楼宇型分布式能源站中蓄能系统的应用探讨

常丽，秦渊，李晨

楼宇型分布式能源站中蓄能系统的应用探讨

常丽，秦渊，李晨

（中南电力设计院，湖北武汉430071）

介绍了楼宇型分布式能源站的特点及装机配置，并以武汉某分布式能源站为案例，分析了蓄能系统在楼宇型分布式能源站中的意义，提出蓄能系统设备配置及运行策略的建议。

楼宇型分布式能源站；蓄能系统；系统配置；运行策略

0 引言

随着经济的发展、能源结构的调整，分布式能源站系统的应用逐渐引起人们的关注。目前国内已投产的分布式能源站普遍存在经济效益较差的现象，这不仅与我国特定的能源价格、电力政策等管理体制方面有关，更重要反映的是冷、热、电负荷需求分析不准确以及系统配置不合理等方面的问题。本文将对分布式能源站中蓄能系统的系统配置及运行策略进行分析探讨。

1 楼宇型分布式能源站概述

分布式能源站也称为燃气冷热电三联供系统（CCHPC：ombined Cooling，heating and Power），是能源综合梯级利用的解决方案，总的能源利用率可以达到75%～90%。它以燃气（天然气、生物质沼气等）为一次能源，将发电系统和供热、供冷系统相结合的小规模、点状分布在用户附近的一种综合供能方式。

分布式能源站按供能范围及系统规模大小，分为区域型和楼宇型两类。区域型分布式能源站针对工业园区等规模较大的区域，系统规模大，发电机组多采用燃气轮机；楼宇型分布式能源站则针对酒店、机场、写字楼、商厦、医院等建筑群，系统规模较小，发电机组多采用内燃机，一般布置在地下室或邻近建筑内。本文主要针对楼宇型天然气分布式能源站的系统配置进行探讨。

表1 楼宇型分布式能源站装机配置类别

楼宇型分布式能源站的装机配置主要分为发电机组、余热利用机组、调峰设备及蓄能系统四部分。

2 楼宇型分布式能源站中蓄能系统选型

2.1 楼宇型分布式能源站中设置蓄能系统的意义

（1）优化系统配置

为了合理确定能源站配置选型，最大限度利用余热，保证能源站的高效性和经济性，首先应对能源站的冷、热负荷作详细的分析汇总，并绘制采暖期、制冷期和过渡期的典型日负荷图，确定能源站的设计负荷、基础负荷以及调峰负荷。能源站的基础负荷主要由余热利用设备承担，调峰负荷则由调峰设备及蓄能系统承担。合理选择蓄能系统可以使冷热源设备容量减少30%～50%，减少能源站的初投资，使各设备在高效率区段运行，避免“大马拉小车”。

（2）提高发电机组运行小时数

与常规空调系统不同，分布式能源站系统中的蓄能系统不仅仅用于冷、热负荷的调峰，同时可作为一个稳定的冷、热用户，有效平衡能源站服务区域冷、热负荷的波动，以保证发电机组及余热利用设备长期在高负荷时段运行，增大发电机组满负荷运行小时数，提高能源站的经济性。

（3）移峰填谷

蓄能系统在分布式能源站中起到平衡冷、热、电负荷的作用，缓解用电高峰期电力供应短缺的局面，同时使分布式能源站真正做到“自发自用，余电上网”，最大程度的提高分布式能源站的经济效益。

（4）多冷、热源组合，运行灵活，在其他供能设备故障时仍可通过蓄能设备对外供冷、供热，提高分布式能源站的可靠性。

2.2 楼宇型分布式能源站中设置蓄能系统的选型原则

（1）合理选择蓄能系统的类型蓄能系统按照蓄能温度的不同分为蓄冷、蓄热两种类型。楼宇型分布式能源站中蓄冷、蓄热的选择要根据能源站服务对象的冷、热负荷需求确定。蓄热系统的蓄热温度一般为85～90℃，放热温度50～55℃，蓄热蓄能密度远大于蓄冷，在同时有冷负荷和热负荷需求的工程中，应优先选用蓄热系统。

蓄冷系统又分为冰蓄冷系统和水蓄冷系统。分布式能源站中应用最多的余热利用设备为溴化锂吸收式制冷机组，由于溴化锂机组的冷冻水供、回水温度一般在5～14℃范围内，因此在用户端没有低温供冷要求的情况下，应优先选用水蓄冷系统，同时尽量采用蓄冷水池与消防水池合用的方案，以增大蓄冷能力。

（2）合理确定蓄能系统的容量

常规能源站中蓄能系统蓄冷、蓄热容量的计算，在《实用供热空调设计手册》中有详细的介绍，在此不作赘述。与常规能源站不同，楼宇型分布式能源站多受空间限制，不具备设置大规模的蓄冷水罐或大型蓄冰装置的场地条件，因此在蓄能系统的选型计算中不能完全照搬《实用供热空调设计手册》中的计算公式，还需要综合考虑冷热负荷特性、场地条件、余热设备的容量等因素。

（3）合理设置蓄能系统的运行策略

蓄能系统的运行策略是以设计周期内能源站服务对象的冷热负荷特点为依据的，同时考虑输入能源（如天然气、蒸汽、电能等）的价格结构，合理安排蓄冷放冷、蓄热放热的运行时间，以达到投资和运行费用的最佳状态。楼宇型分布式能源站中一般采用的是部分负荷蓄能，且为负荷均衡型蓄能。

