多能流綜合能源系統(tǒng)示范工程設(shè)計(jì)

工程所在園區(qū)為北京市海淀區(qū)中關(guān)村軟件園某單位辦公園區(qū)現(xiàn)有園區(qū)于2006年建設(shè)完成，2009 年進(jìn)行了裝修改造，占地面積為21691m2，建筑面積為 18293m2。園區(qū)建筑分A、B兩座寫字樓地上三層，地下一層，為食堂、停車場、配電室、空調(diào)機(jī)房等。大樓外區(qū)域包括地面停車場、綠化帶、籃球場、自行車棚等。園區(qū)日均常駐職工數(shù)量為600 余人。

現(xiàn)有主要變配電設(shè)備和供能機(jī)電設(shè)備都已運(yùn)行 12 年以上，部分設(shè)備存在老化、受損等問題。園區(qū)現(xiàn)供電系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高,沒有自動(dòng)抄表、分項(xiàng)計(jì)量和運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，無法對(duì)電能使用情況進(jìn)行分析、控制和優(yōu)化，隨著公司業(yè)務(wù)不斷增加，現(xiàn)有變壓器容量難以滿足未來使用需求?，F(xiàn)狀2 臺(tái)溴化鋰機(jī)組提供冷熱源，機(jī)組大修后制冷效率降低，制冷效果差，夏季室內(nèi)舒適度欠佳，暖通空調(diào)控制均為現(xiàn)場手動(dòng)，無自控手段，管理效率低。園區(qū)內(nèi)無電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車充電樁，無法滿足電動(dòng)車充電需求。

綜上，園區(qū)能源供給總體存在設(shè)備老化、耗能大、經(jīng)濟(jì)性差供能結(jié)構(gòu)不合理、供能可控性差、維護(hù)管理困難等問題。隨著公司業(yè)務(wù)不斷拓展，辦公人數(shù)日益增多，園區(qū)現(xiàn)有供能系統(tǒng)不能滿足日常所需，提高園區(qū)管理和能源利用能力勢在必行。

依托辦公園區(qū)，建設(shè)多能互補(bǔ)智慧綜合能源系統(tǒng)，主要包括159.64kWp 多類型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、250kW/550kWh 電儲(chǔ)能系統(tǒng)、204kW 電動(dòng)汽車有序充放電系統(tǒng)、330kw 燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)制熱功率為 376kw的地源熱泵系統(tǒng)、制熱功率為 102kw 的空氣源熱泵系統(tǒng)、104m3水蓄能系統(tǒng)等。

示范工程綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

示范工程負(fù)荷分析

(1) 電負(fù)荷

園區(qū)現(xiàn)有供電系統(tǒng)為兩路 10kV 進(jìn)線，單母線分段接線，接兩臺(tái) 10kV/0.4kV、500kVA 變壓器，低壓為兩段400V 母線，單母線分段接線，共有 74 路負(fù)荷饋出線，每段母線裝有無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器1組。

根據(jù)從供電公司獲取的逐時(shí)負(fù)荷(2018 年5月7日-2019年5月6日)統(tǒng)計(jì)分析，一年用電量為 230 萬 kWh，日均用電量如圖9-4-4所示。1#變壓器 (201 進(jìn)線)工作日平均負(fù)波動(dòng)區(qū)間為120~250kw，2#變壓器 (202 進(jìn)線)工作日平均負(fù)荷波動(dòng)區(qū)間為170~300kw，休息日工作負(fù)荷約為工作日的50% ~60%。

園區(qū)最大用電負(fù)荷約為 450kw，最小用電負(fù)荷約為 200kW用能季用電高峰集中于 10: 00 ~ 19:00 時(shí)段。過渡季 (春季、秋季)、用能季 (冬季、夏季) 典型日日均用電功率如圖 9-4-5所示。

園區(qū)改造中新增電力負(fù)荷主要分為基本負(fù)荷(控制系統(tǒng)、機(jī)房暖通及環(huán)境)、季節(jié)性冷暖負(fù)荷 (三聯(lián)供、地源熱泵、空氣源熱泵等)、隨機(jī)性負(fù)荷(充電等) 及其他負(fù)荷 (電化學(xué)儲(chǔ)能、實(shí)驗(yàn)負(fù)荷等)。

