新型能源利用系统分析软件的研究和开发初探

史宇丰

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

0 引言

分布式供能（简称CHP）是指利用一种形式的一次能源（如生物沼气、煤层气、天然气、焦炉煤气等）同时生产冷量、热量、电力三种不同形式的能量来满足用户用能需求的技术，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。与传统集中供能形式不同，CHP通过能源的梯级利用，大大提高了一次能源利用率，对于夏季需制冷、冬季需供热的建筑，CHP系统可提供更大的供能灵活性。

天然气分布式供能是指利用天然气为一次能源的分布式供能，其综合能源利用率在70%以上，节能减排效果明显、可以优化天然气利用，并能发挥对电网和天然气管网的双重削峰填谷作用，增加能源供应安全性。国家发改委在2011年10月9日发布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源〔2011〕2196号）的文件，主要任务是在“十二五”初期启动一批天然气分布式能源示范项目，“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。因此，大规模发展天然气分布式供能势在必行。

但由于我国对CHP研究起步较晚，正式投入运行的项目较少，因而国内对CHP系统的设计水平普遍较低，因此开展对CHP系统的设计方法研究，可提高我国在CHP系统设计方面的水平，如把设计方法应用到计算机软件中，可大大降低CHP系统设计分析的繁琐性和难度，因而能在建筑行业大规模推广CHP系统设计，此社会效应是巨大的。由此华东建筑设计研究院有限公司联合上海华电源信息技术有限公司共同研究和开发了分布式供能系统分析软件。

1 分布式供能系统分析软件设计研究技术路线

规划一个天然气分布式供能系统，首先设定该项目可以用分布式供能系统，然后需了解建筑对象的负荷特性、外部环境因素和系统组成形式。系统配置和优化则需根据不同配置情况和当地的能源政策等综合因素予以确定，最后从节能、环保和经济三方面综合评价用户的分布式供能应用效果。分布式供能软件开发的技术路线框架如图1所示。

1.1 建筑对象的确定

建筑类型基本包含：商业、酒店、医院、办公、工厂等。适合使用CHP系统的用户建筑一般应具有以下特征：

（1）全年电力负荷、热力负荷稳定相对且设备使用率高的用户；

（2）电力负荷与热力负荷逐时变化类似的用户，即热电比波动较小；

（3）用户热电比与原动机负荷特性相匹配，综合效果会很好；

（4）对供能安全性有很高要求的用户，如医院、数据中心、商业、酒店等。

因此，按常规酒店、综合商业、医院建筑比较适合做分布式供能系统，但具体情况还应根据建筑物的负荷特性来进行分析。

1.2 建筑物电、热、冷负荷的预测

建筑物是一个复杂的系统，其冷、热、电负荷需求均随时间而变化，且峰值负荷一般不同时出现，为了选择合适的分布式供能形式、提高系统效率，需对建筑内部的冷、热、电负荷逐时、逐月变化进行预测并进行分析。

在软件中，输入预测的负荷（可为每月典型日负荷，也可为一年8760h逐时负荷），可自动生成每月典型日一天24h的负荷曲线图表，根据曲线特性，可对建筑物用能特性有很直观的了解，并可作为选择系统配置的依据。

1.3 外部条件因素

外部条件因素主要有以下几点：（1）当地的能源价格；

（2）当地政府对分布式供能系统设备有无经济补贴；

（3）分布式供能系统与市政电网的连接情况，是否可以并网、上网。

能源价格是分布式供能系统经济评价的重要因素，而分布式供能系统与市政电网的连接情况决定了系统的运行方式。

1.4 运行方式和运行时间的设定

分布式供能系统容量的选择应根据“以热定电，热电平衡”的原则，并根据点、热（冷）负荷的特性和大小合理确定。

“以热定电”是按照用户的热或冷负荷需求来进行系统配置，此运行方式不产生过量余热，其综合效率较高。

1.5 系统配置

根据以上几方面的分析结果，在此必须确定原动机种类、余热利用设备和余热利用系统、其它冷热源设备。主要有以下几方面内容：

（1）原动机种类的选择（燃气内燃机、燃气轮机、微型燃气轮机等）、原动机参数和台数确定；

（2）余热利用设备的选择（余热锅炉、余热溴化锂机组、烟气热交换器等）、余热利用设备参数和台数确定；

（3）其它冷热源设备的选择（水蓄冷、热泵、锅炉、电制冷、溴化锂机组等），设备参数和台数；

（4）形成完整的余热利用系统图。

有效利用原动机的余热，是分布式供能系统的核心。使用余热的地方主要是生活热水、采暖和制冷，一般利用余热的先后顺序为生活热水>采暖>制冷。

1.6 环境评价

环境评价是对CHP系统在运行过程中所产生的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物进行统计并与常规系统进行比较。分布式供能系统的燃料为天然气，属于清洁能源，燃烧时基本不会产生粉尘和二氧化硫，而产生的电力又能减少市政电力需求，从而达到间接抑制燃煤火力发电所产生的二氧化硫等物质。

