摘要：结合北京某办公建筑燃气冷热电联供系统，采用eQUEST软件计算了建筑全年动态冷热电负荷。以寿命周期成本最小为目标，建立了优化模型，对优化后的运行策略进行了探讨。分析了市网平均电价、燃气价格、冷热价格对联供系统投资回收期的影响。
关键词： 办公建筑； 燃气冷热电联供； 优化模型； 运行策略； 投资回收期
Optimization Study on Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System
Abstract：The annual dynamic cooling，heat and power loads of all office building using gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system in Beijing City are calculated by eQUEST software．An optimized model is constructed using the minimum life cycle cost as the objective function and the optimized operation strategy is discussed．The effects of average net electricity price，gas price and cooling and heating prices on investment return period of CCHP system are analyzed．
Key words： office building； gas-fired combined coolin9，heating and power(CCHP)； optimized model； operation strategy； investment return period
燃气冷热电联供系统(以下简称联供系统)利用天然气发电，利用余热制冷、制热，不但降低了污染物排放，还使能源得到梯级利用，提高了能源利用效率[1-11]。由于联供系统在夏天利用天然气发电，而夏季往往是用气的淡季，但是电力却是高峰期，因此起到了电力削峰填谷的作用，也可以减少天然气冬夏两季巨大的季节性峰谷差。本文对办公楼联供系统的优化进行研究。
1负荷分析及能源价格
1．1 负荷分析
以北京某办公楼作为研究对象，建筑面积为4．35×
由图l～3可知，夏季、过渡季、冬季的电负荷具有相同的特性。随着上班时间的来临，开始增长，在中午休息时，由于部分人员外出，出现一个小低谷，然后恢复到正常水平。随着下班时间的来临，开始下降，直到加班人员离开办公楼。夏季电负荷的整体水平高于过渡季、冬季。
夏季。冷负荷在开始上班的时段出现一个小高峰，然后随着人员的增多和室外温度的上升而增大。午后冷负荷开始逐渐下降，直到加班人员离开办公楼。基本没有热负荷。
过渡季。由于晨间室外温度较低，因此在开始上班的时段热负荷出现一个小高峰。随着室外温度的上升，冷负荷逐渐增大，基本没有热负荷。直到晚上天气转凉后热负荷再次出现一个小高峰。
冬季。热负荷在开始上班时段出现高峰，然后较平稳运行。临近下班时间，室外温度较低，由于有部分加班人员仍在办公楼内，热负荷出现上升趋势，直到加班人员离开办公楼。由于办公楼存在内区，因此冬季仍然存在冷负荷，其变化趋势与夏季基本相同，只是整体水平较低。
1．2 能源价格
北京现行峰谷电价制度，对于1～10 kV的工商业用电，尖峰时段电价为1．345元／(kW·h)，高峰时段电价为1．231元／(kW·h)，平时段电价为0．766元／(kW·h)，低谷时段电价为0．326元／(kW·h)。具体分时办法为：峰段(10：00-15：00，18：00-21：O0)，平段(7：00-10：00，15：00-18：00，21：00-23：00)，谷段(23：00-7：00)。夏季7-9月每天用电高峰(11：00-13：00、20：00-21：00)实施尖峰电价，在高峰时段电价基础上上浮l0％。北京市发电(含供热、供冷)用燃气的价格为2．28元／m3。
2 联供系统优化模型
2．1 系统流程
