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    經濟論文

    不同建筑負荷下分布式能源系統優化與政策激勵研究

    時間:2021年10月11日 所屬分類:經濟論文 點擊次數:

    摘要:探索優化運行策略和激勵機制對分布式供能系統的影響是加快其應用推廣,保障其充分發揮效能的重要內容之一。該文首先針對北方某地區辦公型建筑和賓館型建筑夏季負荷需求,構建了一套冷熱電三聯供(combiningcooling,heatingandpower,CCHP)分布式能源系

      摘要:探索優化運行策略和激勵機制對分布式供能系統的影響是加快其應用推廣,保障其充分發揮效能的重要內容之一。該文首先針對北方某地區辦公型建筑和賓館型建筑夏季負荷需求,構建了一套冷熱電三聯供(combiningcooling,heatingandpower,CCHP)分布式能源系統三維和二維模型,考慮系統碳排放并引進碳稅和電力回購(電力反向賣回電網),構建了以運行費用為目標的分布式能源系統和常規系統分析模型,分析了三維模型和二維模型的差異;并討論了蓄能系統對分布式能源系統經濟性的影響,得出該系統為賓館型建筑和辦公型建筑供能的最優策略;最后對影響分布式能源系統經濟性的相關政策和激勵進行分析,得出了分別針對辦公型建筑和賓館型建筑的分布式能源系統經濟性的氣價和碳稅激勵控制域。

      關鍵詞:能源互聯網;分布式能源系統;建筑節能;電力回購;政策激勵

    能源分布

      0引言

      20世紀以來,全球氣候變暖的總體趨勢已得到證實,對生態系統和人居環境造成的影響也備受矚目。作為最大的發展中國家和主要的溫室氣體排放國,中國承受著巨大的溫室氣體排放控制壓力。

      能源論文范例: 基于雙層優化的綜合能源系統規劃配置研究

      長期形成的高碳發展模式導致中國推進現代化進程中面臨資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢,經濟社會可持續發展面臨巨大挑戰。分布式能源作為一種新興的可靠的新能源利用技術,在各行各業中受到越來越大的重視,分布式能源系統一般指以可再生能源(生物質)或天然氣等清潔化石燃料為能源的、孤立的或只與配電網相聯系的小型能量系統[1]。其中冷熱電三聯供(combiningcooling,heatingandpower,CCHP)系統是分布式能源系統中最常用的一種技術,CCHP是一種能源梯級利用技術,可提高能源的利用效率,緩解電力緊張狀況,削峰填谷,降低能耗[2]。近些年,由于其高效、靈活、清潔、可靠的優點日益受到能源行業的重視。

      因此很多專家學者對以天燃氣三聯供為主的分布式能源系統進行研究。但是三聯供系統由于設計容量不宜選擇且冷、熱、電負荷難以同時匹配的局限性,使其很難獨立推廣使用。Li等[3]對分布式能源系統進行建模仿真,以系統經濟性、環境性和一次能源節約率為目標,分別對住宅型和辦公型建筑進行優化,得出辦公型建筑綜合性能優于住宅型建筑,系統有蓄能裝置和空氣調節裝置經濟性更優;Hajabdollahi等[4]對以汽輪機,內燃機和柴油機做為驅動源的CCHP系統建立了性能和部分負荷率的關系,對系統在不同的負荷下進行了優化;Stanek等[5]對于基于內燃機為主要動力源。

      太陽能光伏發電為輔,利用內燃機缸套水提供生活熱水并驅動吸收式制冷機的分布式供能系統進行熱力–生態費用分析,并與傳統的熱力經濟分析作對比,提出了聯供系統的優化策略;Rahul等[6]針對單缸四沖程水冷恒轉速柴油機余熱,采用實驗和模擬的方法,分別研究了單純發電,冷熱電,熱電,冷電4種模式的能源利用效率和火用效率,結果顯示在冷熱電和熱電模式下,系統性能最好;Fang等[7]提出了將冷熱電三聯供系統與有機郎肯循環結合(CCHP-ORC)的互補配置方案,并對北京一酒店進行了假設性的案例研究,采用Energyplus模擬4個季節典型日冷熱電需求。

