向艳蕾，杨 允

(1.中煤科工清洁能源股份有限公司，北京 100013;2.中煤科工(天津)清洁能源研究院有限公司，天津 300450)

0 引 言

区域能源多能互补耦合系统建立在能量梯级利用概念基础上，是1种互补利用可再生能源、传统化石能源、余热资源等多种能源且临近用户设置的发电并结合冷热电联供的能源技术[1-5]。该种耦合系统利用建筑群的集约效益并对可再生能源规模化利用，将其与其它能源耦合以达互补互保，对节能减排、缓解用电紧张、减小电网峰谷差等均具有重要的意义[5-7]。

随着经济社会的快速发展，我国能源消费巨大、环境形势严峻，能源与环境问题已成为制约我国经济和社会发展的重要瓶颈。发展区域能源多能互补耦合供能技术，是实现建筑能源系统转型升级，缓解能源需求矛盾的重要途径。

区域能源多能互补耦合系统没有普遍适用的技术方案，其结构形式、设备种类及容量与用户负荷需求及所在地区的气候特征、资源条件等密切相关[5]。在系统设计时，必须对其配置进行优化，以合理确定系统结构与形式，优化选择设备的种类、台数、容量，此为系统优势充分发挥的基础[3,5]。

与传统能源系统相比，区域能源多能互补耦合系统层次多、维数及时间尺度多，且物流、能流高度耦合，大幅增加了配置确定工作的难度。目前，对于复杂系统的优化配置，数学规划方法是1种有效且被广泛应用的手段[5]。此外，计算机技术的迅猛发展也为大规模优化配置问题的快速求解提供了有利保障。

综合考虑供能系统的稳定性、安全性、可靠性，分别以燃气轮机和燃气内燃机为原动机，提出了2种区域能源多能互补耦合系统，并利用混合整数线性规划方法构建了系统优化配置和评价指标模型。以广州市典型医院为案例，开展了系统优化配置与综合评价研究，同时研究了浅表水热、地热、空气热等可再生能源的适用性。

1 区域能源多能互补耦合系统

1.1 基于燃气轮机的多能互补耦合系统

基于燃气轮机的多能互补耦合系统流程如图1所示。燃气轮机所发电力一部分用于驱动热泵，一部分用于满足用户电负荷需求。燃气轮机只有排烟1种余热形式，通过余热锅炉回收利用。按并网不上网考虑，即不允许向电网售电，但不足的电力可从电网购买。

图1 基于燃气轮机的多能互补耦合系统流程Fig.1 Flowchart of gas turbine multi-energy complem-entary system

系统采用热泵技术并利用地热、空气热、浅表水热等可再生能源，热泵既可制热也可制冷，具有能效比高、占地面积少、自动化程度高、无污染物排放等诸多优点[8-10]。

1.2 基于燃气内燃机的多能互补耦合系统

基于燃气内燃机的多能互补耦合系统流程如图2所示。燃气内燃机的排烟余热利用余热锅炉回收，缸套冷却水余热利用板式换热器回收。

图2 基于燃气内燃机的多能互补耦合系统流程Fig.2 Flowchart of gas engine multi-energy complem-entary system

2 计算模型

2.1 优化配置模型

2.1.1 目标函数

优化配置以包括年运行维护费用和初投资年等值费用在内的系统年总费用最小为目标，即:

式中，Z为系统年总费用，万元/a；i为设备种类，共有I种设备可供选择；k为时段，全年划分为K个时段；φ为电价或天然气价，元/kWh；Δt为时段每天持续的小时数，h/d；D为典型日每年持续的天数，d/a；x为设备输入能量，kW；φ为设备单位维护成本，元/kWh；y为设备输出能量，kW；R为资本投资回收系数，R=r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，r为贷款年利率，τ为设备使用年限，r、τ的取值分别为5%、15a；j为设备容量，kW，假定第i种设备有Ji种容量可供选择；c为设备单位成本，元/台；n为设备装机台数,台。

2.1.2 约束条件

(1)设备选型。设备选型有如下约束[11]，详见式(2):

式(2)中，γij为是否选择第i种j容量设备，不选择为0，选择为1；Nij为第i种j容量设备最多可选择的台数。

(2)设备运行特性。设备输入与输出呈线性关系[12]，即:

(i=1,2,…,I;k=1,2,…,K) (3)

燃气轮机的性能参数与环境温度有关[4]:

式中，a、b、c和d为常数；t为环境温度，℃。

此外，燃气轮机输入能量的上、下限也与环境温度有关，引入修正系数φ[4]:

φ(k)=1-k1[t(k)-t0]3-k2[t(k)-t0]2-

k3[t(k)-t0]-k4(5)

