王燕，王承志

（山東華宇工學院，山東德州253034）

　　摘要：如今高能源利用率的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與可再生能源生物質的集成優(yōu)勢日趨明顯，具有很大的研究價值。本研究采用生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)對辦公樓的冷熱電供應。利用DeST軟件計算建筑全年逐時冷熱負荷，并根據(jù)電氣設備參數(shù)計算出全年逐時電負荷針對研究系統(tǒng)，制定了三種運行策略：“以熱定電”、“以電定熱”及“混合模式”，利用Excel應用進行性能參數(shù)的求解，并采用單一因素分析法從經(jīng)濟、能耗和排放三方面對不同運行模式的性能進行比較。進一步探明系統(tǒng)運行策略與綜合性能的關系，揭示該系統(tǒng)的高效運行機理。

　　1生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的工作原理

　　生物質原料在生物質氣化裝置中氣化后，用凈化裝置過濾出高溫可燃氣體，將純生物質燃氣送入內燃機發(fā)電，給建筑物供電。內燃機發(fā)電產(chǎn)生的高溫煙氣仍具有超高溫度，將高溫煙氣通過余熱回收裝置回收，回收后的熱量分別與換熱器和制冷機組相連，給建筑物提供冷量或者熱量。在該系統(tǒng)中，可以根據(jù)冷、熱、電負荷，適當從電網(wǎng)購買電，或從以生物質為原料的補燃鍋爐獲得熱量。

　　2建筑動態(tài)負荷模擬計算

　　以德州市某辦公樓作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應用對象，用整套生物質冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)滿足辦公樓日常的冷、熱、電需求。利用DeST軟件進行建模，將建筑二維CAD圖形轉變成三維立體圖形，并通過相關參數(shù)的設置，進行全年分時冷熱電負荷的模擬計算如圖1，2，3。

　　2.1工程概況

　　該建筑總共7層，首層層高3.9m，從二層到頂層層高均為3.6m。辦公樓是底部三層有兩側每層大約516.96m²的空間，底部三層總面積為5301.4248m²，上部四層總面積為5000.7264m²。整棟辦公大樓10300.151m²。

　　2.2冷熱電逐時負荷模擬計算

　　利用DeST軟件進行負荷的模擬，電負荷是根據(jù)

　　照明開關時間及照明設備額定功率、設備逐時使用率及依照國家《公共建筑節(jié)能設計標準》中規(guī)定的用電指標等計算求得。特別指出，這部分電負荷只包括了建筑負荷，并不包括冷熱源確定以后的系統(tǒng)負荷。該建筑的模擬數(shù)據(jù)結果如表1：

　　由表可得系統(tǒng)最大熱負荷為662.033kW，最大冷負荷為1320.672kW，最大電負荷為196.061kW。

　　3系統(tǒng)不同運行模式的性能研究

　　3.1系統(tǒng)各運行模式

　　生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行策略包括各設備啟停、部分負荷率和各時刻負荷分配。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)的原理，系統(tǒng)運行策略可分為三種類型：以熱定電、以電定熱和混合模式，它們各自的特點如下：

　　1）以熱定電（FTL）：在此模式下，系統(tǒng)優(yōu)先考慮建筑物的冷熱負荷，即在一定的熱電比下，系統(tǒng)的輸出電量由建筑冷熱負荷決定。當系統(tǒng)發(fā)電量不足時，從國家電網(wǎng)購買補充；當系統(tǒng)產(chǎn)生的電量過剩時，可以將其傳輸?shù)焦秒娋W(wǎng)以供其他用戶或增設蓄電池存儲使用。

　　2）以電定熱（FEL）：在此模式下，系統(tǒng)優(yōu)先考慮建筑電負荷的需求，就能量而言，電能比熱能等級更高、更有價值。當系統(tǒng)輸出熱量不足時，可由補燃鍋爐補充；當系統(tǒng)輸出冷熱量過大時，若直接排掉，會造成資源浪費。可以利用蓄熱器貯存剩余熱量，利用小型燃氣鍋爐作為調峰鍋爐，以應對供熱高峰。

