摘要：結(jié)合中新天津生態(tài)城動漫園的燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，采用Energyplus模擬計算了建筑全年冷熱電負荷，以壽命周期成本(LCC)最小為目標函數(shù)建立優(yōu)化模型，對聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案和運行策略進行了探討。根據(jù)優(yōu)化模型確定的燃氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)方案具有更好的節(jié)能性、經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞： 燃氣冷熱電聯(lián)供；優(yōu)化模型；設(shè)備配置；運行策略
Optimization of Combined Cooling，Heating and Power System for Animation Park in Sino-Singapore Tianjin Eco-city
Abstract：Combined with the gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system for Animation Park in Sino-Singapore Tianjin Eco-city，the annual building cooling，heating and power loads are simulated and calculated by Energyplus，an optimization model is established using the minimal lifecycle cost(LCC)as an object function，and the equipment configuration scheme and operation strategy
of the system are discussed．The gas-fired CCHP scheme determined by the optimization model has better energy-saving and economy．
Key words： gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)； optimization model； equipment configuration； operation strategy
1 概述
中新天津生態(tài)城是中國與新加坡兩國政府應(yīng)對全球氣候變化、加強環(huán)境保護、節(jié)約資源的戰(zhàn)略性合作項目，是國家間合作開發(fā)建設(shè)的生態(tài)城市。其指導(dǎo)思想為探索“能復(fù)制、能實行、能推廣”的城市發(fā)展模式。中新天津生態(tài)城動漫園由文化部與天津市合作共建，是文化部確認的第一個國家級動漫產(chǎn)業(yè)園。
燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)供系統(tǒng))是以天然氣為一次能源，產(chǎn)生電和可用冷熱能的能源系統(tǒng)[1]。利用燃氣輪機、內(nèi)燃機等發(fā)電機組與溴化鋰吸收式冷熱水機組進行優(yōu)化組合，可實現(xiàn)終端能源的梯級利用和高效轉(zhuǎn)換，避免遠距離輸電損失，提高能源利用效率，降低能耗。[2-12]。
然而聯(lián)供系統(tǒng)只有在合理的設(shè)備配置與運行策略下才能充分發(fā)揮節(jié)能、環(huán)保、綜合效率高的優(yōu)勢。目前國內(nèi)對于聯(lián)供項目的可行性研究往往只進行方案對比，且僅考慮以熱、冷定電或以電定熱、冷，孤立了設(shè)備配置與運行策略，經(jīng)濟性評價的準確性也無法保證。因此，尋求合理的設(shè)計方法實現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)的最佳配置，是聯(lián)供項目成功的關(guān)鍵。
本文采用Designbuilder軟件建立了建筑模型，結(jié)合能耗分析軟件Energyplus進行詳細參數(shù)設(shè)定，獲取動漫園全年(8 760 h)的動態(tài)冷熱電負荷，以及聯(lián)供系統(tǒng)的能耗。以壽命周期成本LCC(Life Cycle Costs，LCC)最小為目標函數(shù)建立優(yōu)化評價模型，對聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案和運行策略進行優(yōu)化評價，確定最佳方案。
2 項目概況
①建筑基本情況
動漫園位于中新天津生態(tài)城，占地面積為l km2，總建筑面積約77×
②聯(lián)供系統(tǒng)流程
