摘 要: 調(diào)控絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)(adiabatic compressed air energy storage system，A-CAES)的冷熱電產(chǎn)出以匹配供應(yīng)對象隨季節(jié)不斷變化的負荷，對絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有重要促進作用。本文構(gòu)建了絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的仿真模型，模擬系統(tǒng)充釋能過程以探究系統(tǒng)的冷熱電輸出特性；分析了一個典型生活小區(qū)在不同季節(jié)的冷熱電負荷變化；并將系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出與小區(qū)住戶冷熱電需求負荷進行匹配，得到二者之間的匹配性能；最后通過經(jīng)濟性分析對比了常規(guī)供能小區(qū)與由A-CAES系統(tǒng)提供冷熱電的新型小區(qū)的供能成本。模擬結(jié)果表明：住戶冷熱量負荷在不同季節(jié)差異明顯，而電力負荷差異較小。冷凍水流量對冷熱電量產(chǎn)出影響較小，應(yīng)取最低值以提高冷水品質(zhì)。釋能階段膨脹機前預(yù)熱熱水流量可大幅改變冷熱電輸出。通過匹配系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出特性與小區(qū)負荷可得到夏季、春秋季和冬季的最佳預(yù)熱熱水流量為3.9、3.9和1.6 kg/s，夏季采用較高的熱水流量使產(chǎn)電量最大化為宜。經(jīng)濟性分析發(fā)現(xiàn)由A-CAES系統(tǒng)供能的小區(qū)比常規(guī)供能小區(qū)年供能成本降低了23.1%，年供能成本節(jié)省156萬元，結(jié)合設(shè)備成本可得該系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期為15.6年。
關(guān)鍵詞:
絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)；變負荷；冷熱電三聯(lián)產(chǎn)
隨著社會經(jīng)濟增長和可再生能源技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了電網(wǎng)負荷供應(yīng)波動大、晝夜電力需求不均的問題，而儲能技術(shù)能夠提供解決方案。電力儲能系統(tǒng)按照技術(shù)可分為機械儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、電磁儲能和電化學(xué)儲能等。其中，壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)系統(tǒng)具有高效、無地形限制、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，在儲能領(lǐng)域有著極其廣闊的發(fā)展前景。
按照壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱源分類，可分為燃燒燃料的壓縮空氣儲能系統(tǒng)、帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)以及無氣體預(yù)熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。而絕熱壓縮空氣儲能(adiabatic compressed air energy storage，A-CAES)系統(tǒng)作為帶儲熱的系統(tǒng)中的一類，比燃燒燃料類系統(tǒng)經(jīng)濟性更好，比無氣體預(yù)熱的系統(tǒng)能量密度與效率更高。
針對絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量運行模式及系統(tǒng)優(yōu)化研究。劉明義等基于相同的基本配置，比較了絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)、燃燒燃料的CAES系統(tǒng)以及帶煙氣回?zé)岬腃AES系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，模擬結(jié)果顯示A-CAES系統(tǒng)效率為63.17%，而前兩類系統(tǒng)均不超過50%。韓中合等比較了A-CAES系統(tǒng)內(nèi)壓縮機與膨脹機均定壓運行以及壓縮機與膨脹機均滑壓運行的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)雙滑壓運行方式比雙定壓運行方式的?效率更高，?流密度也更大。何青等提出了變壓比的A-CAES系統(tǒng)，隨著儲罐壓力的下降，逐漸減少膨脹機串聯(lián)的級數(shù)，通過串并聯(lián)的方式來實現(xiàn)變壓比的分級膨脹。劉嘉豪等提出采用噴嘴配氣的方式改變膨脹機流量，研究結(jié)果表明，噴嘴配氣相比節(jié)流配氣功率可提高11.2%，總效率最大可提升9.4%。
除了能用于抵消電網(wǎng)負荷波動，以及儲存可再生能源產(chǎn)出的多余電力，絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)也可用于冷熱電三聯(lián)產(chǎn)。張遠等構(gòu)建了A-CAES技術(shù)應(yīng)用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)模型，分析了冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型和功輸出模型的能量輸出特性，研究表明冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型最高能量利用系數(shù)為182.3%，最高?效率為77.7%，而功輸出模型最高能量利用系數(shù)與?效率相等，均為72.4%。Liu等對傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)做了改進，僅在第1級膨脹機前采用熱水預(yù)熱氣體，第2級膨脹機前不再預(yù)熱，并回收第1級膨脹機尾氣中的低品質(zhì)熱量以預(yù)熱膨脹前氣體，改進系統(tǒng)的末級膨脹機后氣體可提供冷量，系統(tǒng)?效率提升了3%。
