摘 要 針對北方某園區(qū)辦公建筑物提出了基于光伏發(fā)電、鐵-鉻液流電池儲能、熱泵冷熱雙供、水儲能等關(guān)鍵技術(shù)的冷熱電儲綜合能源系統(tǒng)方案，并對能源系統(tǒng)進(jìn)行全年逐時能耗分析和效益分析，通過編寫計算程序、優(yōu)化算法等處理方法，考慮了初投資、全年能耗、運(yùn)行成本、節(jié)能率、全生命周期成本等評價指標(biāo)，開展迭代優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明：當(dāng)儲罐體積為920 m3、熱泵臺數(shù)為14臺時，熱泵儲能耦合方案為最優(yōu)，全生命周期成本為1347.08萬元。利用鐵-鉻液流電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行儲電儲熱、水儲能系統(tǒng)儲熱儲冷，使得全年平均光伏用電占全部用電的65.3%。在冷熱能源供應(yīng)層面，儲能供應(yīng)占全部供冷供熱能量的67%以上，其中3月、9月、11月實現(xiàn)100%儲能供能。

關(guān)鍵詞 液流電池；綜合能源；儲能；效益分析

(資料圖)

儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)“3060雙碳目標(biāo)”的核心技術(shù)。根據(jù)《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書(2022年)》，2021年是我國儲能從商業(yè)化初期到規(guī)模化發(fā)展的第一年，國家明確了到2030年要實現(xiàn)30 GW儲能裝機(jī)的目標(biāo)。同時，多個省市相繼發(fā)布了儲能規(guī)劃，明確了新能源配置儲能的要求，儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級及規(guī)模化應(yīng)用走向了快車道。

綜合能源系統(tǒng)是根據(jù)用戶對電、熱、冷、氣、水、熱水等各類能源的需求，通過相關(guān)綜合供應(yīng)技術(shù)，為用戶提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多目標(biāo)優(yōu)化的能源供應(yīng)與服務(wù)，綜合能源系統(tǒng)具有多能互補(bǔ)、梯級利用、多站融合的顯著特征。其中，儲能技術(shù)是綜合能源系統(tǒng)中重要的技術(shù)抓手。

針對冷熱電聯(lián)供、儲能技術(shù)、綜合能源技術(shù)，科技工作者做了大量技術(shù)研究和工程應(yīng)用。王帥飛等運(yùn)用Matlab算法仿真，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，對可再生能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。Jiang等針對某園區(qū)對熱負(fù)荷、電負(fù)荷需求以及太陽能、風(fēng)能的規(guī)律特征，構(gòu)建了區(qū)域性電-熱能源聯(lián)合供應(yīng)模型。牛紀(jì)德等用動態(tài)評價法建立數(shù)學(xué)模型，通過優(yōu)化運(yùn)行策略提高了運(yùn)行效率。鄭新等通過配置水儲熱水箱，有效擴(kuò)大了地?zé)釂尉崮芰Γc燃?xì)忮仩t調(diào)峰方案相比，具有較好經(jīng)濟(jì)性。楊林等針對250 kW/1.5 MWh鐵-鉻液流電池示范電站進(jìn)行了案例分析和技術(shù)介紹。馬洪亭等針對太陽能-水源熱泵多能互補(bǔ)地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行實驗分析，并以室內(nèi)溫度作為評價指標(biāo)，分析了空調(diào)系統(tǒng)性能，較區(qū)域鍋爐集中供暖節(jié)能30.55%。張曉康以Tmsys軟件作為仿真平臺，建立太陽能-地源熱泵耦合供暖模型，并對聯(lián)供系統(tǒng)供暖特性進(jìn)行動態(tài)模擬。Han等研究了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)性能穩(wěn)定性，通過添加蓄能罐，使COP平衡值為3.2，最高值為5.95。王良等探究了太陽輻照度對壓縮機(jī)功率、熱泵制熱量的影響規(guī)律，得出輻照度與制熱量的線性匹配關(guān)系。周守軍等運(yùn)用R studio軟件，采用多元線性參數(shù)回歸法構(gòu)建建筑負(fù)荷預(yù)測模型，對上海市三聯(lián)供系統(tǒng)蓄能裝置運(yùn)行調(diào)節(jié)建立了負(fù)荷預(yù)測模型，具有較好節(jié)能收益。韓曉娟等通過遺傳算法優(yōu)化得到符合經(jīng)濟(jì)性的儲能系統(tǒng)最優(yōu)容量配置方案。上述研究從建模仿真、優(yōu)化算法、設(shè)計優(yōu)化、工程應(yīng)用等方面為公共建筑物綜合能源系統(tǒng)的多能源綜合利用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

