PDF《商业用户电能采暖替代技术选型的边界条件论证》

商业用户电能采暖替代技术选型的边界条件论证 曲子清1 ,辛洁晴1 ,吴亮2,

3 ,郑思源1 ( 1.

电力传输与功率变换控制教育部重点实验室( 上海交通大学) ,上海市

2 0

0 2

4 0;

2. 国网天津市电力公司电力科学研究院,天津市

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8 4;

3. 天津电力节能服务有限公司,天津市

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8 4 ) 摘要:商业用户电能替代主要是电采暖替代传统燃煤锅炉供暖, 主流技术选型有二: 一是夏季用冷 水机组( WC U) 制冷、 冬季配置蓄热式电锅炉( H S E B) 供暖系统;

二是采用兼具供暖、 制冷功能的地 源热泵( G S H P) 系统.为掌握两类系统适用的边界条件, 在建立成本模型和运行约束条件的基础 上, 提出一种以两类系统成本偏差最小为目标、 直接求解边界条件的优化模型.对天津市综合性办 公楼用户群测算边界条件并做摄动分析, 结果表明: 对特定地区特定用户群, 决定两类系统适用性 的边界条件参量是夏、 冬季最大冷/热负荷比值和利用小时数;

拉大峰谷价比或在大昼夜温差地区 H S E B+WC U 系统更具经济优势, 抬高需量电价或对无热水需求的全天供暖/制冷用户则选择 GH S P系统有利. 关键词:商业用户;

电能替代;

电采暖/制冷;

技术选型;

边界条件 收稿日期:

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修回日期:

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0 引言 终端用能领域以电代煤、 以电代油对城市治霾 具有重要 意义.2

0 1

3 年8月, 国家电网公司印发?国家电网公司电能替代实施方案? , 全面启动电能 替代工作, 对商业用户( 办公楼、 商场、 宾馆等) 的主 要举措是电采暖替代燃煤锅炉供暖. 电采暖/制冷技术选型是两个需综合考虑的问 题, 对商业用户而言主流选择有二: 一是夏季用冷水 机组( WC U) 制冷, 再配置蓄热式电锅炉( H S E B) 满 足冬季采暖需求;

二是采用兼具供暖、 制冷功能的热 泵系统, 且地理条件合适区域首选高效地源热泵(GSHP) 系统.最佳选型与地区气象条件、 用户热/ 冷负荷相对大小及时间分布特性有关.由于缺乏应 用技术原则, 目前实施相关项目时往往要花大量时 间进行选型论证, 不利于此类电能替代技术的快速 推广和优化利用. 有不少文献针对某一类电采暖/制冷系统开展 了建 模和运行方式优化研究.例如: 文献[1] 对GSHP系统 进行了建模, 采用人工神经网络预测GSHP系统能效比, 但研究中没有涉及设备和安装 费用;

文献[

2 ] 研究了兼顾降耗和土壤温度场恢复的 G S H P最佳运行方式, 模型中也只考虑运行费用;

文献[

3 ] 用实验方法探讨了不同运行方式对 H S E B 系 统能效的影响;

文献[ 4] 对电采暖系统进行建模, 分 析了电锅炉、 热泵、 空调等电采暖技术的应用对电力 系统的影响.上述研究着眼于运行方式层面, 建模 只针对某一类系统, 且只关注运行费用问题. 还有一些文献针对具体案例开展几种电采暖/ 制冷技术对比.例如: 文献[

5 ] 对德国地区蓄热式电 采暖和热泵的削峰填谷潜力进行了对比;

文献[

6 ] 测 算并得到热泵比电锅炉更高效的结论.上述研究针 对具体案例进行技术、 经济指标的测算和对比, 未得 到不同电采暖/制冷技术适用的边界条件, 对相关技 术推广应用的借鉴价值较为有限. 为此, 本文在对 H S E B+ WC U 和GSHP系统 建模的基础上, 梳理边界条件参量, 提出一种直接求 取两类系统适用性边界条件的优化模型.所得结论 对商业性用户电采暖/制冷的技术选型具一定指导 意义.

