系統的一次能耗及運行費用。在夏季，蓄冷裝置對聯產系統的設 備容量無影響，因而系統的初投資成本隨蓄冷裝置容量增大而增大。在冬季，引入蓄熱裝置 可以削減燃氣鍋爐額定容量，這導致初投資成本隨蓄熱容量先減小后持續增大。通過分析生 命周期成本發現，蓄能型聯產系統的經濟性能隨蓄能容量先升后降，存在最優容量可使得年 生命周期成本節約率達到最大。參考文獻：|1|陳強，韓巍，張娜，金紅光新型微燃機分布式冷熱電聯供系統熱力性能分析j|工程熱物理學報，2014,

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