此外，園區(qū)內(nèi)人駐職工不斷增加，2019 年平均月度用電量相較2018 年同期增長約 6%，考慮到未來新增人員需求，按最大負(fù)荷的 8% ~ 10% 計(jì)負(fù)荷增長，該因素引起的負(fù)荷增長值暫列為50kW。

依據(jù)負(fù)荷校驗(yàn)數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目改造后現(xiàn)有兩臺(tái) 500kVA 變壓器基本可滿足園區(qū)日常用電需求，但在冬、夏季高峰負(fù)荷時(shí)段，僅靠現(xiàn)有變壓器供電時(shí)，變壓器負(fù)荷率較高，對(duì)于重要負(fù)荷的供電可靠性保障降低，因此需考慮增加項(xiàng)目的總體電力供應(yīng)。

(2) 冷、熱負(fù)荷

園區(qū)建筑面積為 18293m2，其中地下一層為 5247m。園區(qū)建筑分 A、B 兩座寫字樓，地上三層為辦公區(qū)域，地下一層為食堂停車場、配電室、空調(diào)機(jī)房、庫房等。冷熱負(fù)荷主要集中于白天現(xiàn)狀冷熱源采用兩臺(tái)制冷功率 756kw 直燃型化鯉吸收式冷水機(jī)組，制冷供回水溫度 7C/12C，供熱供/回水溫度為 50C/40C制冷機(jī)房、空調(diào)冷水機(jī)組、分集水器及冷水循環(huán)泵置于地下一層園區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)分成兩個(gè)支路。一路連接南區(qū)空調(diào)系統(tǒng)，一路接北區(qū)空調(diào)系統(tǒng)。2019 年燃?xì)馊紮C(jī)年耗氣量約為20萬m，主要集中于

根據(jù)原暖通圖樣資料，建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為 1311.5kW，熱負(fù)夏季和冬季。荷為1049kW。此次利用已有資料采用 Dest 軟件模擬，計(jì)算結(jié)果為冷負(fù)荷1375.5kw、熱負(fù)荷 949kw，基本與原建設(shè)設(shè)計(jì)圖負(fù)荷吻合。

因現(xiàn)有冷熱源系統(tǒng)未設(shè)置熱量表、其他測量儀表失效等原因園區(qū)實(shí)際運(yùn)行冷熱負(fù)荷未知，故按照原有設(shè)計(jì)資料以及現(xiàn)有可采集數(shù)據(jù)進(jìn)行推測校驗(yàn)。園區(qū)實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀新風(fēng)機(jī)組因故停開，風(fēng)機(jī)盤管正常運(yùn)行，按原設(shè)計(jì)圖資料，風(fēng)機(jī)盤管總制冷量為 1143kw，新風(fēng)機(jī)組總制冷量為 420kW (風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組額定制熱量大干制冷量，無參考意義)，故評(píng)估園區(qū)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行最大冷負(fù)荷為1048kw、最大熱負(fù)荷為 850kw 合理。

此次冷熱源系統(tǒng)改造負(fù)荷估算，根據(jù)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為 1311.5kw設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為 1049kw 進(jìn)行機(jī)組選型及配置，三聯(lián)供、地源熱泵、空氣源熱泵及水蓄能系統(tǒng)最大制冷量為 1239.1kw，最大制熱量為1349.4kw，能滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷以及實(shí)際運(yùn)行最大冷熱負(fù)荷。另外，考慮到后期若增開新風(fēng)機(jī)組，該系統(tǒng)也可滿足最大冷、熱負(fù)荷需求。

根據(jù)北京區(qū)域氣象參數(shù)，該項(xiàng)目夏季空調(diào)供冷時(shí)間暫定為 5 月20日一10 月 10 日，共143 天;冬季空調(diào)供熱時(shí)間暫定為 11 月 15 日一次年3 月15 日，共 123 天。