3 武汉某分布式能源站蓄能系统分析

3.1 项目介绍及系统配置

武汉某楼宇型分布式能源站服务对象主要为办公楼、商铺、艺术家工作室、酒店等，利用hdy-smad空调负荷计算及分析软件V4.0对园区建筑进行全年8760h负荷计算，分析得出能源站设计冷负荷29.4MW，热负荷17.5MW，年负荷曲线如图1、图2所示。

图1 年冷负荷曲线

图2 年热负荷曲线

根据负荷分析结果，确定能源站装机方案：发电机组选用燃气内燃机，余热利用设备选用烟气热水型溴化锂机组，烟气热水型溴化锂机组与内燃机发电机组采用“一拖一”的配置方案，调峰设备选用高压离心式冷水机组。详见表2。

表2 分布式能源站装机方案

3.2 蓄能系统选型

该工程无同时供冷和供热的需求，且供冷期大于供热期，蓄能系统的选型按蓄冷负荷计算。

式中Qst—蓄冷量，kW·h；

Δt—释能回水温度与蓄能进水温度间的温差，℃；

ρ—水的密度，取1000kg/m3；

cp—水的比热容，取4.187kJ/（kg·℃）；

FOM—蓄能水箱的完善度，考虑混合和斜温层等因素的影响，一般取85%～90%；

∂v—蓄能水箱的体积利用率，考虑布水器的布置和蓄能水箱内其他不可用空间等的影响，一般取95%。

该蓄能系统中Qst取夜间冷负荷低负荷时段，单台溴机满负荷运行8h制冷量28800kW·h；Δt取8℃，按照释冷温度12℃，蓄冷温度4℃。计算得所需蓄冷水箱容积3620m3.

然而该分布式能源站站址位于园区地下室，受场地面积、层高等限制，仅可设置一台500m3水箱，即该水箱蓄冷量约为4400kW·h。为满足深度蓄冷要求，配置1台额定制冷量500kW螺杆式冷水机组。考虑到能源站服务园区的供热期热负荷需求，该水箱在供热期用作蓄热水，蓄热水温度90/55℃，蓄热量约为200000kW·h。

该项目中蓄能系统为小成套设备，设计独立的控制系统，与能源站整体控制系统之间以通讯方式对接。

经计算，该分布式能源站引入蓄能系统后，冷、热源设备装机容量减少10%～20%。蓄能系统的主要设备选型详见表3。

3.3 蓄能系统运行策略

该能源站服务园区夏季典型日冷负荷、冬季典型日热负荷计算如图3、图4所示。

依据该园区夏季典型日、冬季典型日冷热负荷曲线，初步确定能源站蓄能系统在100%负荷时运行模式，如图5、图6所示。

上图中运行模式为典型日100%负荷时能源站运行模式，而能源站投运初期冷热负荷较小，蓄能装置控制系统需要依据负荷预测结果，调整优化能源站运行模式。

表3 蓄能系统设备规格

4 结语

图3 夏季典型日负荷曲线

图4 冬季典型日负荷曲线

本文通过对某楼宇型分布式能源站系统配置的分析研究，将蓄能系统与分布式能源站装机配置结合起来。针对分布式能源站工程的不同负荷需求，调整蓄能系统的蓄能类型及蓄能比例，以达到能源站整体运行模式最优，使分布式能源站取的较好经济效益。在接下来的工作中笔者将在以下两个方面对分布式能源站项目中蓄能系统的应用进行进一步的研究。

（1）将溴化锂机组的运行融入冰蓄冷系统

分布式能源站项目中应用最为普遍的余热利用设备—溴化锂吸收式冷热水机组，可对外提供的冷冻水供回水温度为5～14℃，而冰蓄冷系统运行温度一般为-2～-5.6℃。溴化锂机组冷冻水系统的运行温度始终高于冰蓄冷系统的运行温度，在蓄冰系统运行时溴化锂机组产生的低温冷冻水无法参与能源站制冷循环。对于有低温供冷需求的工程，如何将溴化锂机组与冰蓄冷系统结合起来，是下一步的研究方向。

（2）纯蓄热系统与蓄冷蓄热系统的经济性比较。

为提高蓄能品质，蓄冷系统多采用深度蓄冷，而深度蓄冷需要增加电制冷机、板式换热器、循环水泵

图5 蓄能系统夏季典型日运行模式

图6 蓄能系统夏季典型日运行模式

等配套设备，致使能源站初投资增加，同时电制冷机组在低温工况运行时COP降低，蓄冷放冷板换的换热也会带来冷量损失。而纯蓄热系统即蓄90～95℃低温热水，用作提供生活热水和空调热水，有冷负荷需求时可通过热水型溴化锂机组对外提供冷冻水。究竟采用何种蓄能形式经济性更好，仍需要根据不同项目的负荷情况及溴化锂机组的技术水平及投资做进一步的分析和研究。

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Discussion of Energy Storage in Distributed Energy Station for Building Sector

CHANG Li，QIN Yuan，LI Chen
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

This paper introduces the characteristic and equipment configuration of distributed energy station for building sector，then，taking a distributed energy station project in Wuhan for example，analyze the purpose of energy storage in distributed energy station for building sector，put forward the proposal for equipment configuration and operation strategy of energy storage.

Distributed Energy Station For Building sector；Energy Storage；System Configuration；Operation Strategy

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.002

TU831

B

2095-3429（2015）01-0006-04

2015-02-10

修回日期：2015-03-19

常丽（1982-），女，湖北武汉人，学士，工程师，从事暖通及天然气分布式能源站设计工作。