摘要：結合中新天津生態城動漫園的燃氣冷熱電聯供系統，采用Energyplus模擬計算了建筑全年冷熱電負荷，以壽命周期成本(LCC)最小為目標函數建立優化模型，對聯供系統設備配置方案和運行策略進行了探討。根據優化模型確定的燃氣冷熱電聯產方案具有更好的節能性、經濟性。
關鍵詞： 燃氣冷熱電聯供；優化模型；設備配置；運行策略
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
中新天津生態城是中國與新加坡兩國政府應對全球氣候變化、加強環境保護、節約資源的戰略性合作項目，是國家間合作開發建設的生態城市。其指導思想為探索“能復制、能實行、能推廣”的城市發展模式。中新天津生態城動漫園由文化部與天津市合作共建，是文化部確認的第一個國家級動漫產業園。
燃氣冷熱電聯供系統(以下簡稱聯供系統)是以天然氣為一次能源，產生電和可用冷熱能的能源系統[1]。利用燃氣輪機、內燃機等發電機組與溴化鋰吸收式冷熱水機組進行優化組合，可實現終端能源的梯級利用和高效轉換，避免遠距離輸電損失，提高能源利用效率，降低能耗。[2-12]。
然而聯供系統只有在合理的設備配置與運行策略下才能充分發揮節能、環保、綜合效率高的優勢。目前國內對于聯供項目的可行性研究往往只進行方案對比，且僅考慮以熱、冷定電或以電定熱、冷，孤立了設備配置與運行策略，經濟性評價的準確性也無法保證。因此，尋求合理的設計方法實現聯供系統的最佳配置，是聯供項目成功的關鍵。
本文采用Designbuilder軟件建立了建筑模型，結合能耗分析軟件Energyplus進行詳細參數設定，獲取動漫園全年(8 760 h)的動態冷熱電負荷，以及聯供系統的能耗。以壽命周期成本LCC(Life Cycle Costs，LCC)最小為目標函數建立優化評價模型，對聯供系統設備配置方案和運行策略進行優化評價，確定最佳方案。
2 項目概況
①建筑基本情況
動漫園位于中新天津生態城，占地面積為l km2，總建筑面積約77×
②聯供系統流程
動漫園聯供系統流程見圖1。聯供系統由燃氣輪機發電機組(以下簡稱發電機組)、溴化鋰吸收式冷熱水機組(以下簡稱吸收式機組)、電制冷機組(離心式冷水機組)和燃氣鍋爐組成。發電機組發電和市政電網電用于滿足建筑的電負荷。電制冷機組所需電量優先采用發電機組發電，不足部分由市政電網補充。發電機組發電量作為自用，不上網銷售，發電余熱驅動吸收式機組向建筑供熱或供冷。當供熱量不足時由燃氣鍋爐補充，制冷量不足時由電制冷機組補充。
3能耗模擬
能耗模擬軟件Energyplus在基本使用特性、計算能力和設備兼容性等方面較為突出[13-16]，但需要友好的用戶圖形界面與之配合[17]，Designbuilder是專門針對Energyplus開發的用戶圖形界面軟件。利用Designbuilder軟件建立動漫園建筑模型，見圖2。相關能耗模擬參數為：①圍護結構。外墻傳熱系數為0．52 W／(m2·K)；屋面、樓板傳熱系數為0．44W／(m2·K)；外窗傳熱系數為2．70 W／(m2·K)，自身遮陽系數為0．70，可見光透射比(4個朝向相同)為0．40，建筑各朝向(含透明幕墻)窗墻比均小于0．70。②散熱量及人員密度。大廳：照明散熱量為13 W／m2，設備散熱量為13 W／m2，人員密度為0．3人／m2。走廊：照明散熱量為5 W／m2，人員密度為0．025人／m2。餐廳：照明散熱量為9 W／m2，設備散熱量為5 W／m2，人員密度為0．4人／m2。辦公室：照明散熱量為9 W／m2，設備散熱量為30 W／m2，人員密度為0．25人／m2。競技廳：照明散熱量為18 W／m2，設備散熱量為30 W／m2，人員密度為0．6人／m2。③新風量：大廳、餐廳、競技廳大于等于
采用Energyplus模擬計算動漫園建筑全年動態逐時冷熱電負荷。全年動態逐時冷熱負荷見圖3，圖中正值為熱負荷，負值為冷負荷。由圖3可知，全年最大冷負荷為20 532．8 kW，最大熱負荷為15 987．3kW。建筑全年各時段用電負荷(不含空調系統用電負荷)比較均衡，全年最大用電負荷為6 883．5 kW。
4 聯供系統優化評價模型
①優化日標
本文采用壽命周期成本對聯供系統進行優化評價[18-19]，優化目標為壽命周期成本最小。壽命周期成本最小，壽命周期成本CLCC的計算式為：
式中 CLCC——壽命周期成本，元／a
F——壽命內設備造價的年度折算值，元/a
C——年運行費用，元／a
R——資金回收系數[20]
Ctur——發電機組造價，元
Cra——吸收式機組造價，元
Cre——電制冷機組造價，元
Cgb——燃氣鍋爐造價，元
