-
能源中心电负荷主要是空调系统、照明、电梯、消防系统、办公设备和能源中心数据机房动力设备的耗电。根据对能源中心功能分区分析并结合《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）和《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）对各类建筑物（办公室、营业厅、客房、医院建筑、学校内建筑等）的平均照明密度提出的明确规定，包括标准值和目标值，对能源中心用电负荷进行预估，电负荷如表1所示。
表 1 电负荷一览表
Table 1.
Table of electrical load 用电类别 平均负荷/kW 数据中心 4 800 电制冷/水水热泵 5 964 照明 80 合计 10 844 -
根据《城镇供热管网设计规范》（CJJ34—2010）中空调热指标、冷指标的推荐值及对应的负荷如表2~表3所示。
表 2 空调冷、热负荷指标推荐值
Table 2.
Table of cooling and thermal load index for air conditioner 建筑物类型 冷负荷指标/（W·m-2） 热负荷指标/（W·m-2） 办公楼 80~110 80~100 医院 70~100 90~120 商店/展览馆 125~180 100~120 旅馆/宾馆 80~110 90~120 表 3 空调冷、热负荷
Table 3.
Table of cooling and thermal load of air conditioner 建筑名称 建筑空调面积/m2 夏季空调冷负荷/MW 冬季空调热负荷/MW 能源中心 10 300 6.920 0 医院 109 110 12.089 6.580 地下空间 27 068 3.715 1.469 D05地块 217 841 27.666 10.239 E08商业综合体 101 922 15.594 6.950 合计 466 241 65.984 25.238 考虑折减系数0.7 46.189 17.667 
图 1 夏季典型日逐时冷负荷
Figure 1. Hourly cooling load of typical days in summer
图 2 冬季典型日逐时热负荷
Figure 2. Hourly heat load of typical day in winter
能源站的供能设计负荷如表4所示。
表 4 能源站用能需求
Table 4.
Energy demand of energy station 名称 数值 平均电力负荷 10.844 平均空调冷负荷 46.189 平均空调热负荷 17.667 能源站的全年逐时负荷如图3所示。
图 3 全年逐时负荷
Figure 3. Figure of the annual hourly load value
-
该能源站位于苏州市吴中区，为其能源中心配套的供能系统，除对能源中心供应冷热电负荷，还对外供应冷/热负荷。天然气分布式能源系统按“以热（冷）定电、自发自用、余电上网”为原则进行设计，以满足冷/热负荷需求、满足能源中心备用电源需求［4］。
通过比较分析，得出该分布式能源站推荐方案，即2台单机装机容量2 MW内燃发电机组+2台单机装机容量3 MW内燃发电机组+配套4台烟气-热水型溴化锂冷（温）水机组+4台6.3 MW的离心式电制冷（热泵）机组+1台2.1 MW的地源热泵机组+2台7 MW的天然气热水锅炉（补充、备用）+2台6 800 m3水蓄冷（热）系统［5-6］，能源工艺由天然气冷、热、电三联供系统、地源热泵系统、蓄能（冷、热）系统及电制冷调峰系统等组成，形成能源梯级利用的综合系统。结合能源站所在地当地资源，充分利用天然气、土壤能等清洁、低品位的能源，采用天然气三联供、蓄能（冷、热）技术达到天然气、电力移峰填谷的目的，充分发挥天然气管网、电网的效率。楼宇式分布式能源系统示意图如图4所示。
图 4 楼宇型分布式能源系统示意图
Figure 4. Diagram of the building-type CCHP system
表 5 内燃机主要参数
Table 5.