本工作在上述研究的基礎(chǔ)上，針對北方某辦公園區(qū)建筑物，開展基于鐵-鉻液流電池儲能系統(tǒng)的冷熱電儲綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及分析。在考慮初投資、運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)能率以及全生命周期成本等評價指標(biāo)的前提下，通過編寫計算軟件、優(yōu)化算法等處理方法逐時分析該建筑物的綜合效益，最終確定合理的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方案，為園區(qū)公共建筑綜合能源的推廣應(yīng)用提供了理論支持與技術(shù)保障。

1 建筑物概況及負(fù)荷分析

1.1?建筑物概況

本工作研究對象為北方某辦公園區(qū)，園區(qū)整體建筑面積約3萬m2，園區(qū)主體建筑物坐北朝南，主要用于辦公、會議等。園區(qū)附近建設(shè)有自發(fā)自用光伏電站，光伏裝機(jī)規(guī)模為5 MW。為增加新能源消納利用，園區(qū)增設(shè)了一套250 kW/1.5 MWh的鐵-鉻液流電池儲能系統(tǒng)。白天通過吸收棄光，將電能存儲至電池中轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；夜晚將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，減少部分市政電消耗。

1.2?負(fù)荷分析

DeST軟件是能夠?qū)ㄖ锊膳⒖照{(diào)負(fù)荷進(jìn)行動態(tài)模擬分析的模擬軟件，該軟件集成了清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系十余年的理論成果，本次負(fù)荷計算運(yùn)用DeST軟件。結(jié)合項目所在地的相關(guān)氣象參數(shù)、建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)具體形式、相關(guān)規(guī)范選擇合適的參數(shù)，對建筑物進(jìn)行建模分析，其中空調(diào)制冷時間為6月1日至9月30日；供熱時間從11月15日到次年3月15日；夏季室內(nèi)溫度為26 ℃；冬季室內(nèi)溫度為20 ℃；人均發(fā)熱量為53 W；建筑物的窗墻比為0.4。

經(jīng)過軟件計算分析，建筑物的冷熱負(fù)荷計算結(jié)果如圖1所示，最大冷負(fù)荷為3056 kW，出現(xiàn)在8月2日，最大熱負(fù)荷為1547 kW，出現(xiàn)在1月18日。

結(jié)合辦公建筑典型日用電負(fù)荷系數(shù)以及《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施(電氣)》相關(guān)規(guī)定，擬合典型日辦公用電負(fù)荷曲線。

2 綜合能源方案設(shè)計

2.1?常規(guī)綜合能源方案

常規(guī)綜合能源方案為光伏+電采暖+冷水機(jī)組+液流儲電方案，在已有光伏、鐵-鉻液流電池儲電的基礎(chǔ)上，考慮建筑物具有冷熱電負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷需求，本方案配置常規(guī)電極鍋爐采暖、冷水機(jī)組制冷、電熱水系統(tǒng)。液流電池系統(tǒng)通過每天一次充放電，能夠?qū)崿F(xiàn)部分棄光的時空轉(zhuǎn)移，有效降低市政電負(fù)荷。

