随着近年来经济发展的需要,越来越多区域采用集中能源站的方式进行能量供给。集中能源站选用大型优质高效的设备,集中利用多种能源,能够在宏观层面对区域的能源供给方式进行优化,改善不同建筑单体中小型设备效率低、质量参差不齐的缺点。可以综合考虑同时使用系数,减少设备总装机容量,节能环保效益明显。目前国内较大型的集中能源站有广州大学城分布式能源站、重庆江北城江水源热泵集中能源站、上海浦东新机场集中能源站、北京中关村西区科技园集中供冷项目等。

　　 集中能源站大多由多种能源形式组成,各种能源形式的占比是能源站系统设计的关键,不仅关系到系统的有效运行,也关系到能源站是否经济合理。本文通过某具体案例,分析各种能源形式比例的影响因素及限定条件。

　　 确定区域能源站能源形式比例的基本原则为:1) 经济技术合理;2) 满足政策法规要求及节能环保要求;3) 因地制宜,适合当地区域的发展。

　　 各种能源形式的比例确定有很多限定因素,包括水文地理条件、地质条件、土地使用条件、电力条件、市政条件、规划政策条件、项目功能及定位,用能规律、市政设施收费条件、能源价格等。

　　 各种能源站因资源、地域政策等各不相同,需具体问题具体分析。

　　 以北京市某生态城区域能源站为例,介绍其多种能源形式的系统设计及组成的限定因素。

　　 能源站承担C地块的能源供给,总建筑面积为143.9万m²,地上建筑面积为125.2万m²,地下功能区面积为18.7万m²。主要建筑功能为办公、商业、酒店及部分高端住宅、配套学校等,综合冷负荷为89.2 MW,综合热负荷为81.7 MW,总用电负荷为59.9 MW。

　　 该项目边界条件如表1所示。

　　 经过对能源方案经济技术的对比分析,确定该生态城的能源方案为内燃机+烟气热水溴化锂吸收式制冷机组+双工况离心式冷水机组+地源热泵机组+冰蓄冷。

　　 内燃机发电装机功率为17.6 MW,设置4台单台容量为4.4 MW的内燃机。供冷、供热工况各部分能源系统装机比例如表2所示。

　　 根据经济性测算,该项目建筑安装工程费用约为56 076万元,包含冷热源设备系统、机房土建及配套机电系统、地埋管系统、室外管网等,单位面积投资约为390元/m²。站房内冷热源设备系统中三联供设备费用约占41%,锅炉及相关系统设备费用约占5%,地源热泵、双工况离心式冷水机组及冷却塔等设备费用约占31%,冰蓄冷系统设备费用约占23%。

　　 按照40%资金自筹、60%资金贷款计算,总投资约为71 020万元,年运行能源费用为4 766万元。以市场价格向二级地块出售冷、热、电作为能源站收入,税前内部收益率为10.46%,税后利润率为7.48%,经济效益良好。

　　 该项目每年减少CO₂排放18 314 t,减少SO₂排放577 t,减少NO_x排放289 t,减少粉尘排放5 236 t,大大改善区域环境,环保效益十分显著。

　　 控制性详细规划要求可再生能源利用比例不低于15%。进行可再生能源系统指标分解,分析如下:

　　 1) 负荷特性分析。需要根据能源站所承担区域的建筑功能、建筑面积、使用规律等,通过模拟手段确定能源站的典型日基本冷热负荷,以及全年冷热负荷曲线。

　　 2) 对能源站所承担区域进行全年能耗分析。全年能耗分析包括空调、生活热水、建筑其他用电、绿化广场用电、空调用气、炊事用气等建筑综合能耗,折算成标准煤。确定可再生能源提供的能源总量(大于15%)。

　　 3) 可再生能源资源条件分析。包括太阳能资源条件、地表水、地下水源条件、污水源条件、深层地热条件、风能资源条件等。

　　 4) 结合资源条件及建筑需求,综合分析各项能源形式,确保指标落地实施。根据论证分析,该区域可再生能源利用的基本方案为:地埋管地源热泵系统大规模应用,各地块设置分散式太阳能光伏发电系统,公共绿地、道路及景观照明采用光伏照明系统,热水采用太阳能热水系统。受资源条件限制,其他形式的可再生能源暂不考虑。各系统使用比例如表3所示。

　　 地埋管地源热泵系统规模主要取决于土地资源条件。参照地块周边项目的土壤热响应试验数据,考虑冬夏冷热平衡,测算地源热泵系统提供的可再生能源利用比例为10.8%。地源热泵系统装机容量约占区域能源站总热负荷的27%。

　　 三联供系统的合理配置对于保证系统的经济、环保、高效运行具有关键性作用。确定三联供系统规模时需要考虑扣除地源热泵系统后的总需求,综合考虑能源利用效率、初投资、回收期等因素。

　　 三联供系统冬季供热、夏季供冷,根据园区全年能耗模拟结果可知,整个供冷季的平均负荷约占峰值负荷的60%,整个供暖季的平均负荷约占峰值负荷的60%。因此,为充分利用发电机组的余热,提高能源综合利用效率,该项目三联供系统供热比例不应大于33%。

