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1、楼宇型蓄能联产系统的热力学及经济性能评价分析摘要：本文以商业楼为例，模拟计算微燃机和内燃机驱动的无蓄能及蓄能型联产系统的一次能源利用率、相对节能率、初投资及运行费用，对系统的热力学和经济性能进行评价分析。结果表明，联产系统的一次能耗均少于分产系统，其年生命周期成本则高于分产系统。考虑能耗和经济性，该商业楼应选择内燃机为原动机。分析表明，增加蓄能装置可明显提高联产系统的能耗及经济性能，同时存在最优蓄能容量可使联产系统达到性能最佳。关键词：分布式能源系统；热力学性能；经济性能；蓄能装置0引言分布式能源系统具有能量利用率高以及污染物排放量少两大优势，现已引起了全世界的广泛关注1-2。分布式能源系统设
2、备容量一般较小，常安装于用户附近，可就近为用户提供不同形式的能量3。按系统规模大小，分布式能源系统可以分为两种，即区域型分布式能源系统和楼宇型分布式能源系统4。我国已建的分布式能源站主要是以建筑物为供能对象的楼宇级分布式能源系统，如上海黄浦区中心医院分布式能源站、北京国际商城分布式能源站以及广东铝业集团分布式能源站等3,5。目前，分布式能源系统多为分布式冷热电联产系统，其通过回收再利用废热实现了在供电的同时满足用户冷、热能量需求的目标。实际案例表明，用户电负荷与冷、热负荷随时间波动的不一致将会削弱分布式冷热电联产系统在能耗方面的优势，不利于分布式能源系统的推广与发展。在分布式冷热电联产系统中引
3、进蓄能装置是改善这一现状的有效手段6-7。蓄能装置可以存储联产系统生产的多余冷（热）量，并在其不足时释放能量以满足用户的冷、热负荷，从而实现对用户冷、热负荷削峰填谷的效果。本文针对典型商业楼，基于无蓄能以及蓄能型联产系统的数学模型，选择相对节能率和全生命周期成本为指标，对分布式冷热电联产进行技术经济评价，并且对比分析有无蓄能装置对联产系统性能的影响。此外，还考虑了蓄能容量对有无蓄能联产系统的能耗及经济性能的影响。1用户负荷及联产系统模型本文以某商业楼为例进行模拟计算。该商业楼在夏季典型日和冬季典型日的负荷情况如图1所示。从图1中可以看到，商业楼在夜间（即20：00至次日8：00间）的冷、热、电
4、负荷几乎都为0，其能量需求集中发生在白天。在典型日日间，商业楼的电负荷较为稳定，而冷、热负荷均随着时间而波动变化。 图1商业楼在典型日的冷热电负荷：（a）夏季典型日；（b）冬季典型日为该商业楼同时提供电量、冷量及热量的分布式冷热电联产系统如图2所示。首先，天然气进入原动机后燃烧做功，提供商业楼所需电量。此时，原动机将会产生大量余热。联产系统选择了吸收式制冷机对该部分余热进行回收利用，从而满足商业楼在夏季典型日的冷负荷需求。当吸收式制冷机产生的冷量超出商业楼冷负荷时，对于无蓄能联产系统，这部分冷量直接散发到环境中，而在蓄能型联产系统中，蓄能装置可将该部分冷量贮存起来；在冷量不足时，无蓄能联产系统
5、通过电制冷机消耗公共电网提供的电量来生产不足的冷量，而蓄能型联产系统除此种方式外还可以释放蓄能装置中的冷量进行补充。商业楼在冬季典型日所需的热量则通过换热器回收原动机释放的低品位余热来提供。类似的，当提供的热量大于商业楼热负荷时，无蓄能联产系统直接将多余热量排放至环境，而蓄能型联产系统则将多余热量存放于蓄能装置中；当热量不足时，无蓄能联产系统开启燃气锅炉对不足的热量进行补充，而蓄能型联产系统则可以同时利用开启燃气锅炉和释放蓄能装置中热量两种方式来补充不足热量。图2 楼宇型分布式冷热电联产系统流程示意图微型燃气轮机和内燃机是分布式冷热电联产系统中较为常用的两种原动机。本文选择的微型燃气轮机的额定
