樓宇型分布式能源主要設(shè)備選型及經(jīng)濟(jì)性分析

張 軍， 孫依帆， 陳 偉， 陳俊丞， 陸啟亮

(1. 國家電力投資集團(tuán)有限公司海南分公司， ?？?570000； 2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

分布式能源作為一種新興的能源結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的集中供能方式相比，具有節(jié)約能源、環(huán)保性好、啟停靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]。集中供能是城市基礎(chǔ)設(shè)施和公益事業(yè)，建立區(qū)域分布式能源站集中供能，符合國家的節(jié)能減排政策，能顯著提高能源綜合利用率，為節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)作出巨大貢獻(xiàn)。

樓宇型分布式能源是以“效益規(guī)模”為法則的第二代能源系統(tǒng)，以天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)，實(shí)行熱電冷聯(lián)產(chǎn)，可以大幅度提高能源轉(zhuǎn)換效率和減少能源輸送損失[2]。目前樓宇型分布式能源普遍存在著系統(tǒng)配置不合理、投資和運(yùn)行成本高等問題，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)該類系統(tǒng)用戶類型多、供能情況復(fù)雜、可選擇的供能設(shè)備種類多等特點(diǎn)，筆者以某樓宇型分布式能源為研究對(duì)象，分析其冷熱負(fù)荷變化，在此基礎(chǔ)上提出了兩種不同的裝機(jī)方案，并對(duì)兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，對(duì)樓宇型分布式能源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的借鑒意義[3]。

1 冷熱負(fù)荷分析

樓宇型分布式能源冷熱負(fù)荷直接關(guān)系到系統(tǒng)配置、運(yùn)行策略和經(jīng)濟(jì)性，因此必須針對(duì)特定的邊界條件進(jìn)行詳細(xì)的冷熱負(fù)荷分析，以確保后續(xù)研究工作的準(zhǔn)確性。以某樓宇型分布式能源系統(tǒng)為例，其供能業(yè)態(tài)類型主要包含辦公、商業(yè)、酒店和醫(yī)院，各業(yè)態(tài)的建筑面積和冷熱指標(biāo)等信息見表1，負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)取0.65，計(jì)算得到合計(jì)的冷負(fù)荷和熱負(fù)荷分別為15 015.708 5 kW、5 000.164 kW。

表1 業(yè)態(tài)的建筑面積和冷熱指標(biāo)表

全年負(fù)荷預(yù)測(cè)采用DeST(Designer’s Simulation Toolkit)軟件進(jìn)行模擬[3]，通過簡(jiǎn)化建筑模型的方式進(jìn)行推算。根據(jù)建筑業(yè)態(tài)類型分別建立模型，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)擾參數(shù)、房間作息進(jìn)行設(shè)置，并加入通風(fēng)模型模擬建筑實(shí)際運(yùn)行情況。根據(jù)模型計(jì)算的全年負(fù)荷，對(duì)建筑面積進(jìn)行等比例擴(kuò)大，并考慮同時(shí)使用系數(shù)推算出各個(gè)供能區(qū)域內(nèi)全年的冷熱負(fù)荷。

假定全年的供冷時(shí)間段為每年的4月15日至10月15日，供熱時(shí)間段為每年的11月15日至3月15日，其他時(shí)間為過渡季，通過仿真模擬可以得到該樓宇型分布式能源的全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷曲線(見圖1)。

圖1 全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷曲線

2 裝機(jī)方案

系統(tǒng)要求夏季空調(diào)供、回水溫度為6 ℃、13 ℃，冬季空調(diào)供、回水溫度為60 ℃、50 ℃。針對(duì)上述供回水溫度，夏季采用離心式冷水機(jī)組即可滿足要求；冬季供回水溫度高，普通的風(fēng)冷螺桿式熱泵或者空氣源熱泵在室外溫度較低的情況下無法滿足出水溫度60 ℃的要求。此外，單一使用風(fēng)冷螺桿式熱泵或者空氣源熱泵進(jìn)行制熱，難以滿足溫差10 K的升溫要求。因此對(duì)于冬季采暖，筆者討論兩種裝機(jī)方案：方案一采用兩級(jí)熱泵制熱，即采用風(fēng)冷螺桿式熱泵作為一級(jí)熱泵，向二級(jí)熱泵-離心式熱泵提供低溫?zé)嵩?，其工藝流程圖見圖2；方案二采用常規(guī)天然氣鍋爐制熱，其工藝流程圖見圖3。

圖2 方案一工藝流程圖

圖3 方案二工藝流程圖

方案一和方案二的設(shè)備裝機(jī)對(duì)比見表2。

表2 設(shè)備裝機(jī)對(duì)比表

兩種方案中的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電僅在能源站內(nèi)部供制冷制熱設(shè)備使用，不向外供電，當(dāng)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電量不足時(shí)從電網(wǎng)購買電力。為了控制變量，兩種方案選擇了相同型號(hào)(SGE-36SL)的天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，其具體參數(shù)見表3。

