不同建筑负荷下分布式能源系统优化与政策激励研究

　　摘要：探索优化运行策略和激励机制对分布式供能系统的影响是加快其应用推广，保障其充分发挥效能的重要内容之一。该文首先针对北方某地区办公型建筑和宾馆型建筑夏季负荷需求，构建了一套冷热电三联供(combiningcooling，heatingandpower，CCHP)分布式能源系统三维和二维模型，考虑系统碳排放并引进碳税和电力回购(电力反向卖回电网)，构建了以运行费用为目标的分布式能源系统和常规系统分析模型，分析了三维模型和二维模型的差异;并讨论了蓄能系统对分布式能源系统经济性的影响，得出该系统为宾馆型建筑和办公型建筑供能的最优策略;最后对影响分布式能源系统经济性的相关政策和激励进行分析，得出了分别针对办公型建筑和宾馆型建筑的分布式能源系统经济性的气价和碳税激励控制域。

　　关键词：能源互联网;分布式能源系统;建筑节能;电力回购;政策激励

　　0引言

　　20世纪以来，全球气候变暖的总体趋势已得到证实，对生态系统和人居环境造成的影响也备受瞩目。作为最大的发展中国家和主要的温室气体排放国，中国承受着巨大的温室气体排放控制压力。

　　能源论文范例： 基于双层优化的综合能源系统规划配置研究

　　长期形成的高碳发展模式导致中国推进现代化进程中面临资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，经济社会可持续发展面临巨大挑战。分布式能源作为一种新兴的可靠的新能源利用技术，在各行各业中受到越来越大的重视，分布式能源系统一般指以可再生能源(生物质)或天然气等清洁化石燃料为能源的、孤立的或只与配电网相联系的小型能量系统[1]。其中冷热电三联供(combiningcooling，heatingandpower，CCHP)系统是分布式能源系统中最常用的一种技术，CCHP是一种能源梯级利用技术，可提高能源的利用效率，缓解电力紧张状况，削峰填谷，降低能耗[2]。近些年，由于其高效、灵活、清洁、可靠的优点日益受到能源行业的重视。

　　因此很多专家学者对以天燃气三联供为主的分布式能源系统进行研究。但是三联供系统由于设计容量不宜选择且冷、热、电负荷难以同时匹配的局限性，使其很难独立推广使用。Li等[3]对分布式能源系统进行建模仿真，以系统经济性、环境性和一次能源节约率为目标，分别对住宅型和办公型建筑进行优化，得出办公型建筑综合性能优于住宅型建筑，系统有蓄能装置和空气调节装置经济性更优;Hajabdollahi等[4]对以汽轮机，内燃机和柴油机做为驱动源的CCHP系统建立了性能和部分负荷率的关系，对系统在不同的负荷下进行了优化;Stanek等[5]对于基于内燃机为主要动力源。

　　太阳能光伏发电为辅，利用内燃机缸套水提供生活热水并驱动吸收式制冷机的分布式供能系统进行热力–生态费用分析，并与传统的热力经济分析作对比，提出了联供系统的优化策略;Rahul等[6]针对单缸四冲程水冷恒转速柴油机余热，采用实验和模拟的方法，分别研究了单纯发电，冷热电，热电，冷电4种模式的能源利用效率和火用效率，结果显示在冷热电和热电模式下，系统性能最好;Fang等[7]提出了将冷热电三联供系统与有机郎肯循环结合(CCHP-ORC)的互补配置方案，并对北京一酒店进行了假设性的案例研究，采用Energyplus模拟4个季节典型日冷热电需求。

　　结果表明电制冷主要应用在夏季，ORC主要应用在其他3个季节，一次能耗，CO2排放和运行费用均好于常规的CCHP系统;Wu[8]基于多目标优化的微型CCHP系统的运行策略，以相对节能率和运行成本相对节约率为目标对系统进行优化，分别在定电负荷和定热负荷的情况下给出了系统热(电)负荷逐步增加情况下的最优运行策略，并且分析了燃气价格与电价的比例发生改变时系统的运行策略改变的情况。通过相关学者的研究发现国外对电力回购和碳税政策对分布式能源系统影响的研究已经很多，但在对系统进行建模仿真研究时，也只是建立设备性能和部分负荷率的二维模型，并没有考虑冷却水温的影响[9-12]。国内更是几乎没有对电力回购和碳税政策的研究[13-15]。

　　在研究对象选择上，宾馆型建筑和办公建筑负荷需求差异较大，办公型建筑高负荷时段主要为白天工作时间，而宾馆型建筑主要是晚上时段，因此本文针对北方地区某宾馆型建筑和办公型建筑，建立了设备普遍适用的效率和负荷率、冷却水温度的三维模型，考虑电力回购并引进碳税，构建了以经济性为目标的分布式和常规供能系统模型，并分析了二维模型和三维模型的差异;然后通过优化得出分布式能源系统为办公型建筑和宾馆型建筑供能的最优策略;最后将分布式能源系统与常规模式–燃煤电厂供能经济性对比，从供能侧比较了碳税和气价对分布式能源系统经济性的影响。

　　1系统模型介绍

　　1.1系统构建

　　本文针对北方某地区办公型建筑和宾馆型建筑，构建了一套天燃气内燃机CCHP系统与蓄能、电热泵结合的分布式供能系统。

　　1.2负荷模型系统负荷需求输入选取北方某办公型建筑和宾馆型建筑夏季典型日逐时负荷数据。冷却水温为冷却塔所能冷却到的最低温度，即当地夏季典型日全天的逐时湿球温度，通过调用DEST软件库中环境温度和含湿量气象数据，并查焓湿表[23]获得。