2.2?熱泵儲能耦合方案

熱泵儲能耦合方案為光伏+空氣源熱泵冷熱雙供+液流電池儲電儲熱+水儲能方案。熱泵是一種節(jié)能裝置，通過利用少量電能將低品位能源利用起來，滿足建筑物供暖制冷需求。本方案配置一定規(guī)模空氣源熱泵，利用空氣能實現(xiàn)建筑物的冷熱雙供。配置空氣源熱泵熱水器滿足熱水需求。在原有鐵-鉻液流電池系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，增設(shè)液流電池儲熱換熱單元，滿足部分熱負(fù)荷需求。與鋰電池不同，液流電池功率單元與能量單元相互獨(dú)立，功率單元為電池堆，能量單元為電解液儲罐。與全釩液流電池相比，鐵-鉻液流電池為提高其反應(yīng)活性，運(yùn)行溫度較高、溫度適應(yīng)范圍更廣。電解液儲罐除了儲存電能外，還可以利用電解液的溫差變化進(jìn)行儲熱，實現(xiàn)液流電池儲電儲熱。此外，為進(jìn)一步消納光伏，降低市政用電，本方案配置一定容量的水儲能儲罐，在白天光照充足時段利用棄光驅(qū)動熱泵機(jī)組制熱制冷，將冷熱能量進(jìn)行儲罐儲存，夜晚使用市政用電階段將冷熱能量進(jìn)行循環(huán)釋放，實現(xiàn)棄光時空轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。本綜合能源方案的工藝架構(gòu)簡圖如圖4所示。綜上，電負(fù)荷通過液流電池放電、光伏發(fā)電、市政電提供；熱負(fù)荷通過液流電池儲熱換熱、儲罐儲熱、空氣源熱泵供熱提供；冷負(fù)荷由空氣源熱泵制冷、儲罐儲冷提供。結(jié)合光伏發(fā)電曲線、不同規(guī)模的水儲能儲罐配置容量，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、多方案設(shè)計及運(yùn)行分析，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行約束，最終得到最優(yōu)方案。

3 綜合性能經(jīng)濟(jì)評價分析

3.1?運(yùn)行模式和能耗分析

3.1.1?常規(guī)綜合能源方案建模及分析

根據(jù)前述負(fù)荷分析，在一定不保證度的情況下，設(shè)計冷負(fù)荷為2000 kW(超過2000 kW僅為20 h)，設(shè)計熱負(fù)荷為1200 kW(超過1200 kW僅為26 h)。

在制熱季時，根據(jù)逐時熱負(fù)荷曲線，按照下式進(jìn)行逐時制熱能耗計算：

基于前述數(shù)學(xué)模型開展計算，得到常規(guī)綜合能源方案全年市政用電能耗為2613775.34 kWh，逐時的能耗情況如圖5所示，其中1月20日和12月26日用電負(fù)荷達(dá)到峰值，主要原因是該日室外溫度較低，光伏發(fā)電情況較弱，供熱負(fù)荷較大所致。

3.1.2?熱泵儲能耦合方案建模及分析

根據(jù)前述設(shè)計冷熱負(fù)荷，設(shè)計冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于設(shè)計熱負(fù)荷，按照設(shè)計冷負(fù)荷進(jìn)行熱泵選型。

本方案除了采用3.1.1小節(jié)中鐵-鉻液流電池儲電外，還將結(jié)合電池充放電運(yùn)行利用電解液儲罐熱量進(jìn)行儲熱放熱。鐵-鉻液流電池電堆直流側(cè)充放電轉(zhuǎn)換效率約為80%，20%損失電能在電池內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能，以熱量形式散到正負(fù)極電解液中。鐵-鉻液流電池內(nèi)部產(chǎn)熱主要體現(xiàn)在放電過程，在環(huán)境溫度一定情況下，隨著充放電運(yùn)行，在充電過程電解液溫度略有降低，在放電過程電解液溫度升高。同時，雖然在工藝管道及電解液儲罐系統(tǒng)都設(shè)置了保溫措施，但仍不可避免地造成少量熱量對環(huán)境的逸散。綜上，整體充放電過程中會造成電解液溫度升高，可將此部分熱量利用起來，鐵-鉻液流電池在運(yùn)行過程中產(chǎn)熱量按式(13)計算：

