罗正意, 邵雪奎
(1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083；
2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410083)
在全球化石能源的枯竭和气候变暖的大背景下，综合能源系统(Integrated energy systems,IES))由于其绿色高效的特点而受到广泛的关注。综合能源系统被认为是未来社会能源的主要承载形式，特指在规划、建设、运行和管理等过程中，通过对能源的产生、输配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后形成的能源产供销一体化系统。
科学合理地选择综合能源系统的运行策略对发挥系统的节能减排效果至关重要。当前，对综合能源系统基本运行策略的研究主要集中在以下3种：(1)以电定热(Following the Electric Load，FEL)[1]，也可称之为电跟随模式(Electric Demand Management，EDM)，联供系统动力发电机组发电优先满足用户电负荷需求，发电产生的余热满足用户热负荷需求，若余热供热量不足，则由辅助锅炉补充，而过剩的热量存储或排空。(2)以热定电(Following the Thermal Load，FTL)[2]，又叫热跟随模式(Thermal Demand Management，TDM)，联供系统优先满足系统热负荷需求，不足电量从公共电网购电，对于多余电量按目前政策一般进行存储或排空，而不能接入公共电网。(3)近些年国内外学者对联供系统的运行策略进一步研究，提出了一种混合运行策略(Following a Hybrid Electric—thermal Load, FHL)[3-4]，根据不同工况下用户热负荷和电负荷的相对大小关系，系统选择以热定电或以电定热的策略运行，不足的电能则从电网补充，不足的热量由辅助锅炉提供，避免了单一运行方式下电能或热能的浪费。然而，对于不包含冷热电联供系统的综合能源系统而言，FEL、FTL、FHL等运行策略并不适用。大量的研究[5-6]表明传统的化石能源与太阳能、地热能等可再生能源之间具有互补性，可以很好地弥补各自单独应用的缺陷。随着可再生能源在综合能源系统中大规模的应用[7-8]，针对不包含冷热电联供系统的综合系统提出一种多能互补的运行策略迫在眉睫。
本文以长沙市某室内游泳馆综合能源系统为工程案例，基于系统的各种输入能源之间的互补特性，提出一种多能互补的运行策略，分别在传统的运行策略和多能互补运行策略下，对系统的经济、环保和能效性能进行了对比分析。
表1 游泳馆四个季节典型日负荷需求 单位：kWh
表2 长沙市四个季节典型日室外环境参数
3.1 能量枢纽模型
游泳馆的综合能源系统以太阳能、地热、空气能、天然气和电网购电为能量来源，联合使用太阳能光伏电池板、平板太阳能集热器、土壤源热泵、空气源热泵、燃气锅炉、蓄电池、储热水箱、板式换热器等设备，以满足其电负荷、空调冷负荷、空调热负荷和热水负荷需求。基于“能量枢纽(Energy Hub, EH)”的概念[9]，构建的系统EH模型如图1所示，清楚地描述了系统内部能量的流动关系及耦合机制。系统各设备的容量、经济参数如表3所示。
图1 游泳馆综合能源系统EH模型结构图
表3 游泳馆综合能源系统各设备参数
3.2 设备数学模型
为了提高设备建模的精度，获取更准确的计算结果，本文在对游泳馆综合能源系统的设备建模时，充分考虑设备的变工况特性，具体建模过程如下。
(1)光伏电池板。光伏发电系统受天气影响较大，其发电功率除了跟光伏电池板的安装面积有关，还取决于外界太阳辐射强度和光伏电池板的能量转化效率，可以表示为式(1)，其中电池板的能量转化效率随外界太阳辐射强度和室外环境温度的变化而变化，可由式(2)计算得到[10]。
(1)
(2)
(2)平板太阳能集热器。与光伏电池板类似，平板太阳能集热器的输出功率取决于太阳能集热器的安装面积、外界太阳辐射强度和集热器的能量转化效率。其中，集热器的效率跟太阳辐射以及集热器本身的参数有关[11]。
(3)
(4)
(3)土壤源热泵。土壤源热泵的输出功率取决于性能系数和负荷情况，如式(5)所示，而性能系数取决于土壤源热泵自身的变工况特性，游泳馆的综合能源系统采用的是垂直单U埋管的土壤源热泵，其变工况特性可以用式(6)描述[12]。
(5)
FPL=0.8337+0.1967RPL-0.03778RPL2+0.0073RPL3
(6)
(7)
(8)
(4)空气源热泵。类似的，游泳馆的综合能源系统采用的空气源热泵是变速空气-水热泵，其数学模型如公式(9)所示：
(9)
(10)
(11)
(12)