The main parameters of internal combustion engine generator 名称 数值 数值 数量/台 2 2 输出电功率/ MW 1.970 2.955 烟气余热回收功率/ MW 1.012 1.518 缸套水回收余热/ kW 978 1 467 天然气消耗量/（Nm3·h-1） 499 739 燃料最小压力/ kPa 8 8 燃料最大压力/ kPa 15 15 烟气温度/℃ 424 390 缸套水进口温度/℃ 80 80 缸套水出口温度/℃ 93 93 发电效率/% 43.7 44 回收热效率/% 43.3 42.1 利用天然气燃烧产生的高品位热能发电，为能源中心提供电能，燃烧后的烟气热量及高温缸套水热量进入烟气-热水型溴化锂冷（温）水机组，溴化锂机组与发电机一一对应，1台2 MW内燃机制冷/热量为1.907 MW，1台3 MW内燃机制冷/热量为3.083 MW，4台烟气-热水-型溴化锂冷（温）水机组的总制冷量为9.98 MW，夏季最小冷负荷量为13.298 MW，最大冷负荷量65.894 MW，冷负荷波动较大；过渡季冷负荷量为6.92 MW；冬季冷负荷量为6.92 MW（信息中心），最大热负荷量25.238 MW，最小热负荷量6.452 MW。
1）为充分利用地下浅层地热资源，采用地源热泵系统。采用双U换热器，设计埋管间距5 m×5 m，有效换热井深120 m，共设242口地源井。竖直埋管管材采用HDPE，管径D32×3.0，公称压力1.6 MPa。地源侧水通过地源收集井接至电制冷机房。
2）水蓄冷空调系统按节能运行模式设计，可以有效地减少冷水机组白天运行时间，保证冷水机组运行在高效区间。对于时峰、谷电差价较大地区，可显著降低空调系统的运行费用，同时对电网可起到平衡、削峰填谷的作用［8］。根据冷、热平衡的计算，能源站设置2个直径为16 m，高30 m的蓄能水罐，提高系统的稳定性和安全性。单个蓄能水罐的有效容积为6 800 m3 ，单罐蓄冷量为65.031 MWh，单罐蓄热量为76.507 MWh（按10 ℃温差）。蓄水罐的设计液面标高为13 m，兼做系统定压装置。
3）采用10 kV上网方案。设置10 kV母线段。4台发电机分为2组，每组发电机出口处分别设置1段10 kV母线段，通过10 kV联络线并入电网，10 kV采用单母线分段的接线形式。电制冷机组和水水热泵从10 kV母线引出，溴化锂冷水机组、地源热泵、水泵、冷却塔风机及其他用电设备通过厂用变从400 V母线引接。
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能源站内燃发电机与市电并列运行，内燃机只带基本负荷，不足部分由市电补充，夜间内燃机不运行［9］。
夏季利用内燃机发电余热提供空调冷水，制冷水温5.5/12.5 ℃，内燃发电机组发电产生的烟气和缸套水作为余热进入烟气热水型溴化锂机组制冷，冷量不足部分由电制冷机组补充。白天供冷高峰时，离心式制冷机根据供需情况确定开启台数及负荷进行调峰。
冬季利用内燃机发电余热提供空调热水，制热水温75/45 ℃，内燃机产生的烟气进入烟气热水型溴化锂机制热，缸套水通过板式换热器直接供热。冬季夜间低谷时段，两台离心机制冷机组运行在制冷工况，为数据中心提供冷负荷，另外两台运行在制热工况，制冷工况的离心机的冷却水作为制热工况的离心机的热源。
另设蓄冷罐2台，一台离心式电制冷机组利用夜间0~8点低谷时的电能进行蓄冷，产生4 ℃的冷水，存储于蓄冷罐内，白天放冷［10-11］，单台蓄冷罐日存放量如图5所示。
图 5 单台蓄冷罐日存放冷量曲线图
Figure 5. Daily storage capacity curve of single cold storage tank
-
对于供、用电，其能量平衡公式如下：
(（1）) 式中：
对于供冷设备，其能量平衡公式如下：
(（2）) 式中：
对于供热设备，其能量平衡公式如下：
(（3）) -
通过分析，得出能源站的主要技术指标如表6所示。
表 6 能源站技术指标（内燃机ISO工况）
Table 6.
The technical index of energy station (ISO condition of internal combustion engine generator) 名称 数值 发电功率/MW 9.850 空调冷功率/MW 46.189 空调热功率/MW 17.667 年制冷利用小时数/h 3 672 年供热利用小时数/h 2 160 过渡季利用小时数/h 2 928 内燃机年发电量/GW 43.19 内燃机年上网电量/GW 1.60 年空调供冷量/GW 152.41 年空调供热量/GW 24.32 年耗天然气量/m3 1.091×107 年用网上电量/GW 31.76 发电天然气气耗率(1)/ （Nm3·MWh-1） 173 供冷天然气气耗率(1)/（Nm3·GJ-1 ） 29.54 能源综合利用率（不含地源热泵、水水热泵）/% 73.6 分布式能源热电比（不含地源热泵、水水热泵）/% 102.2 能源综合利用率（含地源热泵、水水热泵）/% 119 分布式能源热电比（含地源热泵、水水热泵）/% 257 -
能源站的经济指标需要在一定的边界条件下进行计算，供能站的边界条件如表7所示。
表 7 边界条件
Table 7.