動漫園聯(lián)供系統(tǒng)流程見圖1。聯(lián)供系統(tǒng)由燃氣輪機發(fā)電機組(以下簡稱發(fā)電機組)、溴化鋰吸收式冷熱水機組(以下簡稱吸收式機組)、電制冷機組(離心式冷水機組)和燃氣鍋爐組成。發(fā)電機組發(fā)電和市政電網(wǎng)電用于滿足建筑的電負荷。電制冷機組所需電量優(yōu)先采用發(fā)電機組發(fā)電，不足部分由市政電網(wǎng)補充。發(fā)電機組發(fā)電量作為自用，不上網(wǎng)銷售，發(fā)電余熱驅(qū)動吸收式機組向建筑供熱或供冷。當(dāng)供熱量不足時由燃氣鍋爐補充，制冷量不足時由電制冷機組補充。
3能耗模擬
能耗模擬軟件Energyplus在基本使用特性、計算能力和設(shè)備兼容性等方面較為突出[13-16]，但需要友好的用戶圖形界面與之配合[17]，Designbuilder是專門針對Energyplus開發(fā)的用戶圖形界面軟件。利用Designbuilder軟件建立動漫園建筑模型，見圖2。相關(guān)能耗模擬參數(shù)為：①圍護結(jié)構(gòu)。外墻傳熱系數(shù)為0．52 W／(m2·K)；屋面、樓板傳熱系數(shù)為0．44W／(m2·K)；外窗傳熱系數(shù)為2．70 W／(m2·K)，自身遮陽系數(shù)為0．70，可見光透射比(4個朝向相同)為0．40，建筑各朝向(含透明幕墻)窗墻比均小于0．70。②散熱量及人員密度。大廳：照明散熱量為13 W／m2，設(shè)備散熱量為13 W／m2，人員密度為0．3人／m2。走廊：照明散熱量為5 W／m2，人員密度為0．025人／m2。餐廳：照明散熱量為9 W／m2，設(shè)備散熱量為5 W／m2，人員密度為0．4人／m2。辦公室：照明散熱量為9 W／m2，設(shè)備散熱量為30 W／m2，人員密度為0．25人／m2。競技廳：照明散熱量為18 W／m2，設(shè)備散熱量為30 W／m2，人員密度為0．6人／m2。③新風(fēng)量：大廳、餐廳、競技廳大于等于
采用Energyplus模擬計算動漫園建筑全年動態(tài)逐時冷熱電負荷。全年動態(tài)逐時冷熱負荷見圖3，圖中正值為熱負荷，負值為冷負荷。由圖3可知，全年最大冷負荷為20 532．8 kW，最大熱負荷為15 987．3kW。建筑全年各時段用電負荷(不含空調(diào)系統(tǒng)用電負荷)比較均衡，全年最大用電負荷為6 883．5 kW。
4 聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化評價模型
①優(yōu)化日標
本文采用壽命周期成本對聯(lián)供系統(tǒng)進行優(yōu)化評價[18-19]，優(yōu)化目標為壽命周期成本最小。壽命周期成本最小，壽命周期成本CLCC的計算式為：
式中 CLCC——壽命周期成本，元／a
F——壽命內(nèi)設(shè)備造價的年度折算值，元/a
C——年運行費用，元／a
R——資金回收系數(shù)[20]
Ctur——發(fā)電機組造價，元
Cra——吸收式機組造價，元
Cre——電制冷機組造價，元
Cgb——燃氣鍋爐造價，元
Ci——其他相關(guān)費用(包括輔助設(shè)備造價)，元
i——年利率
n——聯(lián)供系統(tǒng)壽命，a，取l
②約束條件
約束條件主要包括設(shè)備性能約束、設(shè)備負荷率約束、能流平衡約束條件。
設(shè)備性能約束條件為：
式中 Ptur——發(fā)電機組的發(fā)電功率，kW
Фf——發(fā)電機組消耗燃氣熱功率，kW
ηp,tur——發(fā)電機組的發(fā)電效率
X——設(shè)備的啟停狀態(tài)參數(shù)，為0或1，分別表示關(guān)閉和開啟
Фtur——燃氣輪機產(chǎn)生的余熱量，kW
ηtur——燃氣輪機的熱效率
Фra,c——吸收式機組的制冷量，kW
Фrai——吸收式機組所需熱量，kW
ICOP,c——吸收式機組的制冷性能系數(shù)
Фra,b——吸收式機組的制熱量，kW
ICOP,b——吸收式機組的制熱性能系數(shù)
Фre——電制冷機組的制冷量，kW
Pre——電制冷機組的耗電功率，kW
ηre——電制冷機組的效率
設(shè)備負荷率約束條件為：
式中 Ptur,r——發(fā)電機組的額定發(fā)電功率，kW
Фra,c,r——吸收式機組的額定制冷量，kW
Фre,r——電制冷機組的額定制冷量，kW
Фgb——燃氣鍋爐的供熱量，kW
Фgb,r——燃氣鍋爐的額定供熱量，kW
能流平衡約束條件為：
式中 Фc——冷負荷，kW
Фh——熱負荷，kW
Pe——市電功率，kW
PL——除空調(diào)系統(tǒng)外的用電負荷，kW
Фdisp——燃氣輪機排除的剩余熱量，kW
③輸人參數(shù)
優(yōu)化模型需要輸入的參數(shù)包括動漫園建筑冷熱電負荷的逐時值、天然氣及市電的售價、設(shè)備單位容量造價、各設(shè)備性能特性與負荷率的函數(shù)關(guān)系等。通過調(diào)查咨詢各設(shè)備廠家，得到以下設(shè)備的單位容量造價：主要設(shè)備：發(fā)電機組單位發(fā)電功率造價為6 800元/kW，吸收式機組單位制冷量造價為l 200 元／kW，燃氣鍋爐單位熱功率造價為300元／kW，電制冷機組單位制冷量造價為970元/kW。輔助設(shè)備：冷卻塔、循環(huán)泵等設(shè)備造價取冷水機組造價的30％，電控設(shè)備取冷水機組造價的l0％。
