分布式能源技術(shù)在不同建筑負(fù)荷中的應(yīng)用

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619)

引言

全球氣候變暖問題日益嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境保護(hù)問題已備受關(guān)注。我國(guó)面臨著資源短缺、環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多問題，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)健康發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)[1]。

分布式能源(distributed energy resources)是一種建立在用戶端的能源循環(huán)利用系統(tǒng)，既可獨(dú)立運(yùn)行又可并網(wǎng)運(yùn)行。其一次能源以氣體燃料為主，可再生能源為輔；二次能源以分布在用戶端的冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)為主，其他能源供應(yīng)系統(tǒng)為輔，將電力、熱力、制冷與蓄能技術(shù)相結(jié)合，以滿足用戶的需求。其中冷、熱、電三聯(lián)供(combining cooling,heating and power,CCHP)系統(tǒng)是一種能源梯級(jí)利用技術(shù)[2]，不僅可以提高能源利用的安全性與靈活性，同時(shí)可以緩解電力緊張，削峰填谷，是降低能耗非常重要的一種技術(shù)。

分布式能源系統(tǒng)的特征顯著，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，分布式能源可用發(fā)電的余熱來制熱、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種可再生能源作燃料，大大降低了有害物質(zhì)的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。第三，分布式能源可以充分利用日常生活產(chǎn)生的垃圾廢棄物和排放物，不僅可以促進(jìn)能源的循環(huán)利用，更有助于節(jié)約型社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。第四，分布式能源系統(tǒng)可以同步完成能源利用、轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存工作，并且能最大限度地降低能量的損失，提高發(fā)電效率。第五，分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單，初次投資較小，建設(shè)周期較短，后期的維護(hù)和管理相對(duì)簡(jiǎn)單，并且抗壓運(yùn)行過程中帶來的風(fēng)險(xiǎn)較小?？傊?，分布式能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全可靠性等各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1 分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

分布式能源相關(guān)技術(shù)為采用智能化監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化群控和遠(yuǎn)程遙控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無人值守。同時(shí)，結(jié)合未來以能源服務(wù)公司為主體的能源社會(huì)化服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理的專業(yè)化，以保障各能源系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

目前，分布式能源站的技術(shù)設(shè)備主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、壓縮式制冷、吸收式制冷、蓄冷蓄熱設(shè)備以及控制系統(tǒng)等。分布式能源系統(tǒng)的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式能源系統(tǒng)供能系統(tǒng)圖

根據(jù)分布式能源系統(tǒng)的特點(diǎn)，可將分布式能源系統(tǒng)分為三部分，主要包括能量的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，并且彼此之間相互聯(lián)系，以滿足冷、熱、電的需求[3]。其中能量生產(chǎn)部分通過不同的發(fā)電技術(shù)將一次能源轉(zhuǎn)換成電能和熱能；能量轉(zhuǎn)換部分通過不同的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)將二次能源轉(zhuǎn)換成三級(jí)能量載體，即冷、熱和電等能量；能量?jī)?chǔ)存部分為了更為有效地利用能量，將低谷時(shí)期產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存起來在高峰時(shí)期使用。分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 不同類型建筑中的負(fù)荷特點(diǎn)

先選擇具有代表性的建筑負(fù)荷來分析分布式能源系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用。第一種為辦公型的建筑，如辦公大樓，此類建筑用能負(fù)荷的特點(diǎn)是工作時(shí)間主要集中在白天；第二種為賓館型建筑，如賓館或住宅，此類建筑用能負(fù)荷的特點(diǎn)是工作時(shí)間主要集中在夜晚；第三種為復(fù)合型建筑，如高?；蜥t(yī)院，此類建筑負(fù)荷的特點(diǎn)是工作時(shí)間較平均分布，但對(duì)冷、熱電負(fù)荷的需求都比較嚴(yán)格。結(jié)合這三種建筑負(fù)荷的特點(diǎn)進(jìn)行分析，不同的建筑類型在一年當(dāng)中不同季節(jié)，一天當(dāng)中不同時(shí)段對(duì)冷、熱、電負(fù)荷均有不同的要求，如何實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的最優(yōu)功能，達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、科學(xué)發(fā)展的最終目的[4]，應(yīng)針對(duì)不同類型的建筑負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行全面分析。

