摘要：结合中新天津生态城动漫园的燃气冷热电联供系统，采用Energyplus模拟计算了建筑全年冷热电负荷，以寿命周期成本(LCC)最小为目标函数建立优化模型，对联供系统设备配置方案和运行策略进行了探讨。根据优化模型确定的燃气冷热电联产方案具有更好的节能性、经济性。
关键词： 燃气冷热电联供；优化模型；设备配置；运行策略
Optimization of Combined Cooling，Heating and Power System for Animation Park in Sino-Singapore Tianjin Eco-city
Abstract：Combined with the gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system for Animation Park in Sino-Singapore Tianjin Eco-city，the annual building cooling，heating and power loads are simulated and calculated by Energyplus，an optimization model is established using the minimal lifecycle cost(LCC)as an object function，and the equipment configuration scheme and operation strategy
of the system are discussed．The gas-fired CCHP scheme determined by the optimization model has better energy-saving and economy．
Key words： gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)； optimization model； equipment configuration； operation strategy
1 概述
中新天津生态城是中国与新加坡两国政府应对全球气候变化、加强环境保护、节约资源的战略性合作项目，是国家间合作开发建设的生态城市。其指导思想为探索“能复制、能实行、能推广”的城市发展模式。中新天津生态城动漫园由文化部与天津市合作共建，是文化部确认的第一个国家级动漫产业园。
燃气冷热电联供系统(以下简称联供系统)是以天然气为一次能源，产生电和可用冷热能的能源系统[1]。利用燃气轮机、内燃机等发电机组与溴化锂吸收式冷热水机组进行优化组合，可实现终端能源的梯级利用和高效转换，避免远距离输电损失，提高能源利用效率，降低能耗。[2-12]。
然而联供系统只有在合理的设备配置与运行策略下才能充分发挥节能、环保、综合效率高的优势。目前国内对于联供项目的可行性研究往往只进行方案对比，且仅考虑以热、冷定电或以电定热、冷，孤立了设备配置与运行策略，经济性评价的准确性也无法保证。因此，寻求合理的设计方法实现联供系统的最佳配置，是联供项目成功的关键。
本文采用Designbuilder软件建立了建筑模型，结合能耗分析软件Energyplus进行详细参数设定，获取动漫园全年(8 760 h)的动态冷热电负荷，以及联供系统的能耗。以寿命周期成本LCC(Life Cycle Costs，LCC)最小为目标函数建立优化评价模型，对联供系统设备配置方案和运行策略进行优化评价，确定最佳方案。
2 项目概况
①建筑基本情况
动漫园位于中新天津生态城，占地面积为l km2，总建筑面积约77×
②联供系统流程
动漫园联供系统流程见图1。联供系统由燃气轮机发电机组(以下简称发电机组)、溴化锂吸收式冷热水机组(以下简称吸收式机组)、电制冷机组(离心式冷水机组)和燃气锅炉组成。发电机组发电和市政电网电用于满足建筑的电负荷。电制冷机组所需电量优先采用发电机组发电，不足部分由市政电网补充。发电机组发电量作为自用，不上网销售，发电余热驱动吸收式机组向建筑供热或供冷。当供热量不足时由燃气锅炉补充，制冷量不足时由电制冷机组补充。
3能耗模拟
能耗模拟软件Energyplus在基本使用特性、计算能力和设备兼容性等方面较为突出[13-16]，但需要友好的用户图形界面与之配合[17]，Designbuilder是专门针对Energyplus开发的用户图形界面软件。利用Designbuilder软件建立动漫园建筑模型，见图2。相关能耗模拟参数为：①围护结构。外墙传热系数为0．52 W／(m2·K)；屋面、楼板传热系数为0．44W／(m2·K)；外窗传热系数为2．70 W／(m2·K)，自身遮阳系数为0．70，可见光透射比(4个朝向相同)为0．40，建筑各朝向(含透明幕墙)窗墙比均小于0．70。②散热量及人员密度。大厅：照明散热量为13 W／m2，设备散热量为13 W／m2，人员密度为0．3人／m2。走廊：照明散热量为5 W／m2，人员密度为0．025人／m2。餐厅：照明散热量为9 W／m2，设备散热量为5 W／m2，人员密度为0．4人／m2。办公室：照明散热量为9 W／m2，设备散热量为30 W／m2，人员密度为0．25人／m2。竞技厅：照明散热量为18 W／m2，设备散热量为30 W／m2，人员密度为0．6人／m2。③新风量：大厅、餐厅、竞技厅大于等于