燃氣價格按照2．4 元／m3計算，中新天津生態(tài)城各時段電價見表l。此外，燃氣輪機部分負荷率下降到0．5以下時熱效率下降嚴重，因此將燃氣輪機部分負荷率≥0．5作為約束條件。將以上參數(shù)輸入到優(yōu)化評價模型就可得到聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備配置和運行策略。
5優(yōu)化評價結(jié)果與分析
①方案比較
根據(jù)以壽命周期成本最小為目標的優(yōu)化評價模型，得到優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置方案，見表2。優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)與對比方案的經(jīng)濟比較見表3，天然氣的低熱值取36．4 MJ／m3。對比方案為熱電冷分供系統(tǒng)、以熱定電聯(lián)供系統(tǒng)、以冷定電聯(lián)供系統(tǒng)。分供系統(tǒng)采取電制冷機+燃氣鍋爐，電力由市網(wǎng)供應(yīng)。
以熱定電聯(lián)供方案按照吸收式機組供熱量與熱負荷之比確定。經(jīng)模型優(yōu)化后，當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)壽命周期成本最小時，吸收式機組供熱量與熱負荷之比為0．4，即以熱定電聯(lián)供方案中吸收式機組的供熱量確定為熱負荷的40％，再根據(jù)吸收式機組的制熱性能系數(shù)確定所需熱量，從而確定以熱定電聯(lián)供系統(tǒng)的配置方案。以冷定電聯(lián)供方案的確定與以熱定電聯(lián)供系統(tǒng)方法基本一致，區(qū)別在于，經(jīng)模型優(yōu)化后，當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)壽命周期成本最小時，吸收式機組的供冷量與冷負荷之比為0．3。由表3可知，優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)壽命周期成本及能耗最低，這表明優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)在經(jīng)濟性及節(jié)能方面均具有一定優(yōu)勢。
②運行策略
在動漫園實行峰谷電價的基礎(chǔ)上，冬夏季典型日聯(lián)供系統(tǒng)的供熱量、供冷量、供電功率的分布見圖4～7。由于在優(yōu)化模型中考慮了設(shè)備負荷率等實際因素的影響，因此對于根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行配置的方案，圖4～7即可反映全年典型目的各個設(shè)備啟停狀態(tài)，即優(yōu)化配置方案下的運行策略。
由圖4～7可知，發(fā)電機組基本上不承擔(dān)電力低谷時段的熱電冷負荷。電負荷和冷熱負荷處于高峰時發(fā)電機組幾乎滿負荷運行，燃氣鍋爐和電制冷機組作為補充。這使得以經(jīng)濟效益為目標優(yōu)化后的聯(lián)供系統(tǒng)兼顧了節(jié)能性。
6 結(jié)論
①中新天津生態(tài)城高新技術(shù)密集并定位為建筑方式靈活多變、獨特新穎、充分體現(xiàn)綠色和低碳的生態(tài)城市，聯(lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)了生態(tài)城動漫園對能量的梯級利用，是經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)境友好的用能方式。
②沒備配置與運行策略是聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟節(jié)能性的核心，應(yīng)根據(jù)準確的冷熱電負荷和實際能源價格，以及可行的運行策略確定聯(lián)供方案，以達到經(jīng)濟性最優(yōu)。
③優(yōu)化的聯(lián)供系統(tǒng)不僅在經(jīng)濟性上相對于常規(guī)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，而且具有較好的節(jié)能性。
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本文作者：李瓊 陳冠益 鄭雪晶 顏蓓蓓
作者單位：天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
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