　　2政策激励措施天然气主要成分为甲烷，因此燃气内燃发电机每立方米天然气输入约产生CO21.96kg，即当内燃机满负荷运行时，每发1kW⋅h电约产生CO20.46kg。

　　3优化与运行策略

　　3.1优化目标与约束条件本文建立了以系统运行费用为目标函数的系统优化模型，其中分布式能源系统运行费用由购气费用、购电费用(包括回购收益)和缴纳碳税费用组成。

　　4结果与讨论

　　4.1用能侧经济性分析

　　本文首先通过将无蓄能系统模式最优策略与建筑所需负荷全部由电网购电消耗费用对比，分析三维模型二维模型的差异，可以看出无论是办公型建筑还是宾馆型建筑，使用分布式能源系统无蓄能模式为该建筑供能比全部采用电网购电为该建筑供能更节约运行费用。

　　并且该宾馆型建筑全部电网购电二维模型和三维模型日运行费用相差2136元，无蓄能最优模式日运行费用相差5780元，办公型建筑则分别相差为7929元和3598元。可见二维模型和三维模型结果差异较大，尤其是在负荷需求较大的时刻，办公型建筑主要为上午9:00到下午6:00，宾馆型建筑主要为下午5:00到晚上11:00。因此采用三维模型可更准确地反映分布式能源系统的真实情况，采用分布式能源系统为建筑供能比全部购电供能经济性更好。

　　4.2供能侧经济性分析

　　综上分析，采用含蓄能的分布供能系统最优策略为该办公型建筑和宾馆型建筑供能经济性最好。但是以上仅仅是在用能侧进行的经济性分析，即从用户角度的用能成本分析。接下来在供能侧将该分布式能源系统与常规供能模式中燃煤电厂的经济性做对比，也就是供能成本的分析。可以看出在碳税0.3元/kg，气价3.15元/m3时，无论是办公型建筑还是宾馆型建筑，常规供能模式中燃煤电厂的成本较分布式能源系统经成本更低，即常规模式经济性更优。

　　4.3供能侧政策激励分析

　　分布式能源系统最大的优势就是采用天然气作为输入能源，一次能源利用率高、节能性和环境性好，因此天然气价格必定会对分布式能源系统经济性产生重要影响;而碳税作为一种市场激励政策，对天然气分布式能源系统的发展推广具有重要意义。因为天然气分布式能源系统环境性较常规系统好，因此碳税越高，气价越低越有利于分布式能源系统的推广。接下来在供能侧，分别改变碳税和天然气价格，综合比较碳税和气价对该分布式能源系统和常规模式–燃煤电厂经济性的影响关系。

　　5结论

　　1)采用分布式能源系统以最优策略为办公型建筑和宾馆型建筑供能时，相比于建筑负荷需求全部由电网购电满足，可最高分别日节约运行费用16875元和22106元。2)当前峰谷电价下，在气价为3.15元/m3时，对于办公型建筑如果碳税大于0.45元/kg时，分布式能源系统运行费用优于常规模式–燃煤电厂，有利于分布式能源系统推广;而对于宾馆型建筑，碳税值需要大于0.38元/kg。

　　3)当前峰谷电价下，在碳税为0.30元/kg时，对于办公型建筑如果气价小于2.73元/m3，分布式能源系统运行费用优于常规模式–燃煤电厂，有利于分布式能源系统推广;而对于宾馆型建筑，需要气价小于2.92元/m3;4)碳税和气价对分布式三联供系统经济性的影响是相互作用，相互影响的。当该分布式能源系统以最优策略运行为两种建筑供能时，碳税和气价分别在图10中曲线下方区域内，运行费用优于常规模式–燃煤电厂，有利于分布式能源系统推广。

　　参考文献

　　[1]杨勇平.分布式能量系统[M].北京：化学工业出版社，2011.YangYongping.Distributedenergysystem[M].Beijing：ChemicalIndustryPress，2011(inChinese).

　　[2]孙仲武.热电冷三联供系统效能分析[J].价值工程，2012，31(21)：53-54.SunZhongwu.CCHPsystemeffectivenessanalysis[J].ValueEngineering，2012，31(21)：53-54(inChinese).

　　[3]LiLX，MuHL，GaoWJ，etal.OptimizationandanalysisofCCHPsystembasedonenergyloadscouplingof residentialandofficebuildings[J].AppliedEnergy，2014，136：206-216.

　　[4]HajabdollahiH，HajabdollahiZ，HajabdollahiF.Softcomputingbasedoptimizationofcogenerationplantwithdifferentloaddemands[J].HeatTransfer—AsianResearch，2015，doi：10.1002/htj.21176.

　　[5]StanekW，GazdaW，KostowskiW.Thermo-ecologicalassessmentofCCHP(combinedcold-heat-and-power)plantsupportedwithrenewableenergy[J].Energy，2015，doi：10.1016/j.energy.2015.02.005.

　　[6]GoyalR，SharmaD，SoniSL，etal.PerformanceandemissionanalysisofCIengineoperatedmicrotrigenerationsystemforpower，heatingandspacecooling[J].AppliedThermalEngineering，2015，75：817-825.

　　[7]FangF，WeiL，LiuJZ，etal.ComplementaryconfigurationandoperationofaCCHP-ORCsystem[J].Energy，2012，46(1)：211-220.

　　作者：王惠，赵军，安青松，康利改