近些年来, 我国能源需求增长迅猛, 2017年能源消费为3.132×10¹⁰ t油当量, 占全球能源消费总量的23.2%, 已经成为全世界最大的能源消费国^[1]。分布式供能系统^[2]作为我国能源战略的重点, 其供能方式具有规模小、灵活性强等特点, 已成为一种发展趋势^[3-6]。其中, 以燃气轮机、江水源热泵为核心组成的复合联供系统, 在楼宇型建筑供能中节能效果显著, 既能满足用户的负荷需求, 又能实现对能源的梯级利用。

对此, 目前国内已有大量学者进行了研究。张廷学^[7]以重庆市某商务区建设的复合系统项目为例, 对商务区采用以天然气为一次能源进行发电, 利用发电余热制冷制热的三联供和江水源热泵复合系统方案的技术先进性、经济可行性进行研究, 最终为项目提供决策依据。司鹏飞^[8]为了实现基于全年动态工况的三联供和江水源热泵复合系统的优化配置, 建立了发电机、水源热泵等主要设备部件变工况条件的热力模型, 并利用长江上游2个水文的气象参数, 对比分析了发电上网和发电并网两种形式下复合系统的配置与运行差异。张强^[9]通过建立分布式与江水源热泵复合联供系统的数学模型, 进行编程模拟计算, 以常规分供系统为比较对象, 对复合联供系统进行了综合评价。龙惟定等人^[10]以上海世博会中关于江水源热泵的部分作为研究对象, 分析了大型江水源热泵的应用对黄浦江环境的影响以及热泵技术在世博会期间的应用对于整个世博园节能减排效果的影响。

国内对于分布式复合联供系统的研究大多聚焦于地源热泵或光伏发电板与分布式复合联供系统, 且大多将复合联供系统应用于大型区域建筑, 而针对医院型建筑的江水源热泵与分布式复合联供系统的研究略有不足。本文针对上海某医院的分布式供能系统, 为了减小医院的年总成本, 提出增加江水源热泵与原分布式系统组成复合联供系统的两种方案, 在固定设备和能源价格的情况下, 研究燃气轮机回热及江水温度变化引起的江水源热泵的性能系数(Coefficient of Performance, COP)变化对两种方案年总运行成本的影响, 以期为针对医院型建筑的江水源热泵与分布式复合联供系统的方案选择提供参考。

该医院分布式冷热电三联供分布式系统如图 1所示。用户的冷负荷由利用燃气轮机余热的烟气吸收式制冷机提供; 用户的热负荷由利用燃气轮机余热的烟水换热器提供; 用户的电负荷由电网和燃气轮机共同提供, 如果燃气轮机发电有剩余, 可向电网出售。

添加江水源热泵至供热端系统如图 2所示。用户的冷负荷由利用燃气轮机余热的烟气吸收式制冷机提供; 用户的热负荷由利用燃气轮机余热的烟水换热器和江水源热泵共同提供; 用户的电负荷由电网和燃气轮机共同提供, 如果燃气轮机发电有剩余, 可向电网出售。

添加江水源热泵至供冷端系统如图 3所示。用户的冷负荷由利用燃气轮机余热的烟气吸收式制冷机和江源源热泵共同提供; 用户的热负荷由利用燃气轮机余热的烟水换热器提供; 用户的电负荷由电网和燃气轮机共同提供, 如果燃气轮机发电有剩余, 可向电网出售。

对于方案1, 用户的热负荷Q_r由两部分提供, 即

$ {Q_{\rm{r}}} = {Q_{{\rm{sr}}}} + {Q_{\rm{h}}} $

(1)

用户的冷负荷Q_c由烟气型溴化锂制冷机提供。

烟水换热器需要的烟气热量Q_rh为

$ {Q_{{\rm{rh}}}} = \frac{{{Q_{\rm{h}}}}}{\eta } $

(2)

式中:η——烟水换热器的换热效率。

吸收式制冷机组需要的烟气热量Q_rc为

$ {Q_{{\rm{rc}}}} = \frac{{{Q_{\rm{c}}}}}{{{C_{\rm{c}}}}} $

(3)

式中:C_c——吸收式制冷机的COP。

江水源热泵额定供热功率为57.1 kW, 制冷功率为49.7 kW, 此时江水源热泵的用电量E_sr为

$ {E_{{\rm{sr}}}} = \frac{{{Q_{{\rm{sr}}}}}}{{{C_{\rm{s}}}}} $

(4)

式中:C_s——江水源热泵的COP

此时燃气轮机的排烟余热Q_gt由系统中的烟水换热器需要的烟气热量Q_rh与吸收式制冷机组需要的烟气热量Q_rc组成, 即

$ {Q_{{\rm{gt}}}} = {Q_{{\rm{rh}}}} + {Q_{{\rm{rc}}}} $

(5)

此时整个系统的电量平衡可表示为

$ \begin{array}{l} {E_{\sup }} = {E_{\rm{b}}} + {E_{{\rm{gt}}}}\\ {E_{\sup }} = {E_{\rm{u}}} + {E_{{\rm{sr}}}} \end{array} $

(6)

整个系统在“以热定电”^[11-12]的模式下设计和运行。目前系统共有15台燃气轮机供能, 夏季和冬季都需要15台燃气轮机联合供能, 过渡季节时需要停运3台燃气轮机, 加装江水源热泵和无回热运行只需关停多余燃气轮机即可。当燃气轮机的排烟余热Q_gt确定后, 燃气轮机的发电量E_gt也随之确定。

