分布式能源技术在不同建筑负荷中的应用

□□

(山西建筑职业技术学院，山西 晋中 030619)

引言

全球气候变暖问题日益严重，生态系统和环境保护问题已备受关注。我国面临着资源短缺、环境恶化、生态系统退化等诸多问题，经济和社会的可持续健康发展面临巨大的挑战[1]。

分布式能源(distributed energy resources)是一种建立在用户端的能源循环利用系统，既可独立运行又可并网运行。其一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅；二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主，其他能源供应系统为辅，将电力、热力、制冷与蓄能技术相结合，以满足用户的需求。其中冷、热、电三联供(combining cooling,heating and power,CCHP)系统是一种能源梯级利用技术[2]，不仅可以提高能源利用的安全性与灵活性，同时可以缓解电力紧张，削峰填谷，是降低能耗非常重要的一种技术。

分布式能源系统的特征显著，具体体现在以下几个方面。第一，分布式能源可用发电的余热来制热、制冷，大大提高了能源的利用率。第二，分布式能源可以采用各种可再生能源作燃料，大大降低了有害物质的排放，有利于环境保护。第三，分布式能源可以充分利用日常生活产生的垃圾废弃物和排放物，不仅可以促进能源的循环利用，更有助于节约型社会的可持续发展。第四，分布式能源系统可以同步完成能源利用、转换与储存工作，并且能最大限度地降低能量的损失，提高发电效率。第五，分布式能源系统运行简单，初次投资较小，建设周期较短，后期的维护和管理相对简单，并且抗压运行过程中带来的风险较小。总之，分布式能源系统在经济性、环保性、安全可靠性等各方面都优于传统能源系统，具有重要的研究价值。

1 分布式能源系统的优化设计模型

分布式能源相关技术为采用智能化监控、网络化群控和远程遥控等技术，实现现场无人值守。同时，结合未来以能源服务公司为主体的能源社会化服务体系，实现运行管理的专业化，以保障各能源系统安全、可靠地运行。

目前，分布式能源站的技术设备主要包括燃气轮机、余热锅炉、压缩式制冷、吸收式制冷、蓄冷蓄热设备以及控制系统等。分布式能源系统的系统如图1所示。

图1 分布式能源系统供能系统图

根据分布式能源系统的特点，可将分布式能源系统分为三部分，主要包括能量的生产、转换和储存，并且彼此之间相互联系，以满足冷、热、电的需求[3]。其中能量生产部分通过不同的发电技术将一次能源转换成电能和热能；能量转换部分通过不同的能量转换技术将二次能源转换成三级能量载体，即冷、热和电等能量；能量储存部分为了更为有效地利用能量，将低谷时期产生的能量储存起来在高峰时期使用。分布式能源系统结构如图2所示。

图2 分布式能源系统结构示意图

2 不同类型建筑中的负荷特点

先选择具有代表性的建筑负荷来分析分布式能源系统在建筑领域中的应用。第一种为办公型的建筑，如办公大楼，此类建筑用能负荷的特点是工作时间主要集中在白天；第二种为宾馆型建筑，如宾馆或住宅，此类建筑用能负荷的特点是工作时间主要集中在夜晚；第三种为复合型建筑，如高校或医院，此类建筑负荷的特点是工作时间较平均分布，但对冷、热电负荷的需求都比较严格。结合这三种建筑负荷的特点进行分析，不同的建筑类型在一年当中不同季节，一天当中不同时段对冷、热、电负荷均有不同的要求，如何实现分布式能源系统的最优功能，达到节约能源、保护环境、科学发展的最终目的[4]，应针对不同类型的建筑负荷特点进行全面分析。

2.1 办公型建筑

在夏季对冷负荷和电负荷需求较大，持续时间从9点到18点左右，对热负荷需求较小，几乎不需要；在冬季对热负荷和电负荷需求最大，主要集中在早晚，热负荷主要集中在白天工作时间；在春秋两季电负荷主要集中在18点至22点，热负荷和冷负荷需求较少。

2.2 住宅型建筑

在夏季对冷负荷和电负荷的需求主要集中在18点到23点，此时段处于高峰，其余时间相对较小，对热负荷的需要也主要集中在晚上，但需求值不大；在冬季对热负荷和电负荷需求最大主要集中在早晚，热负荷主要集中在晚上；在春秋两季电负荷主要集中在18点至23点，热负荷和冷负荷需求也集中在晚上，需求很小。

2.3 复合型建筑

由于此类建筑包括不同功能建筑，例如高校里包括学生宿舍、教学楼、食堂、图书馆和实验楼等，具体要详细分析不同功能的建筑在不同季节和每天不同时段对不同负荷的需求，复合型建筑是一种复杂、变化较大而又庞大的综合性建筑。根据前两种类型建筑的特点，将复合型建筑进行归类，例如教学楼可以参照办公型建筑，宿舍楼可以参照住宅型建筑，食堂、图书馆和实验楼的利用时间相对集中，可以对其单独分析。其中食堂在夏季的冷负荷主要集中在12点至13点，电负荷主要集中在18点至20点，而图书馆冷负荷和电负荷主要集中在19点至22点，并且两者对热负荷的需求几乎没有；在冬季热负荷和电负荷主要集中在早晚，对冷负荷的需求几乎为零；在春秋两季电负荷需求相对平稳。最后可以对整个大的系统再综合考虑，既能实现此类建筑的最优设计，又能突出分布式能源系统的优势。

3 分布式能源系统的综合评价指标

相比传统的常规能源系统的功能，为了突出分布式能源系统在建筑领域中的应用优势，主要从三个方面来完成对分布式能源系统的综合评价，即能源效益、经济效益和环境效益[5]，其中能源效益主要考虑一次能源的利用和节能效率；经济效益主要考虑系统初次投资和年度化成本；环境效益主要考虑二氧化碳和氮氧化物的排放量。分布式能源系统的综合评价模型应先建立综合评价的目标函数，将能源、经济、环境等三种评价指标均考虑进去，并赋予适当的权重，当然最简单的方法是把三种评价指标均赋值三分之一，但此方法产生的误差较大，所建立的模型不够科学，仅仅可以用于单一的与传统能源系统的分析对比。目前常采用的是熵权法，此方法通过建立评价矩阵、指标标准化、计算各指标的熵和权重系数等一系列的步骤来实现科学赋值。

4 结语

本文论述了分布式能源的特点、优势和相关技术，结合不同类型的建筑的用能负荷特点分析，总结出分布式能源系统的综合评价指标，均有助于建立分布式能源系统的综合评价和优化模型，用来分析和对比分布式能源系统与传统能源系统的应用特点和优越性。