天，75%負(fù)荷典型日天數(shù)為 44 天，50%負(fù)荷典型日天數(shù)為 57 天25%負(fù)荷典型日天數(shù)為 37 天。冬季供熱 100%負(fù)荷典型日天數(shù)為60 天，50%負(fù)荷典型日天數(shù)為 63 天。

示范工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)

該項(xiàng)目于 2 座辦公建筑屋面建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，原則上在保證發(fā)電效率的同時(shí)，充分利用全部無遮擋區(qū)域來安裝光伏板，最大限度利用太陽能。屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)布置圖如圖 9-4-6 所示。A 座屋頂安裝單晶硅光伏板 300 塊，總安裝容量為 96.0kWp;B 座屋頂安裝多晶硅光伏板 80 塊，安裝容量為 23.2kWp，硅基異質(zhì)結(jié) SHJ光伏板 120塊，安裝容量為 37.2kWp;A 座主人口處天棚建設(shè) BIPV建筑光伏一體化透光薄膜發(fā)電系統(tǒng)，安裝雙玻 10% 透光薄膜光伏組件 36 塊，總安裝容量為 3.24kWp。光伏系統(tǒng)總裝機(jī)容量為159.64kWp，經(jīng)電力電纜接入園區(qū)電氣系統(tǒng)，

(2)電儲(chǔ)能系統(tǒng)

為增加供電系統(tǒng)的供電可靠性及提高運(yùn)行靈活性，該項(xiàng)目設(shè)置了一套電儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量確定需要綜合考慮用能需求投資成本、運(yùn)行效益等因素。下面針對(duì)園區(qū)不同時(shí)段用電情況進(jìn)行

分析:春秋季白天用電高峰時(shí)段總用電量約為 2067kWh，扣除光伏系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為 1621kWh，晚間用電高峰時(shí)段總用電量約為777kWh。

夏季白天用電高峰時(shí)段總用電量約為 2447kWh，扣除三聯(lián)供系統(tǒng)及光伏系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為 367kWh，晚間高峰時(shí)段用電量約為 1183kWh，剔除三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為193kWh。

冬季白天用電高峰時(shí)段總用電量約為 2175kWh，扣除三聯(lián)供系統(tǒng)及光伏系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為 424kWh，晚間高峰時(shí)段用電量約為 818kWh，扣除三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為158kWh。

根據(jù)以上園區(qū)歷史負(fù)荷、功率分析，結(jié)合未來用電需求，綜合考慮北京電價(jià)政策，電池容量、功率、經(jīng)濟(jì)性以及園區(qū)負(fù)荷特點(diǎn)等，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量按最低滿足冬夏季一天“一充一放”進(jìn)行配置最終確定本項(xiàng)目設(shè)置一套550kWh 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System，PCS)功率選擇為250kW。

系統(tǒng)采用定制集裝箱結(jié)構(gòu)，集裝箱本體的防腐蝕、防火災(zāi)、防雨水、防沙塵、防地震、防紫外線、防偷盜等功能良好。集裝箱結(jié)構(gòu)殼體、隔熱保溫層、裝飾材料等均使用防火阻燃材料。箱體頂部不積水、不滲水、不漏水，箱體側(cè)面不進(jìn)雨，箱體底部不滲水。集裝箱通風(fēng)口以及內(nèi)部設(shè)備的通風(fēng)口均加裝通風(fēng)過濾網(wǎng)。在運(yùn)輸和地震條件下，集裝箱及其內(nèi)部設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度不出現(xiàn)變形、功能異常、振動(dòng)后不運(yùn)行等故障。集裝箱內(nèi)外材料的性質(zhì)不會(huì)因?yàn)樽贤饩€的照射發(fā)生劣化、不會(huì)吸收紫外線的熱量等，集裝箱防護(hù)等級(jí)為IP54。

電池系統(tǒng)采用 120Ah 磷酸鐵電芯，電芯采用 2P12S 的方式組合成電池模組，電池模組配置為 38.4V/240Ah (0.5C)。電池模組通過 1P19S 的方式組成電池簇，電池簇配置為 729.6V/240Ah(0.5C)，電壓范圍:638.4 ~809.4V，額定總電量為175.104kWh。3個(gè)電池簇并聯(lián)接入控制匯流柜，組成完整的電池系統(tǒng)，電池系統(tǒng)總電量為525.312kWh。電池簇經(jīng)過控制匯流柜匯流后，接人1臺(tái)250kW 的儲(chǔ)能變流器 PCS，經(jīng)過逆變后接人園區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)。