2.1 辦公型建筑

在夏季對(duì)冷負(fù)荷和電負(fù)荷需求較大，持續(xù)時(shí)間從9點(diǎn)到18點(diǎn)左右，對(duì)熱負(fù)荷需求較小，幾乎不需要；在冬季對(duì)熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求最大，主要集中在早晚，熱負(fù)荷主要集中在白天工作時(shí)間；在春秋兩季電負(fù)荷主要集中在18點(diǎn)至22點(diǎn)，熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求較少。

2.2 住宅型建筑

在夏季對(duì)冷負(fù)荷和電負(fù)荷的需求主要集中在18點(diǎn)到23點(diǎn)，此時(shí)段處于高峰，其余時(shí)間相對(duì)較小，對(duì)熱負(fù)荷的需要也主要集中在晚上，但需求值不大；在冬季對(duì)熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求最大主要集中在早晚，熱負(fù)荷主要集中在晚上；在春秋兩季電負(fù)荷主要集中在18點(diǎn)至23點(diǎn)，熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求也集中在晚上，需求很小。

2.3 復(fù)合型建筑

由于此類建筑包括不同功能建筑，例如高校里包括學(xué)生宿舍、教學(xué)樓、食堂、圖書館和實(shí)驗(yàn)樓等，具體要詳細(xì)分析不同功能的建筑在不同季節(jié)和每天不同時(shí)段對(duì)不同負(fù)荷的需求，復(fù)合型建筑是一種復(fù)雜、變化較大而又龐大的綜合性建筑。根據(jù)前兩種類型建筑的特點(diǎn)，將復(fù)合型建筑進(jìn)行歸類，例如教學(xué)樓可以參照辦公型建筑，宿舍樓可以參照住宅型建筑，食堂、圖書館和實(shí)驗(yàn)樓的利用時(shí)間相對(duì)集中，可以對(duì)其單獨(dú)分析。其中食堂在夏季的冷負(fù)荷主要集中在12點(diǎn)至13點(diǎn)，電負(fù)荷主要集中在18點(diǎn)至20點(diǎn)，而圖書館冷負(fù)荷和電負(fù)荷主要集中在19點(diǎn)至22點(diǎn)，并且兩者對(duì)熱負(fù)荷的需求幾乎沒有；在冬季熱負(fù)荷和電負(fù)荷主要集中在早晚，對(duì)冷負(fù)荷的需求幾乎為零；在春秋兩季電負(fù)荷需求相對(duì)平穩(wěn)。最后可以對(duì)整個(gè)大的系統(tǒng)再綜合考慮，既能實(shí)現(xiàn)此類建筑的最優(yōu)設(shè)計(jì)，又能突出分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

3 分布式能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

相比傳統(tǒng)的常規(guī)能源系統(tǒng)的功能，為了突出分布式能源系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要從三個(gè)方面來完成對(duì)分布式能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)，即能源效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[5]，其中能源效益主要考慮一次能源的利用和節(jié)能效率；經(jīng)濟(jì)效益主要考慮系統(tǒng)初次投資和年度化成本；環(huán)境效益主要考慮二氧化碳和氮氧化物的排放量。分布式能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)模型應(yīng)先建立綜合評(píng)價(jià)的目標(biāo)函數(shù)，將能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等三種評(píng)價(jià)指標(biāo)均考慮進(jìn)去，并賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)重，當(dāng)然最簡(jiǎn)單的方法是把三種評(píng)價(jià)指標(biāo)均賦值三分之一，但此方法產(chǎn)生的誤差較大，所建立的模型不夠科學(xué)，僅僅可以用于單一的與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的分析對(duì)比。目前常采用的是熵權(quán)法，此方法通過建立評(píng)價(jià)矩陣、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算各指標(biāo)的熵和權(quán)重系數(shù)等一系列的步驟來實(shí)現(xiàn)科學(xué)賦值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了分布式能源的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和相關(guān)技術(shù)，結(jié)合不同類型的建筑的用能負(fù)荷特點(diǎn)分析，總結(jié)出分布式能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，均有助于建立分布式能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)化模型，用來分析和對(duì)比分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)越性。