采用Energyplus模拟计算动漫园建筑全年动态逐时冷热电负荷。全年动态逐时冷热负荷见图3，图中正值为热负荷，负值为冷负荷。由图3可知，全年最大冷负荷为20 532．8 kW，最大热负荷为15 987．3kW。建筑全年各时段用电负荷(不含空调系统用电负荷)比较均衡，全年最大用电负荷为6 883．5 kW。
4 联供系统优化评价模型
①优化日标
本文采用寿命周期成本对联供系统进行优化评价[18-19]，优化目标为寿命周期成本最小。寿命周期成本最小，寿命周期成本CLCC的计算式为：
式中 CLCC——寿命周期成本，元／a
F——寿命内设备造价的年度折算值，元/a
C——年运行费用，元／a
R——资金回收系数[20]
Ctur——发电机组造价，元
Cra——吸收式机组造价，元
Cre——电制冷机组造价，元
Cgb——燃气锅炉造价，元
Ci——其他相关费用(包括辅助设备造价)，元
i——年利率
n——联供系统寿命，a，取l
②约束条件
约束条件主要包括设备性能约束、设备负荷率约束、能流平衡约束条件。
设备性能约束条件为：
式中 Ptur——发电机组的发电功率，kW
Фf——发电机组消耗燃气热功率，kW
ηp,tur——发电机组的发电效率
X——设备的启停状态参数，为0或1，分别表示关闭和开启
Фtur——燃气轮机产生的余热量，kW
ηtur——燃气轮机的热效率
Фra,c——吸收式机组的制冷量，kW
Фrai——吸收式机组所需热量，kW
ICOP,c——吸收式机组的制冷性能系数
Фra,b——吸收式机组的制热量，kW
ICOP,b——吸收式机组的制热性能系数
Фre——电制冷机组的制冷量，kW
Pre——电制冷机组的耗电功率，kW
ηre——电制冷机组的效率
设备负荷率约束条件为：
式中 Ptur,r——发电机组的额定发电功率，kW
Фra,c,r——吸收式机组的额定制冷量，kW
Фre,r——电制冷机组的额定制冷量，kW
Фgb——燃气锅炉的供热量，kW
Фgb,r——燃气锅炉的额定供热量，kW
能流平衡约束条件为：
式中 Фc——冷负荷，kW
Фh——热负荷，kW
Pe——市电功率，kW
PL——除空调系统外的用电负荷，kW
Фdisp——燃气轮机排除的剩余热量，kW
③输人参数
优化模型需要输入的参数包括动漫园建筑冷热电负荷的逐时值、天然气及市电的售价、设备单位容量造价、各设备性能特性与负荷率的函数关系等。通过调查咨询各设备厂家，得到以下设备的单位容量造价：主要设备：发电机组单位发电功率造价为6 800元/kW，吸收式机组单位制冷量造价为l 200 元／kW，燃气锅炉单位热功率造价为300元／kW，电制冷机组单位制冷量造价为970元/kW。辅助设备：冷却塔、循环泵等设备造价取冷水机组造价的30％，电控设备取冷水机组造价的l0％。
燃气价格按照2．4 元／m3计算，中新天津生态城各时段电价见表l。此外，燃气轮机部分负荷率下降到0．5以下时热效率下降严重，因此将燃气轮机部分负荷率≥0．5作为约束条件。将以上参数输入到优化评价模型就可得到联供系统的最优设备配置和运行策略。
5优化评价结果与分析
①方案比较
根据以寿命周期成本最小为目标的优化评价模型，得到优化后的联供系统设备配置方案，见表2。优化后的联供系统与对比方案的经济比较见表3，天然气的低热值取36．4 MJ／m3。对比方案为热电冷分供系统、以热定电联供系统、以冷定电联供系统。分供系统采取电制冷机+燃气锅炉，电力由市网供应。
以热定电联供方案按照吸收式机组供热量与热负荷之比确定。经模型优化后，当联供系统寿命周期成本最小时，吸收式机组供热量与热负荷之比为0．4，即以热定电联供方案中吸收式机组的供热量确定为热负荷的40％，再根据吸收式机组的制热性能系数确定所需热量，从而确定以热定电联供系统的配置方案。以冷定电联供方案的确定与以热定电联供系统方法基本一致，区别在于，经模型优化后，当联供系统寿命周期成本最小时，吸收式机组的供冷量与冷负荷之比为0．3。由表3可知，优化后的联供系统寿命周期成本及能耗最低，这表明优化后的联供系统在经济性及节能方面均具有一定优势。
②运行策略
在动漫园实行峰谷电价的基础上，冬夏季典型日联供系统的供热量、供冷量、供电功率的分布见图4～7。由于在优化模型中考虑了设备负荷率等实际因素的影响，因此对于根据优化结果进行配置的方案，图4～7即可反映全年典型目的各个设备启停状态，即优化配置方案下的运行策略。
由图4～7可知，发电机组基本上不承担电力低谷时段的热电冷负荷。电负荷和冷热负荷处于高峰时发电机组几乎满负荷运行，燃气锅炉和电制冷机组作为补充。这使得以经济效益为目标优化后的联供系统兼顾了节能性。
6 结论
①中新天津生态城高新技术密集并定位为建筑方式灵活多变、独特新颖、充分体现绿色和低碳的生态城市，联供系统实现了生态城动漫园对能量的梯级利用，是经济、节能、环境友好的用能方式。
②没备配置与运行策略是联供系统经济节能性的核心，应根据准确的冷热电负荷和实际能源价格，以及可行的运行策略确定联供方案，以达到经济性最优。
③优化的联供系统不仅在经济性上相对于常规系统具有明显的优势，而且具有较好的节能性。
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本文作者：李琼 陈冠益 郑雪晶 颜蓓蓓
作者单位：天津大学环境科学与工程学院
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