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    综合能源多能互补在建筑节能中的应用

    时间：2023-02-24 21:30:05来源：百花范文网本文已影响人

    秦晓玲

    （浙江大合检测有限公司，浙江 杭州 311122）

    进入21世纪以来，全球环境问题的日趋严峻，极端天气频出，地球温升加速，摆脱化石能源依靠成了大多数国家的共识，许多发达国家已经提出了放弃化石能源的时间表。我国也提出了“双碳”目标，为我国推进节能降碳、探索绿色低碳发展新路径指明了方向。为实现该目标，我国就要摆脱长期以化石能源为主的能源模式，大力发展可再生能源及可再生能源和传统化石能源相互配合补充、均衡开发的新能源格局。

    建筑能耗是整个社会能耗的一大部分，中国建筑能耗研究报告（2020）中指出，建筑能耗占全国总能耗的17%～21%，考虑建筑整个生命周期过程，建筑能耗占比将高达46.5%。以往受限于建筑供能单一，用能结构不合理，能源利用率低，能量消耗严重。将绿色能源作为能量供给源大量引入建筑用能领域，是实现低碳、零碳建筑的重要途径。对建筑用能实现多能互补，将传统能源和清洁能源统一调控，逐步减少传统能源的使用，增加绿色能源使用的占比，可有效解决建筑能源供给安全及减排问题。

    综合能源在建筑领域主要是电能供给，建筑电源可分为两大类，一类是外部电网供给，另一类建筑侧分布式供给；
    综合能源是可以接入电网的用户侧发电装置，主要有小型内燃机组、微型燃气轮机、小型风力发电、分布式光伏、沼气发电等。其中，太阳能、风能、生物质能等是绿色清洁能源，具有清洁环保、无污染、能源利用率高、使用维护方便、经济性好等优势，可以作为建筑用户侧电源装置。建筑另一大用能需求是冷、热供给，其在整个建筑耗能中占比高。建筑冷、热一般都是二次能源（集中供热、供冷除外），通常将天然气或电能作为一次能源，利用制热、制冷设备将一次能源转变为冷、热进行供给利用，满足建筑热、电负荷需求。

    以冷、热、电联供系统为核心的小型能源供给网络，可通过对建筑供能构成具体分析，实现建筑楼宇能量供给多样性。在此背景下，本文提出的建筑供能综合能源利用多能互补，为建筑能源生产、传输、供给、使用开辟了新途径。建筑综合能源具有模块化、分散化、互补化的特征，一般都是围绕建筑用能单元，各独立供能单元也是一种能源供给、转化单元，建筑楼宇的电力主要由外部电网、分布式光伏发电，微小型燃气轮机及小型风力发电提供，不同建筑有各自不同的特点。在建筑能源规划时，自发电本着优先自用、就近并网、就近转换的原则，优先使用绿色可再生能源，提高能源利用品质，提高建筑能量综合利用。构建建筑综合能源系统首先是建筑电力控制智能化，对电力供、需、网三侧采用先进的控制手段和通信技术，有效满足建筑内各用能单元的需求。

    建筑微电网系统是将分布式能源（微型燃机、风能、光伏）等通过发电设备，将其他形式的能源转化为电能，再通过储能装置进行部分储存，并通过内部电力网线输送到用能端。因“双碳”政策的提出，光伏、风电作为微电网重要的能源，其特点随天气而变，稳定性、可预测性差，造成以风、光为主的微电网系统的不稳定性。这就需要主电网给微电网提供后备支持，在微电网自身无法满足用能系统所需时，主电网及微型燃机发电系统给予相应补充，然后利用微电网能量管理及运行控制技术，实现相对孤网、实际并网的运行方式。通过实时控制系统的有效调整，可减小建筑电力供给因分布式电源的不稳定性带来的问题。主配电网和分布式微电网相互配合，实现两者信息和能量的交换，随着微电网内源、荷元素的增多，两者之间的信息量也越来越大、越来越复杂，在电力系统灵活性、安全性、经济性方面越来越有优势。