1 电采暖/制冷系统建模 本文 涉及HSEB+ WC U 和GSHP两类电采暖/制冷系统, 各类系统的典型结构图、 运行原理和 主要设备构成详见附录 A.两类系统均由一次系统 和二次系统组成, 一次系统产生和存储热/冷量, 二 次系统则负责热/冷量的分配,

一、 二次系统通过板 式换热器进行能量交换[ 7] . 1.

1 简化假设

1 ) 各类电采暖/制冷系统的二次系统相仿, 不影

8 4 第4 0卷第1 3期2016年7月1 0日Vol.40N o .

1 3J u l y1 0,

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1 6 D O I :

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1 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 响技术选型, 故后续建模只关注一次系统的费用.

2 ) 忽略比重较小的成本项, 如各系统中的机房 和控制系统投资、 冷媒( 水及水软化) 和水阀费用.

3 ) 鉴于电采暖/制冷构成商业用户最主要用电 负荷, 假设用户最大需量发生时刻即电采暖/制冷系 统最大用电负荷发生时刻, 从而所增最大需量可按 电采暖/制冷系统最大负荷计.

4 ) 鉴于研究目的是求取边界条件、 不是对具体 用户进行技术方案的测算分析, 为减少决策变量, 对 用户冷/热负荷曲线做时段化的简化处理.具体方 法是将一个地区夏/冬季日冷/热负荷大小相近、 售 电电价相同的时刻划分为同一时段. 以下设夏、 冬季日划分的时段数分别为 Nt , c和Nt , h, 其中t 时段包含的小时数分别为Nc ( t) 和Nh( t) ;

另设冬季设计日( 最大热负荷发生日) 最大 热负荷为qh . m a x, 夏季最大 冷负荷q c . m a x =k qh . m a x ( k 为夏季最大冷负荷与冬季最大热负荷的比值) ;

引入 r c( t) 和rh( t) 分别表示夏、 冬季设计日t 时段冷/热 负荷与q c . m a x和qh . m a x的比值, 则夏、 冬季设计日t 时 段的冷、 热负荷分别为q c . m a x r c( t) 和qh . m a x rh( t) , 而 t时段的冷/热负荷总量分别为q c . m a x r c( t) Nc( t) 和qh . m a x rh( t) Nh( t) . 此外, 无论哪类电采暖/制冷系统, 投运成本都 包括设备投资和安装费、 运行发生的电度电费、 扩容 增加的需量电费三部分, 分别用下标 A, O, D 表征. 从而投运成本年金可表述为: C χ Σ= αN C χ A+C χ O+C χ D (

1 ) 式中: αN 为对应经济寿命N 年的等额年金系数, 通 常可 取N=2 0;

上标χ表示系统类型(HSEB, WC U, G S H P) . 限于篇幅, 后文对各成本项仅列出成本构成及 其影响因素, 具体计算公式详见附录 B. 1.

2 H S E B采暖系统模型 1. 2.

1 投运成本 H S E B一次系统用电设备主要包括电锅炉、 蓄 热水箱、 蓄热水泵、 供热水泵、 板式换热器, 故设备投 资与安装成本为: CH S E B A ( qh . m a x, QE B, VWT, θh) = kH S E B i n s ( CE B( QE B) +CWT( VWT) +

2 CP S( QE B, θh) +2 CP H ( qh . m a x) +CP H E( qh . m a x) ) (

2 ) 式中: QE B为电锅炉各时段产热量构成的向量;

θh 为 其中直供给负荷的比例构成的向量;

VWT 为水箱体 积;

CE B, CWT, CP S, CP H , CP H E 分别为电锅炉、 蓄热水 箱、 蓄热水泵( 一用一备) 、 供热水泵( 一用一备) 和板 ........