Ci——其他相關費用(包括輔助設備造價)，元
i——年利率
n——聯供系統壽命，a，取l
②約束條件
約束條件主要包括設備性能約束、設備負荷率約束、能流平衡約束條件。
設備性能約束條件為：
式中 Ptur——發電機組的發電功率，kW
Фf——發電機組消耗燃氣熱功率，kW
ηp,tur——發電機組的發電效率
X——設備的啟停狀態參數，為0或1，分別表示關閉和開啟
Фtur——燃氣輪機產生的余熱量，kW
ηtur——燃氣輪機的熱效率
Фra,c——吸收式機組的制冷量，kW
Фrai——吸收式機組所需熱量，kW
ICOP,c——吸收式機組的制冷性能系數
Фra,b——吸收式機組的制熱量，kW
ICOP,b——吸收式機組的制熱性能系數
Фre——電制冷機組的制冷量，kW
Pre——電制冷機組的耗電功率，kW
ηre——電制冷機組的效率
設備負荷率約束條件為：
式中 Ptur,r——發電機組的額定發電功率，kW
Фra,c,r——吸收式機組的額定制冷量，kW
Фre,r——電制冷機組的額定制冷量，kW
Фgb——燃氣鍋爐的供熱量，kW
Фgb,r——燃氣鍋爐的額定供熱量，kW
能流平衡約束條件為：
式中 Фc——冷負荷，kW
Фh——熱負荷，kW
Pe——市電功率，kW
PL——除空調系統外的用電負荷，kW
Фdisp——燃氣輪機排除的剩余熱量，kW
③輸人參數
優化模型需要輸入的參數包括動漫園建筑冷熱電負荷的逐時值、天然氣及市電的售價、設備單位容量造價、各設備性能特性與負荷率的函數關系等。通過調查咨詢各設備廠家，得到以下設備的單位容量造價：主要設備：發電機組單位發電功率造價為6 800元/kW，吸收式機組單位制冷量造價為l 200 元／kW，燃氣鍋爐單位熱功率造價為300元／kW，電制冷機組單位制冷量造價為970元/kW。輔助設備：冷卻塔、循環泵等設備造價取冷水機組造價的30％，電控設備取冷水機組造價的l0％。
燃氣價格按照2．4 元／m3計算，中新天津生態城各時段電價見表l。此外，燃氣輪機部分負荷率下降到0．5以下時熱效率下降嚴重，因此將燃氣輪機部分負荷率≥0．5作為約束條件。將以上參數輸入到優化評價模型就可得到聯供系統的最優設備配置和運行策略。
5優化評價結果與分析
①方案比較
根據以壽命周期成本最小為目標的優化評價模型，得到優化后的聯供系統設備配置方案，見表2。優化后的聯供系統與對比方案的經濟比較見表3，天然氣的低熱值取36．4 MJ／m3。對比方案為熱電冷分供系統、以熱定電聯供系統、以冷定電聯供系統。分供系統采取電制冷機+燃氣鍋爐，電力由市網供應。
以熱定電聯供方案按照吸收式機組供熱量與熱負荷之比確定。經模型優化后，當聯供系統壽命周期成本最小時，吸收式機組供熱量與熱負荷之比為0．4，即以熱定電聯供方案中吸收式機組的供熱量確定為熱負荷的40％，再根據吸收式機組的制熱性能系數確定所需熱量，從而確定以熱定電聯供系統的配置方案。以冷定電聯供方案的確定與以熱定電聯供系統方法基本一致，區別在于，經模型優化后，當聯供系統壽命周期成本最小時，吸收式機組的供冷量與冷負荷之比為0．3。由表3可知，優化后的聯供系統壽命周期成本及能耗最低，這表明優化后的聯供系統在經濟性及節能方面均具有一定優勢。
②運行策略
在動漫園實行峰谷電價的基礎上，冬夏季典型日聯供系統的供熱量、供冷量、供電功率的分布見圖4～7。由于在優化模型中考慮了設備負荷率等實際因素的影響，因此對于根據優化結果進行配置的方案，圖4～7即可反映全年典型目的各個設備啟停狀態，即優化配置方案下的運行策略。
由圖4～7可知，發電機組基本上不承擔電力低谷時段的熱電冷負荷。電負荷和冷熱負荷處于高峰時發電機組幾乎滿負荷運行，燃氣鍋爐和電制冷機組作為補充。這使得以經濟效益為目標優化后的聯供系統兼顧了節能性。
6 結論
①中新天津生態城高新技術密集并定位為建筑方式靈活多變、獨特新穎、充分體現綠色和低碳的生態城市，聯供系統實現了生態城動漫園對能量的梯級利用，是經濟、節能、環境友好的用能方式。
②沒備配置與運行策略是聯供系統經濟節能性的核心，應根據準確的冷熱電負荷和實際能源價格，以及可行的運行策略確定聯供方案，以達到經濟性最優。
③優化的聯供系統不僅在經濟性上相對于常規系統具有明顯的優勢，而且具有較好的節能性。
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本文作者：李瓊 陳冠益 鄭雪晶 顏蓓蓓
作者單位：天津大學環境科學與工程學院
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