Table of boundary condition 名称 数值 天然气价格/（元·m-3） 3.2 冷价/（元·kWh-1） 0.65 热价/（元·kWh-1） 0.65 水价/（元·t-1） 3.5 波峰电价/（元·kWh-1） 1.069 7 波谷电价/（元·kWh-1） 0.641 8 平段电价/（元·kWh-1） 0.313 9 上网电价/（元·kWh-1） 0.784 -
在上述边界条件下，供能站的内部回收期等主要经济数据如表8所示。
表 8 经济指标一览表
Table 8.
Table of economic indicators 名称 指标 总投资/万元 21 998 年均销售收入/万元 12 522.4 年均销售利润（税后）/万元 846.40 内部收益率（税前）/% 7.60 投资回收期（税前）/年 12.23 内部收益率（税后）/% 5.98 投资回收期（税后）/年 13.90 资本金净利润率/% 14.80 总投资收益率/% 5.44 资本金内部收益率/% 8.72 资本金投资回收期/年 7.59 经过敏感性分析，能源站经济上是可行的［12］。能源站的敏感性分析情况如图6所示。
图 6 敏感性分析
Figure 6. Figure of sensibility analysis
-
经计算，能源站可节标煤量12 564 t/年。节能率：
(（4）) (（5）) 式中：r代表节能率；W代表联供系统年净输出电量（kWh）；Q1代表联供系统年余热供热总量（MJ）；Q2代表联供系统年余热供冷总量（MJ）；B代表联供系统年天然气总耗量（Nm3）；QL代表天然气低位发热量，QL=34.2 MJ/Nm3；ηeo代表常规供电方式的平均供电效率，计算结果为38.57%；ηo代表常规供热方式的天然气锅炉平均热效率；COPo代表常规供冷方式的电制冷机平均性能系数，可按5.0取值；M代表电厂供电标准煤耗（g/kWh），可取上一年全国统计数据，本工程取298 g/kWh；θ代表供电线路损失率，可取上一年全国统计数据，本工程取 6.47%。
CCHP系统节能率20.7%，满足并高于国家标准《燃气冷热电联供工程技术规范》（GB 51131—2016）中节能率大于 15%的要求。
-
能源站CCHP系统污染物减排情况如表9所示。
表 9 能源站污染物减排一览表
Table 9.
Table of the pollutant reduction 项 目 烟尘 SO2 NOx CO2 CCHP系统 0 1.31 16.4 20 993 国家电网供电排放量 3.42 18.27 51.45 23 681 减排量 3.42 16.96 35.05 2 688 -
能源站内燃机带基础电负荷运行，高温烟气进入烟气-热水型溴化锂冷（温）水机组供部分冷热负荷，保障了能源的梯级利用，不足部分由电制冷机组及地源热泵等机组供应。分布式能源系统选用成熟可靠的技术设备，在技术上是可行的。
另外，楼宇型分布式能源站还设置蓄冷/热装置，可以达到削峰填谷，降低容量配置的作用，可节省投资，利用峰谷电价差，降低运行费用，同时提高运行灵活性和系统效益，节能减排效果显著。
Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System
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摘要:
目的 以各类建筑全年典型日冷、热、电负荷需求作为计算基础，得出分布式能源系统优化配置和运行策略。 方法 能源站配置了内燃机、烟气-热水型溴化锂机组、离心式电制冷（热泵）机组、地源热泵、天然气热水锅炉及水蓄冷（热）罐等多种节能节资装置，实现了能源的梯级利用，更好地匹配用户端负荷需求。 结果 研究结果表明，在技术、经济上具有一定的可行性。 结论 能源站合理配置机组可节省投资，环保节能。利用峰谷电价差，降低运行费用，提高系统效益。 -
关键词:
- 楼宇型天然气分布式能源系统 /
- 冷热电负荷 /
- 节能减排
Abstract:Introduction The paper aims to obtain optimal configuration and operation strategy of the distributed energy system which is based on the calculation of the annual typical daily cooling， heating and electric load demand of various buildings. Method The energy station was equipped with a variety of energy-saving and cost saving equipments， such as internal combustion engine， flue gas and hot water lithium bromide unit， centrifugal electric refrigeration （heat pump） unit， ground source heat pump， gas-fired hot water boiler and water storage （heat） tank， which realized the gradient utilization of energy and better match the load demand of the client. Result The results show that it is feasible in technology and economy. Conclusion Reasonable allocation of units in the energy station can save investment， protect environment and save energy. Make use of the difference between peak and valley electricity prices which can reduce operating costs and improve system efficiency. -
表 1 电负荷一览表
Tab. 1.
Table of electrical load 用电类别 平均负荷/kW 数据中心 4 800 电制冷/水水热泵 5 964 照明 80 合计 10 844 
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表 2 空调冷、热负荷指标推荐值
Tab. 2.