式中，t0为燃气轮机设计工况温度，℃，一般为15 ℃；k1、k2、k3和k4为常数。

(3)系统能量平衡。系统能量平衡有如下约束:

其中，I′为输出某种能量的设备种类数，种；Y为某种能量的总输出量，kW。系统涉及的能量种类包括电量、冷量、供热量、冷却水(烟气)热量。

此外为防止土壤热失衡，地源热泵在供能周期内从土壤取出的总热量应等于向土壤散出的总热量。

2.2 评价指标模型

选择增量投资回收期、一次能源利用率、年NOx减排率/年CO2减排率分别为系统经济、能耗和排放性能指标，具体计算方法参见文献[13]。

选择夏季最大调峰能力和夏季调峰负荷为系统电力调峰性能指标。夏季最大调峰能力为当前供能模式与多能互补耦合供能模式夏季尖峰购电负荷之差(kW)，取值为正表示减小了电网峰谷差，取值为负表示拉大了电网峰谷差。夏季调峰负荷为当前供能模式与多能互补耦合供能模式夏季总购电量之差(MWh)，取值为正表示缓解了用电紧张，取值为负表示加剧了用电紧张。

2.3 求解方法

上述式(3)中存在乘积gx和gd为非线性式，采用文献[11]提出的方法将其线性化处理，如下:

首先，引入连续变量x取代式中的gx，引入连续变量z取代式中gd，即:

然后，增加如下约束:

至此，非线性式被等价转化为线性式，转化后的模型采用分枝定界法并结合单纯形算法进行求解即可。

3 案例研究

3.1 外部应用条件

选取广州市某医院为案例研究对象，医院对电力供应的安全可靠性要求高，除了夏季制冷负荷、冬季采暖热负荷外，整年都有医用热负荷，热电比全年都较高[7]。该医院建筑面积15.3万m2，周边有可利用的中水、天然气以及地热资源。

根据广州市的气候特点，将全年依次划分为冬季、过渡季和夏季3种典型日，每个典型日划分为24个时段，每个时段持续1 h，全年持续天数分别为121 d、122 d和122 d。3种典型日的逐时气温值如图3所示。

图3 典型日逐时气温曲线Fig.3 Hourly atmospheric temperature of typical days

医院在3种典型日内的冷、热、电逐时负荷，冷、热、电年总需求量分别为323.5 GWh、351.9 GWh、419.9 GWh，如图4所示。

图4 典型日负荷曲线Fig.4 Load demand of typical days

天然气为进口液化天然气，低位热值为41.9 MJ/Nm3，价格为3.45元/Nm3。电价执行分时电价政策，高峰段(14:00～17:00、19:00～22:00)、平段(08:00～14:00、17:00～19:00、22:00～24:00)、低谷段(00:00～08:00)电价分别为1.259 8元/kWh、0.775 2元/kWh和0.402 4元/kWh。

3.2 设备计算参数

燃气轮机和燃气内燃机选用常用的6 MW以下机组，机组实际运行特性根据专业模拟软件的计算结果拟合曲线近似逼近[14]，性能参数见文献[15]。

热泵机组选用开利公司10 MW以下机组，其中水源热泵、空气源热泵、地源热泵的制冷COP/制热COP分别为3.5/2.8、3.5/2.2、3.5/4。锅炉考虑部分负荷率的影响，余热锅炉和燃气锅炉的额定热效率分别取0.78和0.90[4]。板式换热器的额定效率取为90%。设备的单位初投资成本、单位维护成本以及设备NOx排放因子分别见表1～表3。

表1 设备的单位初投资成本[13,15]Table 1 Unit capital cost for equipment[13,15]

表3 设备NOx排放因子[15]Table 3 NOx emission factor for equipment[15]

3.3 计算结果及分析

3.3.1 优化配置结果

3种方案的优化配置结果见表4,其中常规供能系统为市政电网提供电力，燃气锅炉、电制冷机分别提供热量、冷量;因燃气轮机系统未选择燃气轮机，将其定义为热泵与锅炉耦合系统。

表2 设备的单位维护成本[15]Table 2 Unit operational and maintenance cost for equipment[15]

表4 不同方案优化配置结果Table 4 Optimal configuration results of different schemes

由表4看出，热泵与锅炉耦合系统选择5台1 500 kW水源热泵和4台700 kW燃气锅炉，未选择燃气轮机，说明燃气轮机在经济上不可行。燃气内燃机系统选择1台3 000 kW内燃机，还选择1台700 kW燃气锅炉和1台1 400 kW水水换热器用于回收内燃机余热。此外，2种多能互补耦合系统均选择4台1 500 kW水源热泵，未选择冷凝式热泵和地源热泵。2种多能互补耦合系统最优配置和常规供能系统方案的经济、能耗、环保、调峰性能结果见表5。