对于方案2, 用户的冷负荷Q_c由两部分提供, 即

$ {Q_{\rm{c}}} = {Q_{{\rm{ac}}}} + {Q_{{\rm{sc}}}} $

(7)

用户的热负荷Q_r由烟水换热器提供。

最后根据方案1的公式, 就可以得到燃气轮机的排烟余热Q_gt和方案2的系统电量平衡, 即

$ \begin{array}{l} {Q_{{\rm{gt}}}} = {Q_{{\rm{rh}}}} + {Q_{{\rm{rc}}}}\\ {E_{\sup }} = {E_{\rm{b}}} + {E_{{\rm{gt}}}}\\ {E_{\sup }} = {E_u} + {E_{{\rm{sc}}}} \end{array} $

(8)

其中:当E_b>0时, 燃气轮机发电不足, 需向电网购电; 当E_b =0时, 燃汽轮机发电量与用户用电量持平, 买电量和卖电量均为0;当E_b < 0时, 燃气轮机发电量有剩余, 剩余电量可向电网售出。

不同季节水温变换会引起江水源热泵COP发生变化, 本文采用不同COP下系统的年总成本^[11]作为系统方案选择的评价指标。年总成本包含年运行费用和初投资折旧费用两部分, 即

$ {C_{{\rm{capital}}}} = {C_{{\rm{operation}}}} + r{C_{{\rm{invent}}}} $

(9)

$ {C_{{\rm{operation}}}} = {J_{\rm s}}{D_{\rm s}} + {J_{\rm v}}{D_{\rm v}} + {J_t}{D_t} $

(10)

$ r = \frac{{i{{\left( {1 + i} \right)}^m}}}{{{{\left( {1 + i} \right)}^m} - 1}} $

(11)

式中:C_capital——系统的年总成本, 元;

C_operation——年运行费用, 元;

r——资金回收系数;

C_invent——初投资费用, 元;

J_s, J_v, J_t——夏季、冬季和过渡季节的日运行费用, 元;

D_s, D_v, D_t——夏季、冬季和过渡季节的天数;

i——银行贷款利率;

m——设备寿命年限。

日运行费用J为全天各时段运行费用之和^[13]。第k时段的运行费用为该时段原动机消耗天然气费用与从电网购电费用之和。

$ J = \sum\limits_{k = 1}^{24} {\left[ {{\varphi _{{\rm{ele}}(k)}}{E_{\rm{b}}} + 3.6\frac{{{\varphi _{{\rm{gt}}}}{F_{gt(k)}}}}{L}} \right]} $

(12)

$ {F_{{\rm gt}(k)}} = \frac{{{Q_{{\rm{gt}}(k)}}}}{n} $

(13)

式中:φ_ele(k)——每时段电网售电单价, 元/kWh;

φ_gt——燃气轮机消耗天然气单价, 元/m³;

F_gt(k)——k时段的天然气量, m³;

L——天然气低位热值, MJ/m³;

n——燃气轮机能效参数。

本文以上海某医院为例进行研究。该用户分别在夏季(96日)、冬季(110日)和过渡季(159日)典型日24 h内的冷、热、电负荷变化折线^[14]如图 4所示。由图 4可知, 在3个季节中, 用户基础电负荷在一天之中的折线变化趋势相近。但是随着季节的转换, 冷负荷与热负荷的需求相差较大, 具体表现为冷负荷只在夏季有, 热负荷包括冬季采暖负荷和卫生热水, 3个季节中都有卫生热水的供应, 且3个季节的卫生热水需求在14:00~21:00时处于需求高峰期。

表 1给出了该医院系统运行所涉及的电价和天然气价格^[15]。

冷热电三联供和江水源热泵组成的复合联供系统的主要设备能效参数, 包括燃气轮机满负荷发电量为80 kW^[16-17]在有无回热下的发电效率、烟水换热器效率、江水源热泵的COP以及制冷机组的COP, 如表 2所示^[15]。

表 3给出了该医院系统运行所涉及的主要设备成本^[12], 以单位容量的价格来确定。

针对该医院的江水源热泵与分布式复合系统在不同方案下的年总成本随江水源热泵COP变化情况如图 5和图 6所示。

由图 5可知, 当燃气轮机有回热时, 原方案年总成本不变, 方案2年总成本随江水源热泵COP变化而逐渐降低, 但整体变化较小, 这主要是因为整个用户只有夏季才需要冷负荷, 而冬季和过度性季节无需求; 方案1的年总成本随COP变化同样逐渐降低, 但变化幅度较大, 取得了较大成果。由图 6可知, 当燃气轮机无回热时, 原方案年总成本依然不变, 但相对于有回热下的原方案年总成本较低, 方案2总成本随江水源热泵COP变化而逐渐降低, 整体变化仍较小; 方案1的年总成本随COP变化较大, 且逐渐降低。对比图 5和图 6可知, 无回热时, 单台燃气轮机余热供应多, 燃气轮机功率小, 其年总成本相对更低。由此可知, 在当前条件下, 以无回热燃气轮机热电联产与江水源热泵构成的复合供能系统在江水源热泵置于制热端时, 也即方案1为年总成本最低方案。

(1) 在本文给定的价格和设备能效的条件下, 最佳供能方案是燃气轮机无回热时将江水源热泵置于制热端, 此时年总成本达到最小值。

(2) 燃气轮机有无回热和制冷机COP变化都对江水源热泵与分布式复合系统方案的选择影响很大, 燃气轮机无回热时的年总成本要低于有回热时的年总成本, 且年总成本随COP增大而逐渐减小。