CN107748495A - 一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，该方法包括如下步骤：(1)划分分析时段；(2)确定装机总容量，将供能对象负荷划分为多个负荷区间；(3)基于全年逐时冷热负荷，统计冷、热负荷在各时段各个负荷区间内的小时数；(4)分别获取冷热电联产及热泵单位供能收益；(5)确定冷热电联产和热泵年等效满负荷供能小时数；(6)计算冷热电联产在不同装机容量的净现值，按照冷热电联产和热泵装机容量之和等于装机总容量，计算冷热电联产在不同装机容量下热泵相应的装机容量和净现值；(7)选择总净现值最大者确定冷热电联产和热泵的装机容量。与现有技术相比，本发明优化配置方法提高整个系统的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种供冷供热系统的配置方法，尤其是涉及一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法。
背景技术
冷热电联产(CCHP)和热泵(HP)相结合的供冷供热系统是建筑领域中最为典型的分布式供能系统。常见的有CCHP和水源热泵(包括冷却塔的冷却水)、土壤源热泵及空气源热泵等组合在一起，为建筑供冷、供热以满足建筑采暖、制冷需求。
2013年，殷平在《冷热电三联供系统研究(2):冷热电三联供系统是否应该“以热定电”》探讨了冷热电三联供系统容量配置方法，比较了以热定电和以电定热方法的适用性，指出由于情况复杂，当前广泛采用的以热定电并非是燃气CCHP系统中首选的设计方法。2016年，侯晓勇等在《楼宇型天然气冷热电联产系统经济性分析》分析了楼宇型CCHP的经济性，指出单纯依靠CCHP满足楼宇供冷、供热需求，在当前能源价格机制下不具有经济性。2016年，曾蓉在《冷热电三联产系统及其与地源热泵耦合系统的优化研究》中，利用遗传算法对地源热泵和CCHP耦合系统进行了建模优化。
CCHP在电价较高时供能成本低于热泵，但是其初投资远大于热泵系统，在设备利用小时数较低时经济性较差。如何发挥CCHP和HP的互补优势，优化二者的配置容量，对于提高供能的经济性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，该方法包括如下步骤：
(1)根据能源价格分时机制划分分析的时段；
(2)确定供能对象最大负荷并作为装机总容量，将供能对象负荷划分为多个负荷区间；
(3)基于全年逐时冷热负荷，统计冷、热负荷在各时段各个负荷区间内的小时数；
(4)分别获取冷热电联产及热泵单位供能收益；
(5)对于每个负荷区间，根据该负荷区间的最低负荷值计算按照最低负荷值装机，在不同时段按照优先保证单位供能收益较高的设备开机运行的原则确定冷热电联产和热泵年等效满负荷供能小时数；
(6)计算冷热电联产在不同装机容量的净现值，按照冷热电联产和热泵装机容量之和等于装机总容量，计算冷热电联产在不同装机容量下热泵相应的装机容量和净现值；
(7)选择总净现值最大者确定冷热电联产和热泵的装机容量。
步骤(4)中具体为：在不同的时段，根据购买电力和燃气的价格分别获取冷热电联产供冷单位供能收益、冷热电联产供热单位供能收益、热泵供冷单位供能收益以及热泵供热单位供能收益。
步骤(5)年等效满负荷供能小时数包括每年中每个时段满负荷供冷小时数以及每个时段满负荷供热小时数。
对于任意负荷区间(Di，Di+1)每年中每个时段满负荷供冷小时数或每个时段满负荷供热小时数通过下式获得：
其中，Di和Di+1为负荷区间负荷值的端值，ti表示负荷区间(Di，Di+1)中待计算的时段中全年冷负荷时长，P为待计算年等效满负荷供能小时数的设备的装机容量，P′为另一供能设备在该时段内承担的供能负荷，t′i为另一供能设备在该时段内供能小时数。
冷热电联产单位供能容量下净现值通过下式获得：
npvTG表示冷热电联产在一个寿命周期内单位供能容量下净现值，j表示寿命周期中第j年，n表示一个寿命周期总年数，Ce为购售电价格，Ch为售热价格，Cc为售冷价格，Cf为燃气价格，ηCHP,e为冷热电联产发电效率，th为冷热电联产年供热时长，tc为冷热电联产年供冷时长，CTG为冷热电联产单位装机成本，C′TG为冷热电联产单位装机的年均维护费用，k为贴现率。
热泵单位供能容量下净现值通过下式获得：
其中，npvWHP表示热泵在一个寿命周期内单位供能容量下净现值，j表示寿命周期中第j年，n表示一个寿命周期总年数，Ce为购售电价格，Ch为售热价格，Cc为售冷价格，th为热泵年供热时长，tc为热泵年供冷时长，CWHP为热泵单位装机成本，C′WHP为热泵单位装机的年均维护费用，k为贴现率，COPWHP和EERWHP为系数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明从冷热电联产及热泵可能的年等效满负荷供能小时数出发，按照经济性最优的目标，优化热泵设备和热电联产设备的容量配置，通过提高初投资较高的设备的年利用率，相应的减少初投资较低的设备的年利用率，提高整个系统的经济性。