除了以上數(shù)學(xué)模型外，本方案優(yōu)化算法是通過逐時氣溫條件、逐時光伏發(fā)電情況、逐時負(fù)荷情況，結(jié)合液流電池的充放電狀態(tài)、液流電池儲熱出力情況，設(shè)定逐時水儲能儲罐供能情況，從而確定熱泵裝機(jī)容量和儲罐有效容積，進(jìn)而計算出不同熱泵裝機(jī)、不同儲罐有效容積的多種方案，最后根據(jù)運(yùn)行成本、初投資等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)確定最終方案。

經(jīng)計算，得到儲罐容積Mg分別為0 m3、800 m3、920 m3、1040 m3、1160 m3、1300 m3規(guī)格下的市政用電能耗情況，見表3，當(dāng)沒有儲罐時，僅靠液流電池進(jìn)行儲電儲熱，此時全年運(yùn)行市政用電能耗為1758402 kWh，隨著儲罐容積的逐步增大，用電能耗也逐步降低，當(dāng)儲罐容積為1300 m3時，全年運(yùn)行市政用電能耗為1321160 kWh，僅為常規(guī)方案的50%左右。圖6為在配置各規(guī)格儲罐容積情況下，2月份典型日逐時能耗曲線，從中可以看出，隨著儲罐容積的增大，市政用電負(fù)荷依次減少，用電為0的小時數(shù)也逐漸增多，在1300 m3時，由于儲罐儲能和液流電池儲熱儲電的雙重作用，全天僅有9小時使用市政用電，其他時間全部由光伏發(fā)電替代，有效增加了光伏發(fā)電的利用率，實現(xiàn)了新能源的消納提升。

3.2?經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及能效分析

3.2.1?初投資、運(yùn)行成本及節(jié)能率

結(jié)合前述各方案設(shè)備選型，常規(guī)綜合能源方案設(shè)備如前所述，熱泵儲能耦合方案有6種不同規(guī)模的儲罐參數(shù)、具有6種不同數(shù)量的熱泵機(jī)組臺數(shù)，這些均造成了各類方案的初投資差異。在不考慮公共相同部分的光伏電站初投資、鐵-鉻液流電池儲能系統(tǒng)初投資情況下，各類的初投資情況見表3。運(yùn)行成本是在運(yùn)行能耗的基礎(chǔ)上乘以市政用電電價(按照0.8元/kWh)而得。節(jié)能率是以常規(guī)方案為基準(zhǔn)，根據(jù)各方案的節(jié)約能耗占常規(guī)方案運(yùn)行能耗的比例進(jìn)行計算確定。圖7為初投資、節(jié)能率以及運(yùn)行成本的對比情況。采用熱泵方案后，全年各類用電綜合運(yùn)行成本有了較大幅降低，降低了32.7%。隨著儲罐容積的增大，初投資逐步增大，運(yùn)行成本依次降低，節(jié)能率逐步提高，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果。

3.2.2?全生命周期成本LCC

全生命周期成本LCC是一個經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，可以將生命周期內(nèi)的所有費(fèi)用進(jìn)行折現(xiàn)值求和，進(jìn)而衡量各個方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣。