　　 GB 51131—2016《燃气冷热电联供工程技术规程》中发电机最大利用时长为

　　 $n=\frac{W}{C}(1)$

　　 式中 n为发电机最大利用时长,h;W为发电设备全年发电总量,kW·h;C为所有发电设备的总装机容量,kW。

　　 要求n大于2 000 h,增大n可以改善系统的经济性。因此,该项目在优先利用地源热泵系统的前提下,发电机的装机容量占比不应超过24%。

　　 根据北京市电力政策条件,分布式发电系统低压侧并网单点接入的上限为6 MW。以此限定内燃机规格,单体发电机组容量为4.4 MW,当满足三联供系统装机容量占比低于24%时,需要内燃机4台,占总热负荷的比例为20%。

　　 三联供系统发电装置的容量显著影响运营的经济性,引入发电设计分担率的概念。发电设计分担率为发电装置的容量与年建筑最大电力负荷的比率。最优发电设计分担率为三联供系统设计的关键因素。

　　 三联供系统的配置,采用避免冷、热价等因素干扰的增量投资差额比较法,通过清华大学研发的CAT软件,以系统经济性、能源利用、污染物排放为目标函数,综合对比三联供系统方案。以办公为主的建筑群为例,经对比分析,较优的发电设计分担率为0.25～0.62。对于有蓄能系统的案例,基于最小的年总费用评价和节能原则,发电机的最佳容量约为最大电负荷的62% ^[1]。对于该项目,电力负荷远大于三联供系统发电量,因此三联供系统发电量仅接入部分地块,以使发电设计分担率达到较优水平。

　　 根据项目所在地的政策条件,确定三联供机组的发电机组采用并网不上网的原则接入公共电网,即能源站出线电压为10 kV,电缆出线四回,在站内10.5 kV侧实现高压并网运行,三联供系统设置自动同期装置,在用户侧适当位置设置明显断开点,三联供系统采取“逆功率保护措施”,只受电,不向公共电网输送电能。

　　 ① 三联供系统年平均能源综合利用率。该项目年总发电量为3 000.8万kW·h,余热供热量为57 730 GJ,余热供冷量为48 990 GJ,年耗气量为729.2万m³,该三联供系统平均能源综合利用效率为83.8%(>70%),满足规范要求。

　　 ② 发电机最大利用时长。三联供系统发电机组的开机时间是直接影响系统经济性的关键性因素,也是系统经济性分析的敏感性因素。该项目内燃机的最大利用时长为2 045 h(>2 000 h),满足规范要求。

　　 ③ 三联供系统节能率。该项目内燃机三联供系统的节能率为22.3%,大于规范要求的15.0%,满足规范要求。

　　 集中能源站冰蓄冷系统方案设计及运行策略确定均需要相对准确的典型日逐时负荷系数,对于不同建筑功能,其负荷系数变化规律亦不同,集中能源站所承担的区域涵盖办公、酒店、商业、居住等功能建筑,其典型日逐时负荷系数需根据各种功能建筑的面积比例及各自的逐时负荷系数综合确定。

　　 该项目供冷季、供暖季综合典型日逐时负荷如图1所示。

　　 北京地区的峰谷电价比约为4∶1,集中能源站设置冰蓄冷系统能够有效地移峰填谷,减少高峰用电,平衡电网负荷需求。同时能够节约运行费用,减少制冷机的装机容量。

　　 该项目采用部分蓄冰系统,要实现系统制冷机组、蓄冰装置及附属设备等装机容量的优化选择,需要结合建筑逐时负荷、制冷机组性能曲线、当地电价和冷价等众多因素,建立数学模型求解最佳系统配置方案。以初投资与运行费用之和为目标函数,通过数学模型计算,结果最小即为最优蓄冰率 ^[2]。

　　 该项目冰蓄冷系统规模的确定,除了满足移峰填谷、节约运行费用的要求外,还要降低夏季供水温度,使系统在夏季能够实现大温差供冷。

　　 通常区域供冷项目采用低温制冷机提供低温冷水,但是三联供系统的烟气热水型溴化锂吸收式机组的出水温度最低可为5 ℃,地源热泵系统的冷水温度也为5 ℃。因此,冰蓄冷系统的规模除考虑投资回收期等,还需降低供水温度,减少输送能耗。经计算确定,该项目综合经济性最优的蓄冰率为20.4%。

　　 区域能源站多能互补系统的经济性还受几个主要指标的制约:1) 三联供系统发电量并网电价;2) 能源站提供冷热量的定价;3) 能源站的资金组成,其中贷款利率直接影响内部收益率;4)各地块的能源站接驳费直接影响能源站的经济性。

　　 1) 区域能源站中可再生能源系统规模主要受控制性详细规划等政策条件的要求及园区内可利用条件的制约。

　　 2) 供冷供热为主的三联供系统,设计时主要考虑能源利用效率及系统的综合经济性。发电机配置需考虑最优发电设计分担率。

　　 3) 冰蓄冷系统规模设计时最优蓄冰率的确定需综合考虑多种能源形式的供水温度,以及对区域能源站输送能耗的影响。

　　 4) 多能互补系统的能源形式比例,除了要考虑各种能源利用形式的经济技术评价外,还要考虑耦合运行效果,以及项目政策及边界限定条件。

　　 5) 区域能源站系统设计是关键,同时需要结合实际运行情况制定合理的控制策略,使得系统能够有效地运行。