    2.1 分布式光伏单元

    光伏发电将太阳能转化为电能，是太阳能间接利用的主要方式，光伏发电技术核心元件是光伏组件，随着光伏发电技术的成熟应用，近些年光伏组件产量逐年增高，价格大比例下降，特别在我国提出“双碳”政策，大力发展绿色可再生能源后，光伏技术在我国得到了高速发展，2021年9月14日，国家能源局正式印发《公布整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点名单的通知》（国能综通新能〔2021〕84号），全国共有676个县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点，分布式光伏已进入全面性建设阶段。将分布式光伏发电接入微电网，以大电网为依托，进行统一调控、一体化运行，使光伏在整个能源系统中得到最优化利用，提高光伏系统的利用率，为实现国家“双碳”目标做出贡献。

    2.2 分布式风电单元

    风力发电就是将自然界的风能转化为人们可利用的电能，是清洁能源利用最为直接的方式。由于风能是自然界长期存在的能源，世界很多国家都在进行风力发电研究应用工作。近十年，风电在我国得到了快速发展。风能在绿色可再生能源领域有着很强的竞争力，其在能源战略、能源供应、能源安全等方面有着重要作用，在节能减排、保护环境方面起着特殊作用。建筑小型风电机组是风能分布式利用的有效方式，双馈风电机组和直驱永磁风力机组是现在两种常见风力发电机组。

    2.3 微小型燃气轮机

    燃气轮机是一种重要的发电设备，按功率等级可分为重型燃机、微型燃机。由于建筑用能体量，一般都采用微型燃机进行发电，20～500kW功率等级是微型燃机的主要功率范围，其主要由进气室、压气机、燃烧室、膨胀机构成。微型燃机作为驱动源带动发电机发电。其做功发电后产生大量高温余热烟气，将高温余热烟气加以利用，如余热锅炉回收、制冷、除湿等，为用户在提供电能的同时也提供热能、冷能，这就是微燃机系统（CCHP），其综合效率可达80%以上。

    2.4 燃气锅炉

    我国“双碳”政策提出控制燃煤消耗，推进煤改气工程。相对煤而言天然气是高效率、低污染、好运输的清洁能源。因此，燃气锅炉在目前和很长一段时期都会得到快速发展。燃气锅炉主要由燃烧系统、烟气系统、压力控制系统、水温控制系统组成，通过这些系统的输出给定功率，通过需求信息调节输入端的燃气量、送风量，维持燃气锅炉的按需输出。燃气锅炉与微型燃气轮机冷、热、电联产协调运行成，成为将来主要的供热源。

    2.5 地源热泵

    地源热泵是利用地下浅层、中深层地下土壤、岩石所蕴含的热能给建筑物提供热源的技术，地下热能在未开采前常年保持比较稳定的温度。地源热泵就是利用地下温度高、热量高、补给稳定的特点，仅需消耗少量高品质能量，就可将地下的热能提取出来，是一种高效的可再生能源使用技术，可满足供暖、供生活热水、供冷等多种供能需求。

    3.1 建筑用能指标架构评价

    评价建筑综合能源设计与调控优化的一个重要因素就是评价指标，合理的评价指标架构使得建筑综合能源投资更加合理、运行更加高效，可最大限度发挥各种能源在建筑能源供给系统中的相互配合，降低能源综合利用成本，提升综合能源的使用能效。

    本文选用的建筑综合能源评价指标元素由三个模型组成，分别是经济模型、能源模型、环境模型，通过这三个模型的设置，分层构成建筑综合能源调控的判据。在建筑综合能源经济模型中，采用综合成本法，初始投资建设成本、运行和维护成本以及报废成本指标说明建筑综合能源的经济性水平，评价多种能源耦合条件下的建筑综合能源经济效益优化的程度，衡量在综合能源期望收益下可接受经济性投入。污染物排放的指标值可以在环境评价模型中反映绿色可再生能源与其他能源协调互补综合利用的程度，用来评价绿色可再生能源替换式应用及多能协调互补的高效能量利用带来的环境收益。在能源模型中，能源分级优化利用和绿色可再生能源在总能源利用中的占比可反映能源利用率及环境收益，综合反映能源结构模型的合理性。