各类排放物质的排放削减率等于两种系统的排放量之差与传统系统的排放量的比值。公式如下：

CO2排放削减率=（传统系统的CO2排放量-分布式供能系统的CO2排放量）/传统系统的CO2排放量

SO2排放削减率=（传统系统的SO2排放量-分布式供能系统的SO2排放量）/传统系统的SO2排放量

NOx排放削减率=（传统系统的NOx排放量-分布式供能系统的NOx排放量）/传统系统的NOx排放量

还可根据以上计算得出减碳量，并计算碳交易收益。

1.7 节能评价

节能评价是对分布式供能系统与传统系统两者消耗能源的标准煤进行比较。目前消耗的能源主要有电力能源和燃气能源，将两者均转换成标准煤。传统系统的消耗能源主要包括对象建筑物内所有用电设备的用电量，供冷系统中各种设备（电制冷、水泵、冷却塔等）的用电量，供热系统中各种设备（锅炉、水泵等）的用电量。而分布式供能系统除了上述设备之外，还要计算原动机的燃气消耗量，节能相关的具体公式如下：

传统系统消耗能源的标准煤=0.327×传统系统的用电总量＋1.2143×传统系统的锅炉燃气消耗量

分布式供能系统消耗能源的标准煤=0.327×分布式供能系统的用电总量＋1.2143×（原动机的燃气消耗量＋分布式供能系统的锅炉燃气消耗量）

节能率=（传统系统消耗能源的标准煤-分布式供能系统消耗能源的标准煤）/传统系统消耗能源的标准煤

若分布式供能系统有剩余电力可供上网发电，应从分布式供能系统的用电总量中扣除相应的卖电量。

1.8 经济评价

经济性评价是投资决策的重要指标。虽然节能性与经济性之间有密切的联系，但节能性最优化的系统，其经济性并不一定是最优的。在考虑节能性的同时，如何选择经济性最优的系统是分布式供能系统设计的关键所在。

经济性评价就是计算传统系统和分布式供能系统的投资成本与运行成本，然后将两种系统的成本综合分析，评价其经济性。

（1）全年运行成本计算，主要有以下内容：

全年运行成本≈买电电费-卖电电费+燃气费用+维护费用+人工费用

（2）此公式一般适用于初期规划阶段

1.9 其它系统在分布式供能软件中的应用

本软件还预留了接口，方便今后其它系统的追加，如水蓄冷、热泵、水源热泵系统，这些都是比较节能的系统，将其追加到软件中，能更加便于设计人员进行系统设计、选择和比较。

1.10 综合评价

对计算结果进行汇总和总结，选出系统方案，得出结论。

2 项目案例

根据以上设计框架为指导思想，由华东建筑设计研究院有限公司和上海华电源信息技术有限公司共同进行了软件编制和开发，并将软件命名为《CHP分布式供能系统分析及评估软件》，下面以一个实际项目为案例简单介绍此分布式供能软件的基本功能。

2.1 项目概况

此项目为五星级高端会展酒店。主要建筑指标如下：

基地面积：27 355.3m2

总建筑面积：145 097m2

建筑高度：北区西侧A塔楼大屋面高度119.8m，东侧B塔楼84.69m，南区裙房24m。

建筑主要功能：两座高层塔楼的功能为酒店客房，北侧裙房主要功能为餐饮、会议和桑拿设施，南侧裙房一至二楼为KTV娱乐功能、三楼为大型多功能厅。

酒店对供电和供冷、供热的要求明确，并根据各专业统计的全年8760h负荷清晰的展示了酒店用能特性，并为本三联供机房装机需求的估算提供了可靠的依据。根据电、冷、热负荷曲线，拟建设发电能力为800kW的分布式供能机房，内设2台400kW的燃气内燃发电机组，内燃机三联供电源分两路并网至2台低压变压器的低压主母排上；在制冷季将内燃机的缸套水和烟气接至热水烟气型溴化锂机组，为酒店提供空调冷水，不足部分用电制冷机补充；在其它季节，用缸套水和烟气分别加热系统回水，为酒店采暖和生活热水提供高温热水，不足部分用燃气锅炉补充。每台燃气内燃机组与余热设备一一对应。图2为余热系统的流程图。市电网平衡，考虑每天22：00～6：00不开机，用市网电。每年四月份为机组检修月，五月初至十月底为制冷季，其余季节为采暖季和过渡季。

