寒冷地区酒店建筑供热系统优化研究

寒冷地区酒店建筑供热系统优化研究

由于其节能和环保，天然气冷热能源联合供系统（以下简称联合供系统）在世界范围内受到了高度重视[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11]。联供系统按供应范围可分为区域联供系统(DCHP)、楼宇联供系统(BCHP)。区域型联供系统的供应对象是一定区域内的建筑群,机组容量较大。楼宇型联供系统是指与单体建筑相结合的供能形式,机组容量较小,本文研究对象为楼宇型联供系统。目前,在国内较为常见的联供系统设备配置设计方法是单点设计法,即将建筑单位面积设计负荷乘以一个系数,以此确定发电机组、余热利用设备、冷热源设备的类型和容量。而在分析联供系统的运行时,通常根据“以热定电”或“以电定热”的运行策略。这种设备配置设计方法及运行策略比较主观,容易造成联供系统设备配置不当、运行不经济等问题。本文以天津地区某宾馆建筑为例,对联供系统的设备配置及运行策略进行优化,并以分供系统作为比较对象,评价优化后联供系统的节能性、经济性。1全年电负荷分析①工程概况该宾馆建筑位于天津市,建筑面积为14475m2,空调面积为14087m2。在1、2层的大堂和共享空间采用全空气系统,客房采用风机盘管加新风系统,空调系统24h运行。宾馆建筑的三维模型见图1,设计参数见表1。②负荷模拟计算采用EnergyPlus软件对该宾馆建筑的全年逐时冷热电负荷进行模拟计算,相关模拟参数根据建筑实际使用要求和GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》确定。全年各月平均冷热负荷、制热水负荷及电负荷分布见图2,其中电负荷只包括照明、设备的基本电负荷。由图2可知,全年电负荷变化较为平缓,在过渡季节电量需求相对较少。冬季、过渡季、夏季平均电负荷分别为93、86、105kW。全年制热水负荷变化较平缓,冬季较大,夏季较小,年平均制热水负荷为79kW。夏季供冷时间为6月1日—9月30日,平均冷负荷为212kW。冬季供暖时间为11月1日—次年3月30日,平均热负荷为233kW。热电比(冷热负荷、制热水负荷之和与电负荷之比)分布见图3。由图3可知,热电比呈W型分布,冬季最大,为2.6～4.5;夏季次之,为1.6～3.6;过渡季节较小,为1.0左右。冬季、过渡季、夏季典型日的冷热负荷、制热水负荷、电负荷分布分别见图4～6。冬季典型日为1月21日,过渡季典型日为4月21日,夏季典型日为7月21日。由图4～6可知,各季节典型日的电负荷变化规律大致相同,高峰主要出现在17:00—24:00,5:00—9:00有一个小高峰,其他时段较为平缓。制热水负荷与电负荷变化规律相似。冬季典型日最大热负荷为723kW,出现在7:00左右,15:00左右热负荷出现最低值(280kW)。夏季典型日的冷负荷最低为300kW,出现在6:00左右,随着室外温度的升高,冷负荷逐渐上升,至19:00达到最大,然后下降。2冷机组系统流程联供系统由燃气内燃机发电机组(以下简称发电机组)+溴化锂吸收式制冷机组(以下简称吸收式机组)、补燃型余热锅炉、电制冷机组,系统流程见图7。燃气内燃机的余热优先用于补燃型余热锅炉,当余热量可单独满足需求时不启动补燃型余热锅炉。作为比较对象的分供系统流程见图8。3日联供系统运行策略①研究方法采用HUDCHPScreeningToolv2.1软件对联供系统的设备配置、运行策略进行优化。软件需要输入的参数包括:逐时冷热电负荷、分时电价、天然气价格、发电机组的性能参数(如所选择的发电机组形式、机组额定发电效率、最小输出电功率、最小负荷率、热电比、发电机组数量等)、补燃型余热锅炉热效率、制冷机组性能参数(如吸收式机组热力系数、电制冷机组制冷性能系数、最小负荷率等)、设备造价及维护费用、使用年限、折现率等参数。其中最小负荷率为基本约束条件,当负荷率低于最小负荷率时,设备停止运行。发电机组的最小负荷率设定为50%。吸收式机组负荷率低于25%时,关闭吸收式机组,改由电制冷机组供冷。软件将输入参数作为“设备配置模型”的输入条件,计算出联供系统的最优设备配置。将最优设备配置作为“系统运行模型”的初始条件,由于联供系统不考虑发电上网,因此运行策略应从“电主热从”的原则考虑。根据逐时冷热电负荷、分时电价、天然气价格等参数,以分供系统的运行策略作为参考,以净现值最大为目标进行求解计算,最终得到最优运行策略。②参数设定天津地区分时电价见表2。天然气价格为3.15元/m3,低热值为35169kJ/m3。发电机组的单位发电功率造价为6800元/kW,维护费用:1MW以下为0.104元/kW,1～5MW为0.072元/kW。补燃型余热锅炉单位热功率造价为600元/kW,维护费用为2.16元/kW。吸收式机组单位制冷量造价为1200元/kW,维护费用为0.8元/kW。电制冷机组单位制冷量造价为700元/kW,维护费用为9.7元/kW。发电机组发电效率取35%,补燃型余热锅炉热效率取85%,吸收式机组热力系数取1.2,电制冷机组制冷性能系数取5.0。③最优设备配置及运行策略联供系统的最优设备配置见表3。发电机组数量为2台,其他设备数量均为1台。优化后,各典型日联供系统的运行策略见图9～14。由图9～14可知,冬季发电机组的开启时间为18:00—22:00,这是由于该时段处于用电高峰期且电价较高。夏季发电机组的开启时间相对较长(7:00—22:00)。对比冬夏季发电机组的开启时间可知,虽然冬夏季的热电比都相对较高,但由于冬季热电逐时负荷不匹配,热负荷大都集中在用电量较小的时段,因此冬季发电机组的开启时间明显短于夏季,且余热利用量低于夏季。从对余热充分利用的角度分析,冬季和夏季在发电机组的运行时间内,余热能被充分利用,几乎没有多余的废热排放,且在余热不足时还需要补燃。但在过渡季,多余的余热被排放,余热利用率较低。④优化效果评价以分供系统为比较对象,从节能性、经济性两方面对最优运行策略下的联供系统进行评价。节能性指标为一次能源节约率(FirstEnergySavingRatio,FESR),一次能源节约率IFESR的计算式为:IFESR=Qfs−QfcQfsΙFESR=Qfs-QfcQfs式中IFESR——一次能源节约率Qfs——分供系统一次能源消耗量,JQfc——联供系统一次能源消耗量,J经济性采用联供系统相比分供系统的运行费用节约率进行评价。各季节月均一次能源节约率、运行费用节约率见表4。由表4可知,冬季和夏季一次能源节约率较高,分别为9.2%、8.0%,