3.2.3?供電供能分析

建筑物各系統(tǒng)供電來源主要是市政用電、光伏發(fā)電和鐵-鉻液流電池放電。根據(jù)前述的最優(yōu)方案情況進(jìn)行逐月的供電供能分析。圖8為最優(yōu)方案逐月用電情況，從中可知，通過配置鐵-鉻液流儲能以及水儲能儲罐，全年各月份的用電中光伏占比均超過50%，全年平均光伏占比為65.3%，6月份的用電數(shù)據(jù)中光伏占比最大，為74.2%。此外，從冷負(fù)荷、熱負(fù)荷的能源供應(yīng)角度，逐月的冷熱供能情況如圖9所示，通過鐵-鉻液流供熱以及儲罐供冷供熱，每月的儲能供能均超過了50%，其中冷熱負(fù)荷較低的月份，如3月、9月、11月，儲能供能占比100%，實現(xiàn)了全部由棄光進(jìn)行供熱供冷，最優(yōu)方案通過配置儲能，使得建筑物的冷熱電綜合能源供應(yīng)具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本工作針對北方某園區(qū)辦公建筑物提出了多種冷熱電綜合能源方案，并結(jié)合光伏、鐵-鉻液流、熱泵、水儲能等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模、優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析，具體結(jié)論如下。

（1）對辦公建筑物運(yùn)用DeST負(fù)荷計算軟件進(jìn)行負(fù)荷計算，并制定了光伏+空氣源熱泵冷熱雙供+液流電池儲電儲熱+水儲能方案、光伏+空氣源熱泵冷熱雙供+液流電池儲電儲熱+水儲能方案。

（2）提出各類關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、全年運(yùn)行能耗數(shù)學(xué)模型、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等模型，通過編寫程序優(yōu)化算法進(jìn)行計算，得出各個方案逐時能耗、初投資、設(shè)備選型等。當(dāng)儲罐體積為920 m3、熱泵臺數(shù)為14臺時，為最優(yōu)熱泵儲能耦合方案，全生命周期成本為1347.08萬元。

（3）通過配置鐵-鉻液流電池儲電儲熱、水儲罐儲熱儲冷，使得全年平均光伏用電為全部用電的65.3%。在冷熱負(fù)荷供應(yīng)層面，實現(xiàn)了儲能供應(yīng)占全部供冷熱的67%以上，實現(xiàn)了3月、9月、11月儲能供能占比100%。

符號說明

符號——符號說明

C——水的比熱容，J/(kg·℃)

CY——電解液的比熱容，J/(kg·℃)

COt——t年的成本，萬元

——循環(huán)水泵揚(yáng)程，m

i0——基準(zhǔn)折現(xiàn)率，8%

——全生命周期成本，萬元

MY——電解液可利用容積，m3

Mg——儲罐有效容積，m3

N——人數(shù)

——充電功率，kW

——放電功率，kW

——液流電池在時刻的充電功率，kW

——液流電池在時刻的放電功率，kW

——充電功率絕對值最大值，kW

——放電功率最大值，kW

——人均用水量，m3

——熱泵機(jī)組逐時制冷量，kW

——熱泵機(jī)組逐時制熱量，kW

——機(jī)組逐時制冷量，kW

——逐時熱負(fù)荷，kW

——逐時冷熱負(fù)荷，kW

——逐時室外溫度， ℃

t——系統(tǒng)使用年限，15年

——液流電池充放電時間，h

tg——儲能出力時間，h

——液流供熱時間，h

——供回水溫差， ℃

——生活熱水加熱溫差， ℃

——電池系統(tǒng)充放電運(yùn)行造成的電解液可利用溫差，℃

——儲罐設(shè)計冷熱溫差， ℃

——全年市政用電總能耗，kWh

——熱泵機(jī)組逐時制冷功率，kW

——熱泵機(jī)組逐時制熱功率，kW

——循環(huán)泵逐時能耗，kW

——液流電池充放電過程產(chǎn)熱量，kWh

——水儲能輸出冷熱功率，kW

——逐時制熱能耗，kW

——機(jī)組逐時制冷功率，kW

——逐時制冷能耗，kW

——生活熱水負(fù)荷，kW

——逐時冷熱負(fù)荷，kW

——逐時消納利用的光伏功率，kW

——液流電池在充放電過程中逸散熱量，kWh

——鐵-鉻液流電池儲能負(fù)荷，kW

——液流電池放熱功率，kW

——電極鍋爐轉(zhuǎn)換效率，98%

——循環(huán)水泵綜合效率，55%

——水的密度，kg/m3

——電解液密度，kg/m3

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