(3)充電樁系統(tǒng)

園區(qū)共有停車位 127 個(gè)，其中地上停車位 91 個(gè)，地下停車位36個(gè)。園區(qū)內(nèi)有電動(dòng)汽車約有 10 余輛、電動(dòng)自行車約有 40 余輛該項(xiàng)目配套建設(shè) 60kW 一體式雙槍充電 (三相電源)1 臺(tái)60kW一體式V2G充電(三相電源)1臺(tái)、7kw 交流有序充電(單相電源)12 臺(tái)、10kw 電動(dòng)車充電系統(tǒng) (單相電源)1套。

7kw 交流有序充電樁以4G 形式直接接人車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并同步將信息上傳至園區(qū)智慧能源管控系統(tǒng)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主站下發(fā)臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測曲線以及控制目標(biāo)曲線，結(jié)合當(dāng)前臺(tái)區(qū)信息和臺(tái)區(qū)內(nèi)各充電樁實(shí)時(shí)充電情況，對(duì)充電申請進(jìn)行充電計(jì)劃的合理編排，管理充電樁有序充電資源分配，當(dāng)超過配變安全運(yùn)行閩值時(shí)將根據(jù)既定控制策略調(diào)整充電計(jì)劃，或者中斷部分充電負(fù)荷。

(4) 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)

依據(jù)負(fù)荷校驗(yàn)數(shù)據(jù)，為滿足冬、夏季最低用電負(fù)荷，并在用能季高峰負(fù)荷時(shí)段，保障重要負(fù)荷的供電，增加項(xiàng)目的總體電力供應(yīng)，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目用冷、用熱負(fù)荷需要，經(jīng)與相關(guān)專業(yè)共同討論,確定該項(xiàng)目選用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)作為冷、熱電負(fù)荷供應(yīng)的供能設(shè)備，根據(jù)目前主流市場內(nèi)燃機(jī)各型號(hào)容量，最終確定本工程選用的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組功率為 330kW。

(5) 電氣系統(tǒng)

該項(xiàng)目電氣系統(tǒng)由原0.4kV 的4和5"母線分別引出一段新增母線，編號(hào)為6#和7"母線，對(duì)應(yīng)設(shè)置6 臺(tái)低壓配電柜。項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)、電儲(chǔ)能系統(tǒng)接人6"0.4kV 母線，三聯(lián)供系統(tǒng) 330kw 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)接入 7#0.4kV 母線。全部發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行，所發(fā)電能就地消納。新增地源熱泵、空氣源熱泵等用電設(shè)備分別接入 6#7#母線。

(6) 燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)

根據(jù)園區(qū)冷、熱、電負(fù)荷特點(diǎn)和改造后新增電負(fù)荷情況，供冷、供熱典型季節(jié)單臺(tái)變壓器母線電負(fù)荷將達(dá)到 400kW 左右，并結(jié)合市場內(nèi)燃機(jī)各型號(hào)容量，該項(xiàng)目選用單臺(tái)發(fā)電量不大于330kw 級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。根據(jù)該園區(qū)采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)和園區(qū)冷熱負(fù)荷需求情況，為了充分利用排煙及熱水余熱同時(shí)保證內(nèi)燃機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，正常供冷、供熱，需采用煙氣熱水補(bǔ)燃型化鯉機(jī)組，余熱供熱量為 359kW、供冷量為 399kw，全補(bǔ)燃供熱量為637kw、供冷量為 748kW。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和吸收式澳化鉀機(jī)組的布置均按照三聯(lián)供建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)安裝視頻環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)和降噪脫硝裝置。

該項(xiàng)目選用的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率較高，其燃料熱力的約40%用來做功發(fā)電，約 30% 通過煙氣散熱，還有約 30% 通過缸套水、中冷水及輻射熱損失。通過對(duì)煙氣和缸套水進(jìn)行余熱回收利用，三聯(lián)供系統(tǒng)綜合能源利用效率可達(dá) 80% 以上。