    1）经济模型 成本和收益是经济模型评估的重要目标，建筑综合能源也应以此为经济评价模型的最重要目的。经济模型通常采用综合成本法，结合各方面因素综合考虑建筑综合能源体系在建设、运行的全生命周期内的经济收益，将建筑用能系统建设成本、运维成本、升级改造成本、消耗成本纳入本模型，模型通过对建筑综合能源建设与运行所涉及的要素在生命周期内的成本综合累加计算，以获取经济收益的量化指标。

    式中，BCEI为经济评价指标（建筑综合用能）；
    CCi、OMi、UCi分别为建筑用能中第i类能量单元的初始系统建设成本、运维成本、升级消耗成本。

    初始投资成本通常含各分单元设备采购成本、建设成本、安装和调试过程中所投入的成本；
    运行和维护成本包含设备运行耗能购入成本、系统设备日常检修维护成本。

    2）环境模型 建筑综合能源环境评价主要针对建筑能源在运出、存储、生产过程中所产生的污染物排放指标和对环境气候变化所产生的影响指标进行量化。污染物、二氧化碳等通常通过零花折算等价计算方法进行。

    式中，BPCE为污染物排放指标（建筑综合能源）；
    EVPi为第i种污染物所具有的环境价值；
    Yj为建筑综合能源中j类能源能够年供给的量，kW·h；
    εj为第j类能源单元年运行平均功率；
    CEPi，j为第i类能源单元系统中第j种污染物排放；
    PIEi，j为第i类能源单元单位能源消耗量下的第j种污染物排放。

    在环境污染物排放指标计算模型中，通过计算减少的污染物排放等量的经济价值来衡量环境收益，污染物排放量减少得越多，所带来的环境指标越高。

    3）能源模型 能源评价指标模型的作用是衡量建筑能源结构指标非经济性等价的重要方法。绿色可再生能源充分接纳使用是建筑综合能源建设、运行的重要目标，绿色可再生能源的可持续性使用收益无法直接量化为经济性数值，而绿色可再生能源的环境收益又难以在综合效益中体现。

    式中，ERE为建筑能源供给循环利用率；
    Qt.j为建筑用能中第 j类能源的需求量，kW·h；
    QRGE.i、QECU.i为建筑综用能中第i类能源的可再生可绿色能源、能源梯级利用满足的负荷需求，kW·h；
    εRGE.i、εEUC.i为第 i类能源可再生绿色能源、能源梯级利用率。

    3.2 能源供需配置优化

    综合能源供需配置的多目标优化问题可表述为：为满足既定建筑区域内用户供热负荷、供冷负荷的需求，并将不同用途的能源进行相互匹配，梯级利用，合理优化配置建筑内所有能源单元设备的供给量。

    式中，决策变量 e=（e1，e2，…，em），是 m 维向量；
    目标变量e=（y1，y2，…，ym），是n维向量；
    对应的fi（e），i=1，2，…，n是目标问题优化的n个函数；
    yj（e）≤0，j=1，2，…，v是优化问题中的v个约束条件。

    在我国“双碳”政策的指引下将综合能源多能互补引入建筑领域，简要阐述了建筑综合能源多能互补的构成，对分布式微电网系统，综合能源体系中分布式光伏、风力发电、微型燃机等进行了分析，给出建筑综合能源总体技术路线。按照上述思路，本文对建筑能源系统经济性指标、环境指标、能源评价指标进行分析，考虑建筑用能系统最初建设成本及后期运维成本，升级改造成本、消耗成本及污染物、二氧化碳排放等因素建立数学模型，并进行能源供给优化配置。绿色可再生能源将是未来建筑供能的重要来源，解决绿色可再生能源在建筑供能领域的消纳及安全供能问题，是以后研究的重点方向。

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