表5 不同方案的经济、能耗、环保、调峰性能结果Table 5 Economy,energy consumption,environmental protection and peak shaving results of different schemes

分析表5中不同方案的经济、能耗、环保、调峰性能结果，由此可知:

(1)在经济方面:与常规供能系统相比，热泵与锅炉耦合系统的初投资、运行费用相当，燃气内燃机多能互补耦合系统的初投资虽高出1 199万元，但年运行费用低425万元，增加的初投资在2.8a内即可收回，由此看出内燃机系统的经济性较好。

(2)在能耗方面:热泵与锅炉耦合系统的一次能源利用率与常规供能系统相当，而内燃机系统的一次能源利用率比常规供能系统高出9.5个百分点，由此看出内燃机系统更节能。

(3)在污染物排放方面:与常规供能方式相比，热泵与锅炉耦合系统CO2排放量更高，但具有一定的减氮效果，NOx减排率为14.7%；内燃机系统NOx排放量更高，但具有明显的减碳效果，年CO2减排率为26.7%。

(4)在调峰方面:热泵与锅炉耦合系统不具备调峰能力，燃气内燃机系统具有一定的调峰能力，夏季调峰负荷达到4 425 MWh。

燃气内燃机多能互补耦合系统优化运行结果如图5所示。

图5 燃气内燃机多能互补耦合系统优化运行策略Fig.5 Optimal operation strategies of gas engine multi-energy complementary system

由图5可知:①燃气内燃机只在电价高峰段和平段开机运行，在低谷段所需电力全部从电网购买，其全年发电量为13.08 GWh，占总需求量的57%；②所需冷量全部由水源热泵制取；③所需热量在燃气内燃机停机时段全部由水源热泵制取，在燃气内燃机运行时段优先通过余热锅炉、水水换热器回收余热制取，不足部分通过水源热泵补充。

3.3.2 可再生能源应用分析

在3种热泵均可选(情况1)、水源热泵不可选(情况2)、水源热泵与冷凝式热泵均不可选(情况3，不考虑土壤热量得失平衡)3种情况下，对燃气内燃机多能互补耦合系统方案进行优化配置研究，优化配置结果见表6，其经济、能耗、环保、调峰性能结果见表7。

表6 内燃机系统在不同情况下的优化配置结果Table 6 Optimal configuration results of gas engine system under different conditions

表7 内燃机系统在不同情况下的经济、能耗、环保、调峰性能结果Table 7 Economy,energy consumption,environmental protection and peak shaving results of gas engine system under different conditions

从表6、表7可看出:除热泵选择种类不同外，3种情况优化配置结果相同；除经济性不同外，3种情况能耗、环保、调峰性能基本一致。情况1选择水源热泵，经济性最好；情况2选择冷凝式热泵，经济性也较好；情况3选择地源热泵，经济性最差；主要因为在3种热泵中，地源热泵因需打井因而其造价最高，冷凝式热泵因需建设冷凝塔造价也较高，且其冬季制热能效较低。由此得出，在选择可再生能源时，应优先考虑浅表水热，再依次考虑空气热、地热。

此外，水源热泵、地源热泵、冷凝式热泵均有一定的适用条件，水源热泵需有充足的浅表水源，地源热泵需有充足的空地用于打井，冷凝式热泵需有开阔的空地用于布置冷凝塔。不同医院周边的资源条件不同，具体选择哪种热泵技术，除了考虑经济性外，还应考虑周边可利用的资源条件。

4 结 论

为充分利用可再生能源，并提高供能系统的稳定性、安全性、经济性，提出了燃气轮机和燃气内燃机的2种区域能源多能互补耦合系统，并利用混合整数线性规划方法建立了系统优化配置和评价指标模型。为提高模型求解速度，利用线性化处理方法将非线性约束条件线性化处理后再求解。

选取广州市典型医院进行案例研究，开展了系统优化配置研究，并从经济、能耗、环保、调峰等角度，对2种区域能源多能互补耦合供能方案与常规供能方案进行了综合比较与分析，同时开展了浅表水热、地热、空气热等可再生能源的适用性研究。计算结果验证了模型的准确性和有效性，同时表明:广州市医院类建筑适合推广应用燃气内燃机多能互补耦合供能技术，该技术在经济、节能、减碳、电力调峰方面具有明显的优势；对于建筑面积15万m2的医院，内燃机合适的功率为3 MW；在可再生能源利用方面，在资源条件允许的情况下，应优先选择河水、湖水、污水处理厂中水等浅表水热，再依次选择空气热、地热。