附图说明
图1为本发明分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，该方法包括如下步骤：
(1)根据能源价格分时机制划分分析的时段；
(2)确定供能对象最大负荷并作为装机总容量，将供能对象负荷划分为多个负荷区间；
(3)基于全年逐时冷热负荷，统计冷、热负荷在各时段各个负荷区间内的小时数；
(4)分别获取冷热电联产及热泵单位供能收益；
(5)对于每个负荷区间，根据该负荷区间的最低负荷值计算按照最低负荷值装机，在不同时段按照优先保证单位供能收益较高的设备开机运行的原则确定冷热电联产和热泵年等效满负荷供能小时数；
(6)计算冷热电联产在不同装机容量的净现值，按照冷热电联产和热泵装机容量之和等于装机总容量，计算冷热电联产在不同装机容量下热泵相应的装机容量和净现值；
(7)选择总净现值最大者确定冷热电联产和热泵的装机容量。
步骤(4)中具体为：在不同的时段，根据购买电力和燃气的价格分别获取冷热电联产供冷单位供能收益、冷热电联产供热单位供能收益、热泵供冷单位供能收益以及热泵供热单位供能收益。
步骤(5)年等效满负荷供能小时数包括每年中每个时段满负荷供冷小时数以及每个时段满负荷供热小时数。
对于任意负荷区间(Di，Di+1)每年中每个时段满负荷供冷小时数或每个时段满负荷供热小时数通过下式获得：
其中，Di和Di+1为负荷区间负荷值的端值，ti表示负荷区间(Di，Di+1)中待计算的时段中全年冷负荷时长，P为待计算年等效满负荷供能小时数的设备的装机容量，P′为另一供能设备在该时段内承担的供能负荷，t′i为另一供能设备在该时段内供能小时数。
冷热电联产单位供能容量下净现值通过下式获得：
npvTG表示冷热电联产在一个寿命周期内单位供能容量下净现值，j表示寿命周期中第j年，n表示一个寿命周期总年数，Ce为购售电价格，Ch为售热价格，Cc为售冷价格，Cf为燃气价格，ηCHP,e为冷热电联产发电效率，th为冷热电联产年供热时长，tc为冷热电联产年供冷时长，CTG为冷热电联产单位装机成本，C′TG为冷热电联产单位装机的年均维护费用，k为贴现率，上式中，假设在寿命周期n年中，每一年的购售电价格Ce、售热价格Ch、售冷价格Cc、燃气价格Cf、冷热电联产发电效率ηCHP,e、冷热电联产年供热时长th和冷热电联产年供冷时长tc均相等，当然在实际应用上，上述参数每一年都可能不相同，因此求和公式中每一项子上的计算按每年实际值为准。
热泵单位供能容量下净现值通过下式获得：
其中，npvWHP表示热泵在一个寿命周期内单位供能容量下净现值，j表示寿命周期中第j年，n表示一个寿命周期总年数，Ce为购售电价格，Ch为售热价格，Cc为售冷价格，th为热泵年供热时长，tc为热泵年供冷时长，CWHP为热泵单位装机成本，C′WHP为热泵单位装机的年均维护费用，k为贴现率，COPWHP和EERWHP为系数，同理，上式中，假设在寿命周期n年中，每一年的购售电价格Ce、售热价格Ch、售冷价格Cc、冷热电联产年供热时长th和冷热电联产年供冷时长tc均相等，当然在实际应用上，上述参数每一年都可能不相同，因此求和公式中每一项子上的计算按每年实际值为准。
具体地，本实施例根据能源价格分时机制划分分析的时段，分为峰时和谷时，因此整个过程具体步骤为：
(1)计算供能对象全年逐时冷热负荷值，给出负荷最小值，并按照设计规范确定供能系统容量的设计值。
(2)按照冷负荷、热负荷以及电价峰谷时段，分别统计冷、热负荷在峰谷时段各负荷区间内的负荷值出现的小时数。
(3)根据设备初投资、设备能效、年运行维护费、购买电力和燃气的价格、供冷供热供电价格，以年等效满负荷供能小时数为变量，得到单位装机容量下热电联产设备和热泵设备在某一核算周期内单位装机容量的净现值计算公式。
(4)根据购买电力和燃气的价格，分别计算热电联产设备和热泵设备峰谷时段供冷、供热、供电的单位供能收益。
(5)根据最低负荷值计算比较按照最低负荷值装机，在峰谷时段分别按照优先保证单位供能收益较高的设备开机运行的原则确定热电联产设备和热泵设备年可能的满负荷供能小时数。
(6)计算比较该开机小时数下热电联产设备、热泵设备的净现值，净现值，选择净现值较大者按照最低负荷值的大小确定其装机容量。
(7)若热电联产系统在最低负荷值对应的装机容量下净现值仍低于热泵系统，则从经济角度出发本系统不宜安装热电联产系统。
(8)若热电联产设备在最低负荷装机时净现值较大，按照负荷区间间隔依次增加其装机容量，并确定其不同装机容量下年等效满负荷供能小时数，按照热电联产设备装机容量加上热泵设备装机容量等于供能系统设计容量的关系，确定热泵设备在热电联产设备不同装机容量下所需要的装机容量。
(9)计算得到热冷电联产设备不同装容量下供能系统总的净现值，按照总净现值最大者确定热电联产设备的装机容量及相应的热泵设备的装机容量，据此配置供能系统配套设备的容量。由于供冷供热负荷的波动性，在部分时段供冷供热系统不可避免的出现利用率较低的问题。