根据以上数据，经统计和计算得出的结论见表1～表5。

表1 全年运行情况评估结果

表2 全年系统运营收入

经了解当地的三联供用燃气价格为2.87元/m3，常规系统用燃气价格为3.29元/m3，售冷价格为0.205元/kWh，售热价格为0.367元/kWh，电价均为0.863元/kWh。便于

表3 全年三联供系统燃气费用支出

表4 全年三联供系统收益

表5 污染物排放比较

同时计算得出的此三联供系统节能率为30.5%。

2.2 利用CHP分布式供能系统分析及评估软件对此酒店的三联供系统进行分析

2.2.1 软件运行计算界面

（1）图3为软件的主界面，在此界面可输入项目的基本信息。

（2）图4为软件的价格输入界面，可以同时输入几个价格策略。

（3）图5为软件的余热系统绘制界面，并可在此界面双击设备，对设备参数和台数进行定义和修改。

（4）图6为软件的运行时间设定界面。（5）图7为软件的计算运行界面。

（6）图8为软件的计算结果输出表格，在此可调用计算中间结果和最终结果。软件的最终报告是生成word版本的项目方案书。

2.2.2 计算结论

（1）全年运行情况汇总（见表6）

表6 软件计算全年运行情况评估结果

（2）全年运行费用统计。常规系统中，电源需采用市电网，冷源采用电制冷机，热源采用燃气锅炉。按此原则将三联供系统的发电、余热制冷制热量进行价格折算以统计全年运营收入，结果见表7。本三联供系统的燃气费用为支出费用，结果见表8。则采用三联供系统后的全年收益见表9。

表7 软件计算全年系统运营收入

表8 软件计算全年三联供系统燃气费用支出

表9 软件计算全年三联供系统收益

（3）节能指标的计算与分析。与不采用三联供系统的方案相比，采用此三联供方案后的节能率为32%。

（4）污染物排放指标的计算与分析。与不采用三联供系统的方案相比，采用此三联供方案后污染物排放减排率见表10。

表10 软件计算污染物排放比较

（5）软件其它功能介绍。此软件还可自动生成项目分布式能源可行性研究咨询报告，报告为Word版本，已涵盖了方案说明、全年运行情况分析、节能分析、经济分析和污染物排放指标分析等内容，此报告为开放式的，设计者还可以对报告中的内容进行编辑和补充。以上这些表格中的数据均已包含在报告中了，同用最原始的手算数据进行比较，基本相符，也验证了此软件的正确性。

让软件自动生成分布式能源可行性研究咨询报告，可大大简化设计人员的工作，提高工作效率，不用再为写繁琐的报告而头疼了。在用软件进行计算中，还可以同时输入2个或2个以上的分布式供能方案，用软件计算后，在报告中可以清晰的看到不同分布式功能方案之间的数据比较，以此为依据选择一个最优方案。

3 结语

从以上的案例可以看出，此分布式供能软件能大大简化系统设计难度，提高设计效率，其计算结果也验证了此软件的合理有效性，其统计数据也证实了采用分布式供能系统远优于传统系统。

然而此软件开发还在初期阶段，很多功能还有待于进一步深化和调整。目前华东院已在着手整理各种品牌的设备详细参数、价格和调研，例如三联供系统的自耗电等，使软件计算更加精准，也使得软件的数据库更加完善。同时华东院也用了一系列的案例，对软件进行验证和调试，希望使得界面更加简明易懂，操作性更强，便于设计人员的操作和使用。此外还为软件预留了接口，希望在今后能把其它的一些节能系统追加到软件中去，扩展软件的功能。

希望此分布式供能软件能为更多设计师使用，为我国分布式供能系统的全国普及做出贡献。

：

[1]CJJ145-2010，燃气冷热电三联供工程技术规程[S].2010.

[2]DG/TJ08-115-2008，分布式供能系统工程技术规程[S].2008.

[3]发改能源〔2011〕2196号，关于发展天然气分布式能源的指导意见[S].2011.