表3 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)主要設(shè)備技術(shù)項(xiàng)目表

3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3.1 技術(shù)指標(biāo)

兩種方案全年主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表4。

表4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

3.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

各應(yīng)用方案的經(jīng)濟(jì)性分析，主要通過對(duì)比各種方案下邊界條件變化時(shí)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和投資回收期[4]。

3.2.1 凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值EFNPV是指用預(yù)定的基準(zhǔn)收益率分別將整個(gè)計(jì)算期內(nèi)各年所發(fā)生的凈現(xiàn)金流量都折現(xiàn)到技術(shù)方案開始實(shí)施時(shí)的現(xiàn)值之和。

(1)

式中：(ECI,t-ECO,t)為第t年的凈現(xiàn)金流量，ECI,t為流入現(xiàn)金，ECO,t為流出現(xiàn)金；ic為基準(zhǔn)收益率；n為計(jì)算期。

EFNPV>0，技術(shù)方案可行；EFNPV=0，技術(shù)方案可以考慮接受；EFNPV<0，技術(shù)方案不可行。

3.2.2 內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率iFIRR是使技術(shù)方案在整個(gè)計(jì)算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值累計(jì)等于0時(shí)的折現(xiàn)率。

(2)

iFIRR應(yīng)與ic比較：iFIRR≥ic，技術(shù)方案可行；iFIRR

3.2.3 投資回收期

投資回收期為不考慮資金時(shí)間價(jià)值的靜態(tài)投資回收期Pt，是指以技術(shù)方案的凈收益回收其總投資或資本金所需要的時(shí)間。

(3)

Pt應(yīng)與基準(zhǔn)投資回收期Pc比較：Pt≤Pc，技術(shù)方案可以考慮接受；Pt>Pc，技術(shù)方案不可行。

3.3 應(yīng)用分析

對(duì)兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的計(jì)算，方案測(cè)算邊界包括：供冷熱價(jià)格為0.65 元/(kW·h)，用戶接入費(fèi)為140 元/m2，購電價(jià)格為0.756 元/(kW·h)，天然氣價(jià)格為2.27元/m3，補(bǔ)水價(jià)格為5元/t。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的計(jì)算期為21 a，包含建設(shè)期1 a，主要計(jì)算結(jié)果匯總見表5。

表5 兩種方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

方案一在冬季制熱時(shí)采用兩級(jí)熱泵方式，而其電源來自內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電和市電，因此內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的全年利用時(shí)間高，天然氣耗氣量高；方案二在冬季制熱時(shí)采用天然氣鍋爐方式，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)在冬季關(guān)閉，天然氣耗量低。方案一增加了設(shè)備投資，同時(shí)方案二中的天然氣鍋爐設(shè)備造價(jià)較低，因此方案二的總投資較方案一略低。

結(jié)合表4和表5 分析可知：方案二的購電成本較方案一略高，但方案二的天然氣耗量較低，天然氣成本低，同時(shí)方案二的總投資較低，從而導(dǎo)致其修理費(fèi)、折舊費(fèi)等固定成本較低，最終導(dǎo)致方案二的經(jīng)營成本更低，因此收益率更好。兩種方案的經(jīng)濟(jì)性差異不大，但如果系統(tǒng)規(guī)模變大，經(jīng)濟(jì)性差別會(huì)更加明顯，因此在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)須要結(jié)合業(yè)態(tài)類型、設(shè)備型式、資源價(jià)格等參數(shù)進(jìn)行裝機(jī)方案的反復(fù)比選，選擇經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的技術(shù)方案，以此提高樓宇型分布式能源的整體經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

筆者針對(duì)某樓宇型分布式能源，進(jìn)行了冷熱負(fù)荷分析，提出了兩種裝機(jī)方案，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 針對(duì)冬季供暖供回水溫度較高的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的單一風(fēng)冷螺桿式熱泵或者空氣源熱泵無法滿足要求，須要采用兩級(jí)熱泵或者天然氣鍋爐供暖。

(2) 對(duì)比兩種設(shè)備選型方案，方案二的總投資和經(jīng)營成本較方案一略低，收益率更好，盡管兩種方案經(jīng)濟(jì)性差異不大，但放大規(guī)模后差異性會(huì)更加明顯。

(3) 樓宇型分布式能源用戶業(yè)態(tài)類型多、設(shè)備選擇方式多樣、邊界條件復(fù)雜，必須進(jìn)行多種裝機(jī)方案的對(duì)比計(jì)算，選擇經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案。