寒冷地區酒店建筑供熱系統優化研究

由于其節能和環保，天然氣冷熱能源聯合供系統（以下簡稱聯合供系統）在世界范圍內受到了高度重視[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11]。聯供系統按供應范圍可分為區域聯供系統(DCHP)、樓宇聯供系統(BCHP)。區域型聯供系統的供應對象是一定區域內的建筑群,機組容量較大。樓宇型聯供系統是指與單體建筑相結合的供能形式,機組容量較小,本文研究對象為樓宇型聯供系統。目前,在國內較為常見的聯供系統設備配置設計方法是單點設計法,即將建筑單位面積設計負荷乘以一個系數,以此確定發電機組、余熱利用設備、冷熱源設備的類型和容量。而在分析聯供系統的運行時,通常根據“以熱定電”或“以電定熱”的運行策略。這種設備配置設計方法及運行策略比較主觀,容易造成聯供系統設備配置不當、運行不經濟等問題。本文以天津地區某賓館建筑為例,對聯供系統的設備配置及運行策略進行優化,并以分供系統作為比較對象,評價優化后聯供系統的節能性、經濟性。1全年電負荷分析①工程概況該賓館建筑位于天津市,建筑面積為14475m2,空調面積為14087m2。在1、2層的大堂和共享空間采用全空氣系統,客房采用風機盤管加新風系統,空調系統24h運行。賓館建筑的三維模型見圖1,設計參數見表1。②負荷模擬計算采用EnergyPlus軟件對該賓館建筑的全年逐時冷熱電負荷進行模擬計算,相關模擬參數根據建筑實際使用要求和GB50189—2005《公共建筑節能設計標準》確定。全年各月平均冷熱負荷、制熱水負荷及電負荷分布見圖2,其中電負荷只包括照明、設備的基本電負荷。由圖2可知,全年電負荷變化較為平緩,在過渡季節電量需求相對較少。冬季、過渡季、夏季平均電負荷分別為93、86、105kW。全年制熱水負荷變化較平緩,冬季較大,夏季較小,年平均制熱水負荷為79kW。夏季供冷時間為6月1日—9月30日,平均冷負荷為212kW。冬季供暖時間為11月1日—次年3月30日,平均熱負荷為233kW。熱電比(冷熱負荷、制熱水負荷之和與電負荷之比)分布見圖3。由圖3可知,熱電比呈W型分布,冬季最大,為2.6～4.5;夏季次之,為1.6～3.6;過渡季節較小,為1.0左右。冬季、過渡季、夏季典型日的冷熱負荷、制熱水負荷、電負荷分布分別見圖4～6。冬季典型日為1月21日,過渡季典型日為4月21日,夏季典型日為7月21日。由圖4～6可知,各季節典型日的電負荷變化規律大致相同,高峰主要出現在17:00—24:00,5:00—9:00有一個小高峰,其他時段較為平緩。制熱水負荷與電負荷變化規律相似。冬季典型日最大熱負荷為723kW,出現在7:00左右,15:00左右熱負荷出現最低值(280kW)。夏季典型日的冷負荷最低為300kW,出現在6:00左右,隨著室外溫度的升高,冷負荷逐漸上升,至19:00達到最大,然后下降。2冷機組系統流程聯供系統由燃氣內燃機發電機組(以下簡稱發電機組)+溴化鋰吸收式制冷機組(以下簡稱吸收式機組)、補燃型余熱鍋爐、電制冷機組,系統流程見圖7。燃氣內燃機的余熱優先用于補燃型余熱鍋爐,當余熱量可單獨滿足需求時不啟動補燃型余熱鍋爐。作為比較對象的分供系統流程見圖8。3日聯供系統運行策略①研究方法采用HUDCHPScreeningToolv2.1軟件對聯供系統的設備配置、運行策略進行優化。軟件需要輸入的參數包括:逐時冷熱電負荷、分時電價、天然氣價格、發電機組的性能參數(如所選擇的發電機組形式、機組額定發電效率、最小輸出電功率、最小負荷率、熱電比、發電機組數量等)、補燃型余熱鍋爐熱效率、制冷機組性能參數(如吸收式機組熱力系數、電制冷機組制冷性能系數、最小負荷率等)、設備造價及維護費用、使用年限、折現率等參數。其中最小負荷率為基本約束條件,當負荷率低于最小負荷率時,設備停止運行。發電機組的最小負荷率設定為50%。吸收式機組負荷率低于25%時,關閉吸收式機組,改由電制冷機組供冷。軟件將輸入參數作為“設備配置模型”的輸入條件,計算出聯供系統的最優設備配置。將最優設備配置作為“系統運行模型”的初始條件,由于聯供系統不考慮發電上網,因此運行策略應從“電主熱從”的原則考慮。根據逐時冷熱電負荷、分時電價、天然氣價格等參數,以分供系統的運行策略作為參考,以凈現值最大為目標進行求解計算,最終得到最優運行策略。②參數設定天津地區分時電價見表2。天然氣價格為3.15元/m3,低熱值為35169kJ/m3。發電機組的單位發電功率造價為6800元/kW,維護費用:1MW以下為0.104元/kW,1～5MW為0.072元/kW。補燃型余熱鍋爐單位熱功率造價為600元/kW,維護費用為2.16元/kW。吸收式機組單位制冷量造價為1200元/kW,維護費用為0.8元/kW。電制冷機組單位制冷量造價為700元/kW,維護費用為9.7元/kW。發電機組發電效率取35%,補燃型余熱鍋爐熱效率取85%,吸收式機組熱力系數取1.2,電制冷機組制冷性能系數取5.0。③最優設備配置及運行策略聯供系統的最優設備配置見表3。發電機組數量為2臺,其他設備數量均為1臺。優化后,各典型日聯供系統的運行策略見圖9～14。由圖9～14可知,冬季發電機組的開啟時間為18:00—22:00,這是由于該時段處于用電高峰期且電價較高。夏季發電機組的開啟時間相對較長(7:00—22:00)。對比冬夏季發電機組的開啟時間可知,雖然冬夏季的熱電比都相對較高,但由于冬季熱電逐時負荷不匹配,熱負荷大都集中在用電量較小的時段,因此冬季發電機組的開啟時間明顯短于夏季,且余熱利用量低于夏季。從對余熱充分利用的角度分析,冬季和夏季在發電機組的運行時間內,余熱能被充分利用,幾乎沒有多余的廢熱排放,且在余熱不足時還需要補燃。但在過渡季,多余的余熱被排放,余熱利用率較低。④優化效果評價以分供系統為比較對象,從節能性、經濟性兩方面對最優運行策略下的聯供系統進行評價。節能性指標為一次能源節約率(FirstEnergySavingRatio,FESR),一次能源節約率IFESR的計算式為:IFESR=Qfs?QfcQfsΙFESR=Qfs-QfcQfs式中IFESR——一次能源節約率Qfs——分供系統一次能源消耗量,JQfc——聯供系統一次能源消耗量,J經濟性采用聯供系統相比分供系統的運行費用節約率進行評價。各季節月均一次能源節約率、運行費用節約率見表4。由表4可知,冬季和夏季一次能源節約率較高,分別為9.2%、8.0%,