      結果表明電制冷主要應用在夏季,ORC主要應用在其他3個季節,一次能耗,CO2排放和運行費用均好于常規的CCHP系統;Wu[8]基于多目標優化的微型CCHP系統的運行策略,以相對節能率和運行成本相對節約率為目標對系統進行優化,分別在定電負荷和定熱負荷的情況下給出了系統熱(電)負荷逐步增加情況下的最優運行策略,并且分析了燃氣價格與電價的比例發生改變時系統的運行策略改變的情況。通過相關學者的研究發現國外對電力回購和碳稅政策對分布式能源系統影響的研究已經很多,但在對系統進行建模仿真研究時,也只是建立設備性能和部分負荷率的二維模型,并沒有考慮冷卻水溫的影響[9-12]。國內更是幾乎沒有對電力回購和碳稅政策的研究[13-15]。

      在研究對象選擇上,賓館型建筑和辦公建筑負荷需求差異較大,辦公型建筑高負荷時段主要為白天工作時間,而賓館型建筑主要是晚上時段,因此本文針對北方地區某賓館型建筑和辦公型建筑,建立了設備普遍適用的效率和負荷率、冷卻水溫度的三維模型,考慮電力回購并引進碳稅,構建了以經濟性為目標的分布式和常規供能系統模型,并分析了二維模型和三維模型的差異;然后通過優化得出分布式能源系統為辦公型建筑和賓館型建筑供能的最優策略;最后將分布式能源系統與常規模式–燃煤電廠供能經濟性對比,從供能側比較了碳稅和氣價對分布式能源系統經濟性的影響。

      1系統模型介紹

      1.1系統構建

      本文針對北方某地區辦公型建筑和賓館型建筑,構建了一套天燃氣內燃機CCHP系統與蓄能、電熱泵結合的分布式供能系統。

      1.2負荷模型系統負荷需求輸入選取北方某辦公型建筑和賓館型建筑夏季典型日逐時負荷數據。冷卻水溫為冷卻塔所能冷卻到的最低溫度,即當地夏季典型日全天的逐時濕球溫度,通過調用DEST軟件庫中環境溫度和含濕量氣象數據,并查焓濕表[23]獲得。

      2政策激勵措施天然氣主要成分為甲烷,因此燃氣內燃發電機每立方米天然氣輸入約產生CO21.96kg,即當內燃機滿負荷運行時,每發1kW⋅h電約產生CO20.46kg。

      3優化與運行策略

      3.1優化目標與約束條件本文建立了以系統運行費用為目標函數的系統優化模型,其中分布式能源系統運行費用由購氣費用、購電費用(包括回購收益)和繳納碳稅費用組成。

      4結果與討論

      4.1用能側經濟性分析

      本文首先通過將無蓄能系統模式最優策略與建筑所需負荷全部由電網購電消耗費用對比,分析三維模型二維模型的差異,可以看出無論是辦公型建筑還是賓館型建筑,使用分布式能源系統無蓄能模式為該建筑供能比全部采用電網購電為該建筑供能更節約運行費用。

      并且該賓館型建筑全部電網購電二維模型和三維模型日運行費用相差2136元,無蓄能最優模式日運行費用相差5780元,辦公型建筑則分別相差為7929元和3598元?梢姸S模型和三維模型結果差異較大,尤其是在負荷需求較大的時刻,辦公型建筑主要為上午9:00到下午6:00,賓館型建筑主要為下午5:00到晚上11:00。因此采用三維模型可更準確地反映分布式能源系統的真實情況,采用分布式能源系統為建筑供能比全部購電供能經濟性更好。

      4.2供能側經濟性分析

      綜上分析,采用含蓄能的分布供能系統最優策略為該辦公型建筑和賓館型建筑供能經濟性最好。但是以上僅僅是在用能側進行的經濟性分析,即從用戶角度的用能成本分析。接下來在供能側將該分布式能源系統與常規供能模式中燃煤電廠的經濟性做對比,也就是供能成本的分析?梢钥闯鲈谔级0.3元/kg,氣價3.15元/m3時,無論是辦公型建筑還是賓館型建筑,常規供能模式中燃煤電廠的成本較分布式能源系統經成本更低,即常規模式經濟性更優。

      4.3供能側政策激勵分析

      分布式能源系統最大的優勢就是采用天然氣作為輸入能源,一次能源利用率高、節能性和環境性好,因此天然氣價格必定會對分布式能源系統經濟性產生重要影響;而碳稅作為一種市場激勵政策,對天然氣分布式能源系統的發展推廣具有重要意義。因為天然氣分布式能源系統環境性較常規系統好,因此碳稅越高,氣價越低越有利于分布式能源系統的推廣。接下來在供能側,分別改變碳稅和天然氣價格,綜合比較碳稅和氣價對該分布式能源系統和常規模式–燃煤電廠經濟性的影響關系。

      5結論

      1)采用分布式能源系統以最優策略為辦公型建筑和賓館型建筑供能時,相比于建筑負荷需求全部由電網購電滿足,可最高分別日節約運行費用16875元和22106元。2)當前峰谷電價下,在氣價為3.15元/m3時,對于辦公型建筑如果碳稅大于0.45元/kg時,分布式能源系統運行費用優于常規模式–燃煤電廠,有利于分布式能源系統推廣;而對于賓館型建筑,碳稅值需要大于0.38元/kg。

      3)當前峰谷電價下,在碳稅為0.30元/kg時,對于辦公型建筑如果氣價小于2.73元/m3,分布式能源系統運行費用優于常規模式–燃煤電廠,有利于分布式能源系統推廣;而對于賓館型建筑,需要氣價小于2.92元/m3;4)碳稅和氣價對分布式三聯供系統經濟性的影響是相互作用,相互影響的。當該分布式能源系統以最優策略運行為兩種建筑供能時,碳稅和氣價分別在圖10中曲線下方區域內,運行費用優于常規模式–燃煤電廠,有利于分布式能源系統推廣。

      參考文獻

      [1]楊勇平.分布式能量系統[M].北京:化學工業出版社,2011.YangYongping.Distributedenergysystem[M].Beijing:ChemicalIndustryPress,2011(inChinese).

      [2]孫仲武.熱電冷三聯供系統效能分析[J].價值工程,2012,31(21):53-54.SunZhongwu.CCHPsystemeffectivenessanalysis[J].ValueEngineering,2012,31(21):53-54(inChinese).

      [3]LiLX,MuHL,GaoWJ,etal.OptimizationandanalysisofCCHPsystembasedonenergyloadscouplingof residentialandofficebuildings[J].AppliedEnergy,2014,136:206-216.

      [4]HajabdollahiH,HajabdollahiZ,HajabdollahiF.Softcomputingbasedoptimizationofcogenerationplantwithdifferentloaddemands[J].HeatTransfer—AsianResearch,2015,doi:10.1002/htj.21176.

      [5]StanekW,GazdaW,KostowskiW.Thermo-ecologicalassessmentofCCHP(combinedcold-heat-and-power)plantsupportedwithrenewableenergy[J].Energy,2015,doi:10.1016/j.energy.2015.02.005.

      [6]GoyalR,SharmaD,SoniSL,etal.PerformanceandemissionanalysisofCIengineoperatedmicrotrigenerationsystemforpower,heatingandspacecooling[J].AppliedThermalEngineering,2015,75:817-825.

      [7]FangF,WeiL,LiuJZ,etal.ComplementaryconfigurationandoperationofaCCHP-ORCsystem[J].Energy,2012,46(1):211-220.

      作者:王惠,趙軍,安青松,康利改

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