(5)燃气锅炉。燃气锅炉的输出功率跟其制热效率和负荷情况有关，如式(13)所示，而制热效率取决于锅炉自身的变工况特性，其变工况特性可以用式(14)描述，燃气锅炉的模型如下式所示[13]：
(13)
(14)
(15)
(16)
(6)储能装置。游泳馆的综合能源系统的储能装置采用铅酸蓄电池和显热储热水箱。通过可逆的化学反应，蓄电池实现化学能和电能之间的相互转换，其数学模型如公式(17)所示[14-15]：
(17)
类似的，显热储热水箱其数学模型如公式(18)所示[14-15]：
(18)
综合能源系统的运行策略主要包括启发式运行策略和优化运行策略两种类型，启发式运行策略根据事先拟定的设备启停优先级制定系统的运行规则；
优化运行策略考虑一个调度周期内的运行成本，以调度周期内的总成本最低为目标，优化系统运行，获取系统的运行策略。本文主要探讨启发式的运行策略。
4.1 传统运行策略
传统运行策略下，冷、热、电等网络彼此之间无耦合，运行相对独立。游泳馆综合能源系统传统运行策略下，电负荷由太阳能电池板、蓄电池和电网满足，光伏电池板发电首先用于满足用户电负荷需求，富余的电能存储在蓄电池中；
当光伏电池板发电不足以满足用户电负荷需求时，蓄电池放电来提供电力短缺的部分，若蓄电池仍不能满足剩余的电力需求，从电网中购电。空调冷、热负荷由土壤源热泵和空气源热泵共同提供，空调冷、热负荷首先由土壤源热泵满足，当土壤源热泵满足时，开启空气源热泵。热水负荷由平板太阳能集热器、储热水箱和燃气锅炉共同提供，平板太阳能集热器首先用于满足用户热水负荷需求，富余的热水存储在储热水箱中；
当平板太阳能集热器产生的热身无法满足用户热水负荷需求时，储热水箱放热，若仍不能满足，燃气锅炉开启提供剩余所需的热量。
4.2 多能互补运行策略
前文已提到，FEL、FTL、FHL等运行策略并不适用于不包含冷热电联供系统的综合系统。基于不同能源之间的互补性制定综合能源系统的运行策略，来提高能源系统的经济性、能效性、稳定性和安全性，已经取得广泛共识，并有了不少成功应用[15]。现有研究表明传统的化石能源、太阳能、空气能和地热能等可再生能源之间具有互补性[16-19]。太阳能发电、太阳能低温集热、土壤源热泵、空气源热泵、燃气锅炉等技术已发展成熟，可满足用户对热水、区域供冷/供热、电能的需求。然而，太阳能具有间歇性、波动性的特点，能量密度低，利用太阳能发电或集热容易受到昼夜、天气、季节等不利因素的制约，无法实现连续稳定的供能；
空气能利用技术受外界环境的影响较大；
地热能相对稳定，可以实现连续供能，能量密度同样较低，但其开发利用又受到经济性和场地空间的限制；
天然气能量密度高，可以满足用户冲击负荷的需求，实现连续稳定的供能，但经济性相对较低。由此可见，太阳能、地热能、空气能、天然气在时间、空间和品位方面具有很好的互补性，充分利用这种互补性可以很好地弥补各自在单独应用上的缺陷，实现连续稳定低成本的供能。
本文针对游泳馆的综合能源系统提出了一种启发式的多能互补运行策略，具体介绍如下：
(1)电力供应策略。与传统运行策略下的电力供应策略类似，光伏电池板发电首先用于满足用户电负荷需求，富余的电能存储在蓄电池中，无法满足用户用电需求时，蓄电池放电，若仍不能满足，则从电网中购电。
(2)冷量供应策略。游泳馆的冷负荷需求为空调制冷所需的冷量。空调冷负荷首先由土壤源热泵提供，当土壤源热泵提供的冷量不足以满足空调冷负荷需求时，空气源热泵开启以满足剩余部分空调冷负荷。需要注意的是，当平板太阳能集热器和储热水箱提供的热水不能满足热水负荷需求时，土壤源热泵和空气源热泵中空余的容量用来生产热水以满足热水负荷。
(3)热量供应策略。游泳馆的热负荷需求为空调制热及恒温泳池池水加热所需的热量。与电力供应策略类似，平板太阳能集热器产生的热水首先满足热负荷需求。如果平板太阳能集热器提供的热量有富余，富余的热水存储在储热水箱中；
当平板太阳能集热器无法同时满足空调制热及恒温泳池池水加热的热负荷时，平板太阳能集热器首先用来供应恒温泳池池水加热所需的热量；
如果平板太阳能集热器可以满足该部分负荷，那么平板太阳能集热器中富余的热水和储热水箱中储存的热水用于提供空调制热所需的热量，此时若不能满足空调热负荷，剩余的空调热负荷将依次由土壤源热泵、空气源热泵和燃气锅炉提供，直至满足为止；
否则，剩余的池水加热负荷和空调热负荷由储热水箱、土壤源热泵、空气源热泵和燃气锅炉共同承担。若储热水箱可以满足剩余的池水加热热负荷，储热水箱将继续放热以提供空调供热需求，此时若储热水箱提供的热量不足以满足空调热负荷，那么剩余部分的空调热负荷依次由土壤源热泵、空气源热泵和燃气锅炉提供，直至满足为止；
若储热水箱无法满足剩余的池水加热热负荷，则将由土壤源热泵、空气源热泵和燃气锅炉承担空调热负荷，其中未被利用的容量可用来满足剩余的池水加热负荷。
5.1 经济性指标