　　3）混合模式（FHL）：在此模式下，“以熱定電”和“以電定熱”兩種模式交替運行，每個時刻的具體運行模式取決于建筑物的冷熱需求、分時電價等因素。

　　3.2系統(tǒng)各運行模式性能的數(shù)學描述

　　4系統(tǒng)各運行模式的性能計算結果及分析

　　4.1系統(tǒng)各運行模式性能的參數(shù)求解

　　4.2系統(tǒng)各運行模式的性能計算結果及分析

　　1）系統(tǒng)經(jīng)濟分析

　　在生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，年度總費用（ATC）用來評估系統(tǒng)發(fā)電的經(jīng)濟效益。系統(tǒng)經(jīng)濟成本只要考慮兩部分：一部分是系統(tǒng)運行成本，另一部分是系統(tǒng)設備成本。系統(tǒng)設備的額定容量主要決定系統(tǒng)的初始投資，而系統(tǒng)的運行模式主要影響系統(tǒng)運行成本，包括生物質原料購買費用以及電網(wǎng)購電費用兩部分。不同運行模式下系統(tǒng)總投資成本的計算結果如表2：

　　不同的系統(tǒng)具有不同的特點，為了更好地進行綜合性能的研究，引入分供系統(tǒng)和聯(lián)供系統(tǒng)進行比較。分供系統(tǒng)就是直接利用簡單的設備，滿足建筑冷、熱、電負荷。分供系統(tǒng)中，天然氣鍋爐負責供熱，電制冷設備負責供冷，而建筑電負荷則通過國家電網(wǎng)購買。

　　“分供模式”中，系統(tǒng)總投資成本ATC達到了178.733萬元，其中系統(tǒng)設備成本共花費15.222元，占系統(tǒng)總經(jīng)濟成本的9％，而系統(tǒng)運行成本共花費163.551萬元，其中天然氣成本占10％，電網(wǎng)購電成本占90％。

　　根據(jù)結果可以看出，單純比較系統(tǒng)經(jīng)濟成本，分供系統(tǒng)是較優(yōu)的選擇，因為其系統(tǒng)設備投資較少，只需要天然氣鍋爐、電制冷設備和供熱設備即可。而聯(lián)供系統(tǒng)中，“混合模式”較為經(jīng)濟，主要原因是“混合模式”下，系統(tǒng)沒有殘余熱量和電量，通過電網(wǎng)購電或者生物質鍋爐補充熱量，可使系統(tǒng)幾乎達到供需平衡的理想狀況，系統(tǒng)的設備容量不會過大，這就節(jié)省了系統(tǒng)的投資成本。下面的柱狀圖5能更清晰地看出各個系統(tǒng)在經(jīng)濟方面的優(yōu)勢和不足。

　　2）系統(tǒng)能耗分析

　　系統(tǒng)能耗是分析一個系統(tǒng)性能的重要因素。不同運行模式下系統(tǒng)總能耗的具體數(shù)據(jù)如表3：

　　為了便于對系統(tǒng)綜合性能進行研究，依然引入分供系統(tǒng)和聯(lián)供系統(tǒng)進行比較。分供系統(tǒng)中，系統(tǒng)總能耗達到了156.16×10⁸kJ，其中發(fā)電能耗相對較多，共134.42×10⁸kJ，占系統(tǒng)總能耗的86％，而生物質能耗共21.74×10⁸kJ，占系統(tǒng)總能耗的14％。

　　經(jīng)過比較分析，可以看出“混合模式”是三種運行模式中系統(tǒng)能耗最少的一種，相比之下分供系統(tǒng)也不再擁有優(yōu)勢。主要原因是“混合模式”結合了“以熱定電”和“以電定熱”兩種模式的優(yōu)勢，以能源全部消耗殆盡為原則，主要宗旨是不產(chǎn)生多余熱量以及電量，系統(tǒng)均衡了生物質鍋爐和電網(wǎng)買電的“任務”，所以系統(tǒng)能耗較少，具有很好的發(fā)展前景。下面的柱狀圖6能更清晰地看出各個系統(tǒng)在能耗方面的優(yōu)勢和不足。