(7) 地源熱泵系統(tǒng)

經(jīng)前期調(diào)研，該園區(qū)周邊地塊均已建設(shè)了地源熱泵系統(tǒng)，且應(yīng)用情況良好，適合建造地源熱泵系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際勘測并考慮園區(qū)用地情況，實(shí)現(xiàn)合理布局，擬建設(shè)地源熱泵井 56 口，有效埋深150m，地源熱泵系統(tǒng)供熱負(fù)荷為 376kw，供冷負(fù)荷為444kW，滿足園區(qū)冷熱負(fù)荷需求，該項(xiàng)目可用場地較小，裝機(jī)容量受限，綜合經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場實(shí)際情況，選用螺桿式地源熱泵機(jī)組 1 臺(tái)。地源熱泵制冷工況供/回水溫度擬定為 7/13C，制熱工況下供/回水溫度為 46/40C。額定制熱功率為376kW，額定制冷功率為444kW。

(8) 空氣源熱泵系統(tǒng)

園區(qū)通過空氣源熱泵與三聯(lián)供系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)共同滿足建筑物供冷、供熱需求，并實(shí)現(xiàn)三種冷熱源互為備用。在三聯(lián)供系統(tǒng)檢修、維護(hù)等情況下，空氣源熱泵將與地源熱泵系統(tǒng)共同滿足建齡物大部分的冷、熱供應(yīng)。在園區(qū)冷熱負(fù)荷高峰時(shí)段，空氣源熱泵實(shí)現(xiàn)園區(qū)冷熱供給的靈活調(diào)峰。根據(jù)園區(qū)冷熱負(fù)荷需求、主流產(chǎn)品單機(jī)功率及機(jī)組互備要求，配置制冷/制熱功率 138/147kw 空氣源熱泵機(jī)組1臺(tái)。

(9) 水蓄能系統(tǒng)

通過建設(shè)水蓄能系統(tǒng)構(gòu)建完整的熱能源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)，降低園區(qū)能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時(shí)支撐園區(qū)能源規(guī)劃和運(yùn)行相關(guān)研究。水蓄能系統(tǒng)供冷季供/回水溫度為 7/13C，供暖季供/回水溫度為 46/40C，總蓄冷 (熱)量為 728.9kWh。該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)蓄熱溫差較小，工質(zhì)運(yùn)行參數(shù)較低，且緊鄰市政道路與居民區(qū)，因此選用高度較低的臥式閉式承壓蓄能罐，設(shè)計(jì)承壓 1.0MPa。

該項(xiàng)目蓄熱罐整體參數(shù)為直徑為 4m，總長度為 8.98m，單罐蓄水體積為104m。其中有效容積為 89m3。蓄熱系統(tǒng)采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，供回水管的管徑為 DN300，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa.經(jīng)計(jì)算，蓄熱系統(tǒng)阻力為3.6m，著熱冷熱端進(jìn)、出水總管之間的壓降小于 3m，蓄熱系統(tǒng)蓄熱罐端總阻力約為6.6m。

冬季供熱時(shí)，由地源熱泵、空氣源熱泵或燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)制取46C熱水，儲(chǔ)存在蓄水罐中，當(dāng)需要用熱時(shí)，將熱水釋放至暖通管網(wǎng)分水器對(duì)外供熱。夏季蓄冷時(shí)，制取 7C冷凍水儲(chǔ)存在蓄水罐中，當(dāng)需要用冷時(shí)，將冷水釋放至暖通管網(wǎng)分水器對(duì)外供冷。

本文通過介紹園區(qū)通過對(duì)多元能源和電氣部分的改造實(shí)現(xiàn)了“市電補(bǔ)充、削峰填谷、熱電聯(lián)產(chǎn)、多能互補(bǔ)、梯級(jí)利用、智能控制”的目標(biāo)。經(jīng)過對(duì)原有供能系統(tǒng)進(jìn)行改造后，大幅度提高了園區(qū)能源利用情況。