6、参数如下：额定发电效率为33%，额定余热烟气温度为300。而微燃机的额定烟气流量可根据下式进行计算8：(1)其中，Erated,MT是微燃机的额定发电功率，kW；mexhaust,MT是微燃机额定烟气流量，kg/s。微燃机的变工况性能如下式所示8： (2)其中，EMT是微燃机负荷率，FMT,mexhaust,MT andTexhaust,MT则分别为微燃机燃料耗能、微燃机余热烟气流量以及微燃机余热烟气温度与其额定值之比。假定内燃机的额定烟气余热温度均为500，其额定发电效率可以用下式计算9：(3)其中，Erated,GE是内燃机的额定功率，kW。与微燃机类似，内燃机的变工况性能可以表示为10：
7、 (4)其中，EGE为内燃机负荷率，GE是内燃机发电功率与额定功率之比，而Texhaust,GE则是内燃机余热烟气温度与其额定值之比。内燃机的余热主要通过余热烟气和缸套水两种形式被带走。一般来说，两者携带的热量之比约等于1。因此，本文假设余热烟气和缸套水带走的热量均为内燃机总余热量的40%，且缸套水的出口温度恒为98。吸收式制冷机可产生的冷量由原动机提供的余热量Qrec及制冷系数COPABC共同决定，如下式：(5)式（5）中吸收式制冷机的制冷系数主要取决于蒸发温度、冷凝温度以及发生温度，其计算公式如下8：(6)其中，c是吸收式制冷机的热力学完善度。联产系统中辅助设备包括电制冷机和燃气锅炉。其中
8、，电制冷机的制冷系数为3，而燃气锅炉则以天然气为燃料，其效率恒为90%。2系统性能评价指标分布式能源系统的热力学性能由一次能源利用率和一次能耗相对节能率进行评价，而对其经济性能的评价则采用了全生命周期分析法。2.1能量性能评价指标一次能源利用率（Primary Energy Ratio，PER）是系统输出总能量与消耗的一次能量之比，其计算式为5： (7)其中，E、QC和QH分别是联产系统提供的电量、冷量和热量，kWh；F为原动机消耗的燃料低热值，kWh；Egrid和Qboiler分别是联产系统从公共电网中购买的电量以及燃气锅炉产生的热量，kWh；grid和boiler则分别为公共电网的发电效率
9、和燃气锅炉效率。一次能耗相对节能率（Primary Energy Saving Ratio，PESR），简称相对节能率，是指联产系统和输出能量完全相同的分产系统的一次能耗之差与该分产系统一次能耗的比值，计算公式如下：(8)其中，PECCCHP为联产系统的一次能耗，kWh；而PECSP为对应分产系统的一次能耗，kWh。2.2经济性能评价指标分布式冷热电联产系统的经济成本主要包括初投资和运行费用，本文暂不考虑设备的维护费用。联产系统的运行费用可由下式进行计算：(9)其中，LHVNG是天然气的低热值，MJ/m3；pNG和pgrid分别为天然气和电网电力单价，元/kWh。而联产系统初投资成本的计算式如
10、下：(10)其中，C是设备的价格，Capacity则为设备的额定容量，i代表第i个设备，n为联产系统的总设备数目。联产系统中部分设备的成本如表1所示。表1联产系统部分设备成本蓄冷装置蓄热装置电制冷机燃气锅炉价格（元/kW）124120970300内燃机成本单价由下式计算：(11)微燃机成本单价计算式为：(12)单效和双效吸收式制冷机的单价分别为：(13)(14)其中，x代表吸收式制冷机的额定功率，kW。由运行费用和初投资成本共同决定的年生命周期成本可用于评价联产系统的经济性能，其计算式为11：(15)其中，CRF为初投资回收系数，可由下式计算得到： (16)其中，d为折现率，n为联产系统的生命
