基于分布式能源系统的逐时冷热电负荷模拟计算_王骞

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暖通空调篇

1、引 言

相对于传统的集中供电方式而言，分布式能源是一种以小规模、小容量（数千瓦至50MW ）、分散式的布置在用户附近的新型供能系统，按用户需求可独立地输出冷、热、电能的系统[4]。分布式能源的先进技术主要包括可再生能源利用技术和天然气冷热电三联供等多种形式，其中燃气冷热电三联供技术较为完善，建设相对简单，在全世界范围内广泛推广。

在进行冷热电三联供系统设计时，准确计算出建筑逐时负荷是三联供系统优化配置与运行分析的基础。目前，建筑物逐时冷热负荷的模拟计算，发展较为成熟，自20世纪60年代美国电力公司开始用计算机模拟建筑冷负荷以来，先后出现了大量模拟软件，如美国的DOE-2、BLAST 、EnergyPlus ，英国ESP-r ，日本的HASP 和清华大学的DeST 等[2]

。建筑物逐时电负荷的模拟计算方法相对较少，同济大学杨木和基于对建筑冷热电负荷调查研究的基础上，采用日本三联供设计手册中的相关数据，利用逐时能源负荷分摊比例的方法，来模拟计算三联供系统中的全年逐时电负荷[2]。清华大学李辉在对不同建筑类型负荷基本构成及变化特点进行分析的基础上，提出利用“负荷因子”来反映不同建筑类型负荷的逐时变化特点，并结合“设计负荷”概念，得出负荷计算的方法[1]。

随着社会发展和建筑功能的多样化，单一的燃气冷热电三联供系统可能无法完全满足建筑自身的用能需要。国内外学者提出利用可再生能源系统与冷热电三联供系统集成设计的方案。利用系统工程学中设计一个柔性系统，能适应不同季节、不同时段各种变化负荷，并保持高效率的理论及对分布式能源的研究。作者前期通过对北京燃气大楼、北京南站的调研分析，冷热电三联供系统中的用气和用电不均衡，是目前能源使用结构不合理主要因素之一。如果能够找到冷热电三联供系统运行中的负荷缺口，将冬季用气量和夏季用电量的峰值“削掉”，利用可再生能源作为

基于分布式能源系统的逐时冷热电负荷模拟计算

□ 沈阳建筑大学 王骞 朱桐□ 中国建筑科学研究院 宋波

本文研究基于分布式能源系统的建筑逐时冷热电负荷计算，利用DeST软件和热电冷联产系统负荷模拟计算[1]中的电负荷模拟计算方法，计算全年逐时冷热电负荷变化，计算热电比和分析模型冬季供暖及生活热水负荷变化，找出单一冷热电三联供系统的负荷缺口，同时对太阳能热利用系统进行简要分析，从而提出尝试利用太阳能热利用系统与冷热电三联供系统集成的形式来实现系统经济运行。

分布式能源系统；冷热电三联供；负荷计算；DeST

基金项目 国家“十二五”科技支撑计划项目《公共机构绿色节能关键技术研究与示范》（2013BAJ15B00）

补充，使电、气能耗的全年用量得到优化配置，从而更好实现系统合理运行。针对本建筑模型提出了利用太阳能供暖系统和冷热电三联供系统互补的设计方案。

本文利用清华大学的DeST 软件和热电冷联产系统负荷模拟计算[1]中的电负荷模拟计算方法，对建筑模型的逐时冷负荷、热负荷和电负荷进行模拟计算，找出单一冷热电三联供系统的负荷缺口，表明利用太阳能供暖系统和冷热电三联供系统互补运行的可行性。为后期太阳能供暖系统和冷热电三联供系统集成运行和系统模拟提供依据，并与常规系统作对比，分析能耗及节能潜力，同时找到不同工况下两种系统最合理的匹配关系，为今后可再生能源与冷热电三联供系统方案设计制定提供参考。

2、搭建模型

建筑模型选用的是北京某酒店，酒店在清河北五环外，主要面向长途运输中的旅客，酒店位置较偏僻，该地天然气供应充足，位置相对偏僻。根据分布式能源的设计原则并考虑中国的太阳能资源情况，尝试在该建筑模型上进行太阳能供暖与冷热电三联供系统互补的研究分析。其次是模型建筑属于酒店建筑，有常年较稳定的冷热电负荷需求。

该建筑共四层，地下一层，地上三层。建筑面积约为4500平方米，层高为3.9米。建筑模型包含客房、走廊、大厅和一层部分商业，东西朝向，无遮阳。围护结构参数见表1。基于DeST 软件搭建的建筑模型见图1和图2。