表1是基于某项目全年逐时冷热负荷数据得到的各个负荷区间对应的小时数的统计分析表，表2是各个供能时段CCHP和HP供能收益。
表1负荷区间对应小时数统计表
表2中某时段供能收益大的设备优先选用，只有在其装机容量不满足该时刻用能需求时选用另一设备补充，按照此原则可计算得到CCHP在各个装机容量下等效满负荷供能小时数，相应的也可计算得到热泵设备等效满负荷供能小时数。
表2各时段CCHP和HP单位供冷、供热收益
等效满负荷供能小时数如表3所示，并可根据年等效满负荷供能小时数计算得到安装一定容量的CCHP所产生的净现值。
表3CCHP在不同装机容量下的等效满负荷运行小时数及净现值
表4是CCHP在不同装机容量下的自身及配套热泵系统的净现值，两者相加得到系统总的净现值。由表4可知，当CCHP装机容量为D4时，系统总净现值最大，则将冷热电联产的装机容量配置为D4(MW)，热泵的装机容量为系统装机总容量减去D4，由此完成整个系统优化配置。
表4不同CCHP装机容量下系统总净现值
Claims (6)
1.一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)根据能源价格分时机制划分分析的时段；
(2)确定供能对象最大负荷并作为装机总容量，将供能对象负荷划分为多个负荷区间；
(3)基于全年逐时冷热负荷，统计冷、热负荷在各时段各个负荷区间内的小时数；
(4)分别获取冷热电联产及热泵单位供能收益；
(5)对于每个负荷区间，根据该负荷区间的最低负荷值计算按照最低负荷值装机，在不同时段按照优先保证单位供能收益较高的设备开机运行的原则确定冷热电联产和热泵年等效满负荷供能小时数；
(6)计算冷热电联产在不同装机容量的净现值，按照冷热电联产和热泵装机容量之和等于装机总容量，计算冷热电联产在不同装机容量下热泵相应的装机容量和净现值；
(7)选择总净现值最大者确定冷热电联产和热泵的装机容量。
2.根据权利要求1所述的一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，其特征在于，步骤(4)中具体为：在不同的时段，根据购买电力和燃气的价格分别获取冷热电联产供冷单位供能收益、冷热电联产供热单位供能收益、热泵供冷单位供能收益以及热泵供热单位供能收益。
3.根据权利要求1所述的一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，其特征在于，步骤(5)年等效满负荷供能小时数包括每年中每个时段满负荷供冷小时数以及每个时段满负荷供热小时数。
4.根据权利要求3所述的一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，其特征在于，对于任意负荷区间(Di，Di+1)每年中每个时段满负荷供冷小时数或每个时段满负荷供热小时数通过下式获得：
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其中，Di和Di+1为负荷区间负荷值的端值，ti表示负荷区间(Di，Di+1)中待计算的时段中全年冷负荷时长，P为待计算年等效满负荷供能小时数的设备的装机容量，P′为另一供能设备在该时段内承担的供能负荷，t′i为另一供能设备在该时段内供能小时数。
5.根据权利要求1所述的一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，其特征在于，冷热电联产单位供能容量下净现值通过下式获得：
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npvTG表示冷热电联产在一个寿命周期内单位供能容量下净现值，j表示寿命周期中第j年，n表示一个寿命周期总年数，Ce为购售电价格，Ch为售热价格，Cc为售冷价格，Cf为燃气价格，ηCHP,e为冷热电联产发电效率，th为冷热电联产年供热时长，tc为冷热电联产年供冷时长，CTG为冷热电联产单位装机成本，CT′G为冷热电联产单位装机的年均维护费用，k为贴现率。
6.根据权利要求1所述的一种分布式冷热电联产及热泵组合系统的优化配置方法，其特征在于，热泵单位供能容量下净现值通过下式获得：
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其中，npvWHP表示热泵在一个寿命周期内单位供能容量下净现值，j表示寿命周期中第j年，n表示一个寿命周期总年数，Ce为购售电价格，Ch为售热价格，Cc为售冷价格，th为热泵年供热时长，tc为热泵年供冷时长，CWHP为热泵单位装机成本，C′WHP为热泵单位装机的年均维护费用，k为贴现率，COPWHP和EERWHP为系数。
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