综合能源系统的经济性一直以来都是用户比较关注的问题。本文采用年值法计算游泳馆综合能源系统的经济性，系统年总费用( Annual Total Cost，ATC) 包括年运行费用和年维护费用两部分，以公式(19)表示：
(19)
表4 长沙市天然气和外购电价格
5.2 环保性指标
近年来，随着全球气候变化，世界各国越来越关注温室气体的排放，特别是CO2的排放。因此本文将CO2年排放量(Annual Total CO2Emissions, ATE)作为系统环保性评价指标，系统CO2年排放量越小，系统越环保。游泳馆综合能源系统的CO2年排放量可用公式(20)计算：
(20)
5.3能效性指标
在当前使用的多种评价能源系统的能效性的指标中，基于热力学第一定律的一次能源利用率较为常见。一次能源利用率(Primary Energy Ratio,PER)指的是需求侧系统输出总能量与供给侧一次能源消耗量的比值，系统一次能源利用率越高，说明系统的节能性越好。游泳馆综合能源系统的一次能源利用率可以用公式(21)计算：
(21)
根据建立的综合能源系统的模型以及系统的运行策略，在MATLAB中模拟系统在春、夏、秋、冬四个季节典型日的运行情况，各典型日持续时间分别为77 d、102 d、61 d和125 d，据此计算分析系统在传统运行策略和多能互补运行策略下的性能表现。
6.1 经济性分析
根据四个季节典型日各时段系统的运行和维护费用，以及各典型日的天数计算得到的四个季节两种运行策略下的运行和维护费用如图2所示。在春季、秋季和冬季，多能互补运行策略的经济性优于传统运行策略，比传统运行策略下的运行和维护费用分别低约21.5%、6.8%和24.8%，且在冬季尤为显著；
在夏季，两种运行方式的经济性一样。在传统运行策略和多能互补运行策略下，系统的年运行和维护费用分别为176 810元/a、147 420元/a，多能互补运行策略下的年运行和维护费用比传统运行策略的减少了约16.7%。因此，多能互补运行策略比传统的运行策略具有更好的经济性。
图2 两种运行策略下不同季节系统的运行和维护费用
6.2 环保性分析
系统的环保性采用CO2年排放量指标来评价。如图3所示，两种运行策略下，四个季节CO2排放量的差距并不明显，其中，多能互补运行策略下，春季、秋季和冬季的CO2排放量仅比传统运行策略的增加了约17.4%、8.2%和3.7%，夏季二者的CO2排放量相同，均为55 799 kgCO2。传统运行策略和多能互补运行策略下，系统的CO2年排放量分别为164 050、170 640 kg/a，多能互补运行策略下的CO2年排放量仅比传统运行策略的增加了约4%。因此，多能互补运行策略的环保性仅略低于传统的运行策略。
图3 两种运行策略下不同季节系统的CO2排放量
6.3 能效性分析
系统的能效性采用一次能源利用率指标来衡量。如图4所示，两种运行策略下，春季、秋季和冬季的一次能源利用率差距较为明显，夏季的一次能源利用率相同。其中，多能互补运行策略下春季、秋季和冬季的一次能源利用率分别比传统运行策略的增加了约260%、72.5%和192%，夏季二者的一次能源利用率均为5.1。传统运行策略和多能互补运行策略下，系统的年平均一次能源利用率分别为1.8和3.9，多能互补运行策略下的年平均一次能源利用率比传统运行策略增加约117%。因此，多能互补运行策略比传统的运行策略具有更高的能效性。
图4 两种运行方式下不同季节系统的一次能源利用
基于综合能源系统输入的不同能源在时间、空间和品位方面的互补性的多能互补运行策略比传统策略更具有优势。传统运行策略和多能互补运行策略下系统的经济性、环保性和能效性的分析表明：多能互补运行策略下系统的年运行和维护费用比传统运行策略的减少了约16.7%，年平均一次能源利用率比传统运行策略的增加约117%，但CO2年排放量仅比传统运行策略的增加了4%，综合考虑三因素，多能互补运行策略比传统运行策略更具有优势。
猜你喜欢 游泳馆源热泵热水 一壶热水思维与智慧·下半月(2022年5期)2022-05-17暖通空调设计中地源热泵实践建材发展导向(2022年3期)2022-04-19多喝热水花火彩版A(2021年2期)2021-09-10和让你“多喝热水”的男孩结婚海峡姐妹(2020年2期)2020-03-03今天营业吗动漫界·幼教365(大班)(2019年7期)2019-10-09游泳馆里的大象少年文艺·开心阅读作文(2019年2期)2019-03-04地源热泵在建筑空调系统设计中的应用分析科学与财富(2019年2期)2019-02-28鱼在热水中游小猕猴智力画刊(2017年8期)2017-08-09游泳馆小溪流（画刊）(2016年8期)2016-05-14凉快的游泳馆小朋友·快乐手工(2015年7期)2015-08-13