3、模型参数确定

计算建筑逐时冷负荷建筑模型气候参数选择北京地区，供暖期为11月15日到次年3月15日，空调季为6月1日到8月30日，逐时干球温度见表2。

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图3 客房使用率 图4 大厅使用率

图5 商业区使用率 图6 走廊及公共区使用率

4、建筑模型模拟结果

利用Dest 软件和逐时电负荷的计算公式，通过设定相关数据和模型建立计算后，得到模型的全年冷热电负荷变化数据见表4、图7、图8。

表4 模型全年冷热负荷统计数据图7 全年逐时空调负荷

图1 轮廓图 图2 标准层平面图

表2 北京年逐时干球温度

利用热电冷联产系统负荷模拟计算中的电负荷模拟计算方法时，参考所查文献利用逐时电负荷的计算公式(1) [1]如下：

（1）

其中，E(t)为逐时总电负荷；n 为各建筑类型中各功能房间类型；j 为各功能类型房间内所分担的设备类型，如照明、空调等；αn 为各功能区面积比；τj(t)为各设备投入使用系数；kj 为各设备的实际功耗性能；λj(t)为τj(t)与kj 的乘积，它反映的是各设备逐时耗电系数，为“负荷因子”；E 为负荷设计指标。

该建筑模型为酒店建筑，房间功能及用电类型见表3；各房间类型使用率见图3——图6。

表3 各类型房间用电参数

暖通空调篇

图8 全年逐时电负荷

根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003[3]中对宾馆客房类旅客热水用水定额规定，每人每日用水定额为120～160L。估算宾馆建筑人员密度为0.05人/m2，则该建筑模型人员总量约为200人，由于每人每日用水定额相对稳定，这里我们假设热水用水负荷不随时间变化，冬季使用热水量相对较多取160L，则计算建筑冬季逐时热水负荷为62kw。计算公式（2）如下：

（2）

其中：C为水的定压比热容，取4.187KJ/kg℃；m为每人次水量，L；△t为温差，℃。

图9 供暖季热电比分布状况

冬季供暖负荷和热水负荷较大且相对稳定，经计算，统计计算结果见图9，在冬季供暖期热电比超过1的天数有2015小时，占整个供暖季的73.17%，冬季供暖期逐时热电比见图10。从图中可知，大部分时间热电比均高于1，且平均值达1.49。有稳定的热负荷要求，而各功能房间电负荷用量在白天较低，在夜晚用电量较高。内燃机装机容量一定，机组运行过程中在白天满足热负荷运行时会产生多余电量，由于目前我国分布式能源系统的并网、上网运行不完善，导致多余电量基本都会浪费。因此，在白天分布式能源运行过程中，既保证建筑模型的热负荷需求并尽可能的减少电量浪费尤为关键。

北京地区属于资源较富区（Ⅱ区），水平面上年太阳能辐射照量5400~6700MJ/(m2·a)，年日照时数在3000~3200h，适宜利用太阳能热利用系统[5]。太阳能也是可再生能源中最引人注目的清洁能源。但它有其自身的缺点,如能流密度低,不适合大规模应用;不连续、不稳定,受环境因素影响比较大,需要与其他能源互补[6]。分布式能源系统与太阳能相结合,一方面通过前文建筑模拟结果并结合建筑模型特点，同时考虑其自身为小规模型的系统特点,适合与太阳能相结合;另一方面能弥补了太阳能不连续、不稳定缺点。因此，笔者考虑尝试利用太阳能供暖系统与分布式能源系统集成研究。

5、下一步研究工作及思路

通过对建筑模型的冷热电负荷逐时模拟计算，和太阳能供暖系统的分析确定，尝试利用太阳能供暖系统提供的热量来填补白天分布式能源运行工程中的负荷缺口，从而实现分布式能源系统更加合理经济运行的一种手段。下一步研究思路为设置一台内燃发电机承担建筑电负荷和基础电负荷的需求。冬季采用板式换热器用于供应生活热水；利用烟气机回收发电机的烟气余热进行冬季供热。不足部分负荷由太阳能供暖系统补充。

图10 供暖季热电比

6、结 论

1）通过模拟计算建筑模型逐时冷热电负荷和计算统计冬季供暖期热电比，确定利用分布式能源系统时在满足建筑模型总热负荷的前提下会产生电能的浪费。2）尝试利用太阳能供暖系统与分布式能源系统互补，为解决分布式能源系统运行中电负荷浪费提供可能性。3）太阳能供暖系统与分布式能源系统互补的能源分摊关系及使用条件仍需进一步研究分析，真正实现分布式能源系统

优化配置和经济运行。

[参考文献]

[1]李辉，付林，杨巍巍，耿克诚．三联供系统中热电

冷负荷的计算方法[A]．2004年暖通空调制冷学术年会论文集[C]．2004：498-501

[2]杨木和，阮应君，李志英，曾刚.三联供系统中逐时冷热电负荷的模拟计算[J].制冷空调，2009，30(128):85-95

[3]上海现代建筑设计有限公司.GB50015-2003.建筑给水排水设计规范[S].北京，中国建筑工业出版社,2003：41-47

[4]冯志兵,金红光.冷热电联产系统的评价准则[J].工程热物理学报,2005,26(5):725-725

[5]何梓年，朱敦智.太阳能供热供暖应用技术手册[M].北京，化学工业出版社,2009：187-190

[6]蒋润花,蔡睿贤,韩巍,隋军.太阳能与冷热电联产系统集成.工程热物理学报,2009,30(5):722-724

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