在實際應(yīng)用中，冷熱電聯(lián)產(chǎn)的絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)需要根據(jù)負荷的變化來調(diào)節(jié)電能輸出功率、冷量以及熱量。宋權(quán)斌等將一個以小型燃氣輪機為基礎(chǔ)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與壓縮空氣儲能系統(tǒng)耦合，通過改變?nèi)細夤┙o用戶、吸收式制冷設(shè)備和壓縮空氣儲能系統(tǒng)的比例來調(diào)節(jié)冷熱電產(chǎn)出量，結(jié)果顯示耦合系統(tǒng)供能成本比耦合前的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供能成本最高可降低28.7%。Wang等提出當(dāng)膨脹機處于部分載荷工況時降低轉(zhuǎn)速可以提高部分載荷工況的膨脹機效率，文中給出了當(dāng)膨脹機輸出功率低于額定功率時應(yīng)當(dāng)采取的一系列最佳轉(zhuǎn)速，匹配最佳轉(zhuǎn)速后膨脹機等熵效率相較于額定轉(zhuǎn)速模式更高。He等分析了充能階段壓縮機級間換熱器冷卻水流量對冷熱電產(chǎn)出的影響，結(jié)果顯示，改變冷卻水流量可大幅調(diào)節(jié)冷熱電產(chǎn)出，對電量產(chǎn)出也具有一定影響。
居民生活小區(qū)是對冷熱電均有需求的典型供能對象。張鐵峰等調(diào)研了小區(qū)單個住戶的各類電器的用電特性，并以此建立家庭住戶工作日用電的負荷模型，模型顯示：住戶的工作日用電特性為早晚為用電峰值，夜晚與工作時段為用電低谷?？照{(diào)用電不同時段差異明顯。王連國調(diào)研了山東某住宅小區(qū)的供熱特性，給出了住房單位面積的熱負荷實時變化模型，模型顯示，住宅熱負荷在夜間為谷值，在早晨為峰值，其余時段為平值。朱仁洪等調(diào)研了不同面積的住宅在工作日與非工作日的實時冷量負荷，結(jié)果顯示，無論是否為工作日，住戶冷量負荷特征均為夜間和傍晚負荷大，白天負荷較小，但非工作日白天冷負荷高于工作日的冷負荷。
綜上所述，當(dāng)前壓縮空氣儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的研究多關(guān)注于系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)產(chǎn)出的調(diào)節(jié)，而針對系統(tǒng)負荷端的變化分析以及壓縮空氣儲能系統(tǒng)在典型負荷需求下的冷熱電輸出特性、系統(tǒng)輸出與負荷匹配等方面的研究不多。據(jù)此，本文構(gòu)建了絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的仿真模型，模擬系統(tǒng)充釋能過程，分析冷凍水流量與預(yù)熱熱水流量對系統(tǒng)的冷熱電輸出特性的影響；分析了一個典型生活小區(qū)在不同季節(jié)的冷熱電負荷變化；將系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出與小區(qū)住戶冷熱電需求負荷進行匹配以獲取滿足負荷需求的系統(tǒng)運行參數(shù)；最后通過經(jīng)濟性分析將常規(guī)供能小區(qū)的供能成本與由A-CAES系統(tǒng)提供冷熱電的新型小區(qū)的供能成本進行了對比。本工作對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有一定的參考價值。
1 絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)描述
本工作研究的絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)由多級離心壓縮機、多級透平膨脹機、換熱器、儲罐、壓縮機組后的節(jié)流閥、膨脹機組前的節(jié)流閥等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為4級壓縮、3級膨脹，使用節(jié)流閥保證壓縮機和膨脹機都始終運行在固定的壓比下，即定壓運行模式。系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)為：氣體儲罐容積為5000 m3，儲罐內(nèi)最高壓力為10 MPa，最低壓力為4.588 MPa，壓縮機額定壓比為3.15，額定氣體質(zhì)量流量10 kg/s，膨脹機額定壓比為3.18，額定氣體質(zhì)量流量10 kg/s，膨脹階段氣體預(yù)熱熱水流量為1.6～4.144 kg/s。在上述系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)的基礎(chǔ)上進行模擬，得到系統(tǒng)運行特性參數(shù)為：充能時長為8 h，充能階段壓縮機組功率為5.64 MW，釋能時長為7.2～7.7 h，釋能階段膨脹機組功率為2.96～3.15 MW，系統(tǒng)除了可充釋電能以外，還可向外界提供冷熱量，根據(jù)設(shè)定的水流量，確定熱水循環(huán)產(chǎn)出的熱水溫度為416 K，冷水循環(huán)產(chǎn)出的冷水溫度為278 K。系統(tