多能互补的综合能源供热系统工程设计及优化

多能互补的综合能源供热系统工程设计及优化

郭振华

内蒙古城市规划市政设计研究院有限公司  内蒙古呼和浩特  010000

摘要：近年来，低碳、可持续发展已成为中国经济社会建设与发展的重要话题。而传统的单一能量体系，由于其资源利用效率低下以及在科技和经济等领域均存在着许多缺陷，已无法适应资源紧张背景下对各类资源利用可持续开发使用的要求，因此，多能互补综合资源系统工程应运而生。因地制宜地使用可利用的各类能量资源、提升能量效率、减小能量耗费、用低洁净能量替代高污染能量的供能方法，已成为节约各类资源耗费、减少环境污染危害风险的首选。多能源互补的综合能源网络系统（简称“多能源系统＂）具备了各种能量的输入、出□以及大量的能源转换与输送装置，利用信息化方式与各种供能装置建立耦合关系，并实现了整体规划设计与运作管理，以提升能量的整体效率。

关键词：多能互补；综合能源；供热系统

1多能互补综合能源系统工程基本概念

1.1多能源系统的基本内涵

多能源体系实质上是多能互补基础上的综合能量服务。多能量体系通常是指电、气、冷、热水等多个能量体系在燃料制造、输送、使用各环节耦合所产生的一个新的能量供应体系。多能互补、协同优化是多能源系统的基本内容。多能源系统通过充分发挥利用能源各方的优点实现相辅相成，可以从总体上增强系统的经济运行灵活性和工作安全性。

多能源管理系统的特点，主要体现在：（1）管理系统的“源”，协调充分考虑能量天然稟赋、用户负荷要求、价格因素，对多种类型能量实行最优化调配和供应分配。（2）管理系统的“荷”，充分考虑使用者多品种用能要求和能量的可替换性，采用有效合理的调节和社会市场激励机制，实现综合最佳优化用能的效益。（3）管理系统的＂网”，包括各种能量的输出网（如电网、热网、气网等）及采用新工艺技术或装置将各种能量有机耦合一起，以便有效地将能量传递给使用者。（4）管理系统的“储”，包括各种能量临时储备的各种装置或控制系统，以改善管理系统的经济效益运作管理水平和应对能力。多能源系统的规模，通常由所包括的“源”的容积以及所在范围的规模确定，从地域范围上考察，体系可以小到户用、建筑或农业大棚生产等范围内，也可以大到公园、乡村、小城镇、工业大区、都市、跨地域等各种规模的多能供能体系。

1.2系统架构

多能源体系，通常包括电力子系统、热力子系统（供热、供冷）、气能子系统等多种燃料子系统。有的研究者将多能源管理系统分为两部分：

一类是以电能为核心，将所有终端用户对热／冷需求、天然气的需求都整合为电能需要，以实现＂电能替代”；另一类则是多能量优化与配置平台，将水、电、天然气等的热、冷能源利用渠道进行集成，以满足各类能源用能的需要。根据网络系统的总体规模大小有所不同，多能源网络系统又有跨区型、区域型、多用户型之分。跨区型网络系统可看作是广范围的电能交互网络系统，其功用＿般是进行远距离传递电能、天然气、煤炭、石油等；地区级控制系统一般是进行能量的传递、分发、交换等，是＂承上启下”的中枢，重要应用技术有能量交换、混合储能、主动配电网等；而用户级控制系统则为产销一体化的供能系统，虽然可以做到自给自足，不过调节操作灵活性受限。多能量控制系统则由于其可运用的能量资源、工作环境、使用要求等原因，各种系统结构也各有特色。在多能源系统模型技术研究中，能源集线器模式已被应用能源集线器模式是由ＥＴＨＺｕｒｉｃｈ的Ｇ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ博士最先发现，该模式为多能源相互耦合静态线性模型，能对具有源、网、荷、贮各环节的多能源体系作出清晰描绘。该模式还包括了实现合作传递的能源互联模式和进行更多能量转换、分配、贮存的能源集线器模式两部分。有专家已经建立了一个更加完善的能源集线器模式，不但考虑了多种能源之间的相互转换、传递和贮存，而且建立了动态集线器和接□来表达和控制系统的各种能源动态情况。能源集线器模型应用于多能源体系的综合规划、调度优化、调整优化、配置优化等领域。

2综合能源系统初步设计

综合能源控制系统的配备常常牵涉到确定系统元件的种类与大小等问题，而控制系统配备又是直接影响综合联供控制系统节电经济效益的核心原因。在工程设计中必须充分考虑单元装置的工作效能、综合控制系统的运作策略以及用户的冷热用电要求等诸多因素。另外，＿个已设计完成的综合能源系统还需要在经济效益与环境效益方面进行均衡。在综合能源系统方案设计初期，工程设计人员往往会先选定控制系统的主要设施和容量，然后再选定与之配合的控制系统的运作策略。

2.1负荷预测与分析

冷热电力负荷预报通过电力负荷、国民经济、社会、气象等历史数据，找出各种相关因素对发电负荷的影响规律，以便于对未来的负荷情况作出科学预报。负荷预期值是与综合能源体系建设初期方案比较的基准，其准确性直接影响着系统的整体配置。而讨论初始投入、年度运营费用、回收年限等问题，都建立在较为精确的系统全年负荷预期的基础上。常用的热负荷预测方法包括采用软件仿真的逐时负荷因子法、采用建筑构件的经典计算公式、采用建筑构件的简约计算公式、基于历史数据分析的逐时能耗负担分摊比率法。而目前使用较为广泛的是采用软件仿真的逐时负荷因子法和基于历史数据分析的逐时能耗负担分摊比率法等。在负载数据分析方面，梁哲诚教授等人通过对商业、写字楼和宾馆等三种不同类别和用途的商业建筑物的冷、热、用电负荷情况开展了问卷调查与研究，绘制得出了典型日负载曲线和累计延时负载曲线，并对负载规模、变动范围、规律性及其变化的一致性开展了数据分析。分析结果显示，在建筑荷载特征基础上设计的综合能源管理系统，与常规控制系统相比具有一定的节能效果和经济性。

2.2系统配置

由综合能源管理系统向终端用户进行供能，但在终端用户负载需要发生变化时，出现了终端用户负载的热（冷）电比与控制系统热（冷）电比不完全一致的实际问题。从满足用户负载需要的视角出发，有四种常见的系统配置办法，即采取补电子系统集成化办法、采取补热子系统集成化办法、电－热切换集成化办法或是采取蓄能手段的集成化办法。当热能比相应较小或原动机输出功率低于用户负载时，即可通过并网获得低于部分的能量或利用可再生能源补偿电量。当综合能源管理系统的供热容量无法满足用户需要时，可采取补热子系统供热。另外，当用户热（冷）电比超过控制系统最大输出比时，也可通过电－热切交换方式，使热能需要转化为用电需要。在用户要求出现峰谷差时，通过对综合能源系统引进蓄能技术手段，能够有效减少因非同步引起的供求矛盾，并增强控制系统的变工况调度能力。

3综合能源系统设备供热

综合能源系统比传统供能系统所使用的燃料类型、供给型式都更为多元化，能适应冷热电等各类用能需要，其装置类型也更加多样。吸收型制冷机，由溴化锂或氨水为主要工料通过烟气或热水驱动冷却，是工业余热利用中常见的冷却装置。余热锅炉设备通常用于工业生产利用或采暖，用工业生产利用或采暖流程中形成的余热或油料焚烧后所形成的热能对水实行供热。余热锅炉又可分成补燃式与普通类型，普通型余热锅炉与热交换机相似，不形成焚烧流程。

热泵是指一项使用较低品质热能资源实现供热或供冷的高效率节电的中央空调工艺技术。冬季时，可利用热泵机组直接将户外热能输送入室内供暖，而夏季时则可将室内热能送入户外降温。按照热能源的不同，我们就可把热泵科技划分为空中源热泵、地底水源热泵、土地源热泵、双源热泵等。热泵科技特别适合用在拥有常年恒温冷电阻热源的地方。

总之，由于科技的发达和社会的科技进步，人们的生活水平明显提高，但是环境质量却有所降低。目前，中国的环保工作已受到了全社会的大力支持与重视。基于此，本文阐述了多能互补综合能源系统工程总体设计的基本内容，重新研究了多能互补综合能源系统的基本结构，对综合能源系统作出了初步设计，并给出了若干优化对策。

参考文献

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