11、周期年限。本文中，选为参比的分产系统主要由电制冷机以及燃气锅炉组成，分别为商业楼提供冷负荷和热负荷。此外，商业楼所需电量（包括商业楼电负荷及电制冷机耗电量）全部从公共电网购买，其发电效率为36%，同时忽略电量输送过程中产生的电能损耗。3结果与分析3.1楼宇型蓄能型联产系统性能分析表2给出了商业楼联产系统及分产系统的全年能耗性能。在联产系统中，蓄能型内燃机联产系统的一次能源利用率最高，可达78.51%，其一次能源相对节能率也最大，为27.54%；而无蓄能微燃机联产系统的一次能源利用率最低，其值为67.13%，该系统的相对节能率则为15.26%，其值同样是联产系统中最小的。与传统分产系统对比发现，
12、所有联产系统的一次能源利用率和一次能耗相对节能率均高于分产系统，意味着联产系统的全年一次能耗都小于分产系统。对比不同原动机联产系统可知，以内燃机为原动机的联产系统的一次能源利用率和相对节能率都比以微燃机为原动机的联产系统高，说明前者的能耗性能优于后者。这是由内燃机和微燃机的发电效率不同引起的。前面已经提到，微燃机的额定发电效率始终为33%。而根据式（3）可知，内燃机的额定发电效率最低可达37.5%。这就导致了内燃机联产系统为提供电量所消耗的一次能源少于微燃机联产系统。此外，对比原动机相同的无蓄能和蓄能型联产系统可以看到，蓄能型联产系统的一次能源利用率及相对节能率都高于无蓄能联产系统。表明了在联
13、产系统中，增加蓄能装置可以减少全年一次能耗，进一步提高联产系统在能耗性能方面的优势。表2 商业楼联产系统及分产系统的能耗性能分产系统无蓄能微燃机联产系统蓄能型微燃机联产系无蓄能内燃机联产系统蓄能型内燃机联产系统一次能源利用率PER56.89%67.13%68.76%75.45%78.51%一次能耗相对节能率PESR15.26%17.27%24.61%27.54%表3为商业楼联产系统及分产系统的初投资成本及全年运行费用。分产系统的初投资成本约为20万元，远小于所有的联产系统，而分产系统的运行费用则比所有联产系统都多。从表中可以看到，由于微燃机成本高于内燃机，微燃机联产系统的初投资也就比内燃机联产
14、系统高。由能耗分析可知，内燃机联产系统的一次能耗小于微燃机联产系统，这使得前者的年运行费用要小于后者。类似的，对比可知，引入蓄能装置后，联产系统的年运行费用明显下降，而初投资成本却有所提高。表3 商业楼联产系统及分产系统的经济性能分产系统无蓄能微燃机联产系统蓄能型微燃机联产系无蓄能内燃机联产系统蓄能型内燃机联产系统初投资成本（￥）202228.6906212.8911410.7900362.7907250.5年运行费用（￥）334100.8320672.3314916.9284921.1275896.6为全面评价联产系统的经济性能，本文将折现率设为10%，系统的生命周期年限为20年，计算了所有
15、联产系统相比于分产系统的年生命周期成本节约率。图3总结了商业楼联产系统的全年能耗及经济性能。从图中可以看到，虽然联产系统的相对节能率均大于0，但其年生命周期成本节约率都为负值，也就意味着，联产系统的能耗性能优于分产系统，而其经济性能则比分产系统差。其中，内燃机联产系统的年生命周期成本节约率均高于微燃机联产系统。从表2的分析可知，内燃机联产系统的初投资成本及运行费用均低于微燃机联产系统，从而使得前者的生命周期成本小于后者。对比有无蓄能的联产系统可发现，增加蓄能装置在提高联产系统相对节能率的同时，还可以提高联产系统的年生命周期成本节约率。导致这一结果的主要原因是，引入蓄能装置后联产系统的一次能耗下降，使得系统的年运行费用减小。因此，虽然增加蓄能装置引起了初投资成本增加，但联产系统的年生命周期成本仍然有所下降。图3 商业楼无蓄能及蓄能型联产系统的能耗及经济性能3.2蓄能容量对联产系统性