Table of cooling and thermal load index for air conditioner 建筑物类型 冷负荷指标/（W·m-2） 热负荷指标/（W·m-2） 办公楼 80~110 80~100 医院 70~100 90~120 商店/展览馆 125~180 100~120 旅馆/宾馆 80~110 90~120
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表 3 空调冷、热负荷
Tab. 3.
Table of cooling and thermal load of air conditioner 建筑名称 建筑空调面积/m2 夏季空调冷负荷/MW 冬季空调热负荷/MW 能源中心 10 300 6.920 0 医院 109 110 12.089 6.580 地下空间 27 068 3.715 1.469 D05地块 217 841 27.666 10.239 E08商业综合体 101 922 15.594 6.950 合计 466 241 65.984 25.238 考虑折减系数0.7 46.189 17.667
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表 4 能源站用能需求
Tab. 4.
Energy demand of energy station 名称 数值 平均电力负荷 10.844 平均空调冷负荷 46.189 平均空调热负荷 17.667 注： 能源中心夏季全天用电负荷峰谷比约1.2∶1；日平均负荷与最小负荷之比为4.4∶1；能源中心过渡季全天用电负荷峰谷比约1.3∶1；日平均负荷与最小负荷之比为1∶1；能源中心冬季全天用电负荷峰谷比约1.1∶1；日平均负荷与最小负荷之比为2.7∶1。
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表 5 内燃机主要参数
Tab. 5.
The main parameters of internal combustion engine generator 名称 数值 数值 数量/台 2 2 输出电功率/ MW 1.970 2.955 烟气余热回收功率/ MW 1.012 1.518 缸套水回收余热/ kW 978 1 467 天然气消耗量/（Nm3·h-1） 499 739 燃料最小压力/ kPa 8 8 燃料最大压力/ kPa 15 15 烟气温度/℃ 424 390 缸套水进口温度/℃ 80 80 缸套水出口温度/℃ 93 93 发电效率/% 43.7 44 回收热效率/% 43.3 42.1
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表 6 能源站技术指标（内燃机ISO工况）
Tab. 6.
The technical index of energy station (ISO condition of internal combustion engine generator) 名称 数值 发电功率/MW 9.850 空调冷功率/MW 46.189 空调热功率/MW 17.667 年制冷利用小时数/h 3 672 年供热利用小时数/h 2 160 过渡季利用小时数/h 2 928 内燃机年发电量/GW 43.19 内燃机年上网电量/GW 1.60 年空调供冷量/GW 152.41 年空调供热量/GW 24.32 年耗天然气量/m3 1.091×107 年用网上电量/GW 31.76 发电天然气气耗率(1)/ （Nm3·MWh-1） 173 供冷天然气气耗率(1)/（Nm3·GJ-1 ） 29.54 能源综合利用率（不含地源热泵、水水热泵）/% 73.6 分布式能源热电比（不含地源热泵、水水热泵）/% 102.2 能源综合利用率（含地源热泵、水水热泵）/% 119 分布式能源热电比（含地源热泵、水水热泵）/% 257 注： （1）CCHP系统；（2）天然气低位发热量34.2 MJ/Nm3。
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表 7 边界条件
Tab. 7.
Table of boundary condition 名称 数值 天然气价格/（元·m-3） 3.2 冷价/（元·kWh-1） 0.65 热价/（元·kWh-1） 0.65 水价/（元·t-1） 3.5 波峰电价/（元·kWh-1） 1.069 7 波谷电价/（元·kWh-1） 0.641 8 平段电价/（元·kWh-1） 0.313 9 上网电价/（元·kWh-1） 0.784
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表 8 经济指标一览表
Tab. 8.
Table of economic indicators 名称 指标 总投资/万元 21 998 年均销售收入/万元 12 522.4 年均销售利润（税后）/万元 846.40 内部收益率（税前）/% 7.60 投资回收期（税前）/年 12.23 内部收益率（税后）/% 5.98 投资回收期（税后）/年 13.90 资本金净利润率/% 14.80 总投资收益率/% 5.44 资本金内部收益率/% 8.72 资本金投资回收期/年 7.59 注： 能源站以租赁能源中心部分负一楼及一楼形式，不考虑建筑主体及土地费用投资。
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表 9 能源站污染物减排一览表
Tab. 9.
Table of the pollutant reduction 项 目 烟尘 SO2 NOx CO2 CCHP系统 0 1.31 16.4 20 993 国家电网供电排放量 3.42 18.27 51.45 23 681 减排量 3.42 16.96 35.05 2 688
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