　　3）系統(tǒng)排放分析

　　分析排放即分析系統(tǒng)對環(huán)境的影響如表4，將“影響”轉化為數(shù)值，需要進行系統(tǒng)對環(huán)境的定量評估。本研究主要考慮系統(tǒng)的CO₂排放對環(huán)境的影響，其中主要是溫室效應，它會造成全球氣候變暖，使全球降水量重新分配，加速冰川融化，造成海平面上升等。

　　因此，減少大氣中的CO₂排放量是人類的一項緊迫任務。通過比較系統(tǒng)在不同運行模式下的CO₂排放量，分析系統(tǒng)對環(huán)境的友好性，這是判斷系統(tǒng)運行模式優(yōu)劣的重要因素之一。特別指出，本次研究的生物質冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用清潔環(huán)保的生物質作為燃料，生物質本身也吸收CO₂，因此可以認為生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在生物質燃燒過程中不會產(chǎn)生任何對環(huán)境有副作用的物質。表5為各運行模式下CO₂排放量的具體數(shù)據(jù)：

　　用柱狀圖7更能直觀地對比各運行模式的排放性能：

　　從計算結果來看，在排放分析中，生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)占據(jù)了相當大的優(yōu)勢，“以熱定電”的CO₂排放量是分供系統(tǒng)的58.9％，“以電定熱”的CO₂排放量是分供系統(tǒng)的11.2％，“混合模式”的CO₂排放量是分供系統(tǒng)的56.9％。在聯(lián)供系統(tǒng)的三種運行策略中，“以電定熱”優(yōu)勢明顯，對全球變暖潛能的影響也是最小的。分供系統(tǒng)的二氧化碳總排放量是最高的，主要原因是系統(tǒng)的電負荷完全由電網(wǎng)供應，且冷負荷也由電制冷設備滿足，而電網(wǎng)供電主要是用煤發(fā)電，發(fā)電過程中會燃燒產(chǎn)生二氧化碳，且天然氣供暖過程也會產(chǎn)生大氣污染物。相比較之下，生物質氣化式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，尤其是“以電定熱”模式具有很好的環(huán)境效益。

　　4.3綜合性能比較

　　為更好地比較不同系統(tǒng)不同模式的經(jīng)濟、能耗以及排放三方面綜合性能，可以通過一個綜合指標來衡量系統(tǒng)優(yōu)劣。設綜合性能指標為J，則有：

　　以計算公式結合本章的系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)，分別計算不同系統(tǒng)下不同模式的綜合性能指標，最終得到結果如表3：

　　可以看出，整體而言聯(lián)供系統(tǒng)較分供系統(tǒng)具有更好的綜合性能。其中“以電定熱”的綜合性能最好，綜合性能指標遠超過剩余幾種運行模式，主要原因是：“以電定熱”模式中，系統(tǒng)無需從國家電網(wǎng)購電，故相比其他模式，節(jié)省了大量的燃煤。眾所周知煤炭的排放系數(shù)是極大的，煤炭燃燒過程會產(chǎn)生大量二氧化碳，對環(huán)境的影響力巨大；其次，雖說“以電定熱”在經(jīng)濟和能耗方面并不是最優(yōu)模式，但其在排放方面的優(yōu)勢過于明顯，已足夠彌補其在經(jīng)濟和能耗方面的微小差距。故總體而言，“以電定熱”是系統(tǒng)最優(yōu)運行模式，在未來最具有發(fā)展優(yōu)勢。

　　小結

　　本研究利用DeST軟件模擬出建筑全年的逐時冷熱負荷，同時結合電氣設備參數(shù)計算出全年電負荷。采用單一因素分析法分別從經(jīng)濟、能耗和排放三方面進行分析比較，得出系統(tǒng)最優(yōu)運行策略，揭示系統(tǒng)高效運行機理。經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)，每個系統(tǒng)都有自身的優(yōu)勢和不足。本文中特別引入了分供模式進行綜合性能比較，最終得到結論：聯(lián)供系統(tǒng)在以經(jīng)濟、能耗及排放三項指標為基礎的綜合性能比較中占據(jù)優(yōu)勢，而其中“以電定熱”運行模式綜合指標最優(yōu)，是系統(tǒng)最優(yōu)運行策略。

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