由于该办公楼规模较小，冈此联供系统采用燃气内燃机发电机组(包括燃气内燃机、发电机)+余热型吸收式冷热水机组(以下简称吸收式机组)，联供系统流程见图4。燃气内燃机燃烧天然气发电，吸收式机组利用燃气内燃机排放烟气、缸套冷却水制冷、制热，缸套冷却水也可以通过换热器直接供热，不足冷、热量由电制冷机组、燃气锅炉补充。电制冷机组优先使用联供系统所发电力，不足电量由市电网补充。
2．2优化模型的建立
① 目标函数
以寿命周期成本最小为日标函数，寿命周期成本F的计算式为：
式中 F——寿命周期成本，元／a
Fb——寿命内设备造价的年折算费用，元／a
Fr——年能耗费用，包括年耗燃气费用、由市电网购电费用(包括电制冷机组以及照明、办公等设备的市网电费)，元／a
R——投资回收系数
S——没备年维修费占造价的比例，为0．03
Ctur——燃气内燃机发电机组造价，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
i——年利率，为0．07
n——系统寿命，a，为l
②约束条件
考虑到当燃气内燃机部分负荷率下降到0．5以下时热效率下降严重，因此将燃气内燃机部分负荷率≥0．5作为约束条件。设备性能、设备负荷率、能流平衡约束条件与文献[12]相近。
③输入条件
燃气内燃机发电机组单位发电功率造价为6 000元／kW。吸收式机组单位制冷量造价为ll00元／kW，制冷性能系数为l．39，制热性能系数为0．925。电制冷机组单位制冷量造价为970元／kW，制冷性能系数为5。燃气锅炉单位热功率造价为600元／kW，热效率为0．95。换热器单位热功率造价为900元／kW。辅助设备的耗电量取以上主要设备耗电量的3％。
3优化结果
根据以寿命周期成本最小为目标的优化模型，得到优化后的联供系统设备配置方案：燃气内燃机发电机组发电功率为1 000 kW。吸收式机组的制冷量为1 385 kW。电制冷机组、燃气锅炉以保证在燃气内燃机发电机组停运期间仍能满足冷热负荷为原则，电制冷机组的制冷能力为5 340 kW，燃气锅炉的热功率为5 000 kW。换热器的热功率为829kW。与之相对应的分供系统采用电制冷机组+燃气锅炉。联供系统与分供系统的经济比较见表l。
表1中，联供系统相比于分供系统投资回收期的计算式为：
式中 t——联供系统相比于分供系统的投资回收期，a
ΔSnet——年经营费用节约额，元／a
ΔZ——联供系统高于分供系统的造价，元
Fc,cl、Fd,el——联供系统、分供系统年电费，元／a
Fc,g、Fd,g——联供系统、分供系统年燃气费，元／a
Sc,c、Sd,c——联供系统、分供系统年供冷收入。元／a
Sc,h、Sd,h——联供系统、分供系统年供热收入，元／a
Sc,el——联供系统年供电收入，元／a
由表l可知，虽然联供系统的造价高于分供系统，但由于联供系统年供电收入较高，使得在较短的时间内，就将多出的造价收回。
在考虑实行峰谷电价的基础上，冬季典型日联供系统的供电功率、供热量、供冷量分布分别见图5～7。
由图5可知，燃气内燃机发电机组基本不承担谷段电负荷。由图6、7可知，考虑到吸收式机组不能在制冷、制热两种工况之间频繁切换，而且吸收式机组的制冷性能系数较高，因此吸收式机组优先用于供冷，采用换热器、燃气锅炉用于供热。
4 电价、气价对投资回收期的影响
基准平均电价按0．917元／(kW·h)计算，基准天然气价格按2．84元／m3计算。采用基准气价时，平均电价对投资回收期的影响见图8。采用基准平均电价时，气价对投资回收期的影响见图9。
由图8、9可知，当平均电价降低时，投资回收期增加幅度较大，而平均电价的提高对投资回收期的影响不显著。对于气价的影响，投资回收期随着气价的提高逐渐上升。
5 结论
①燃气冷热电联供系统的运行策略受燃气内燃机发电机组的性能、电价、气价的综合影响，不能简单地采取以热定电或以电定热。
②电价对燃气冷热电联供系统经济性的影响比较显著，而气价的影响不很明显。
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本文作者：张杰 李德英 段洁仪 冯继蓓
作者单位：北京建筑工程学院 北京市煤气热力工程设计院有限公司
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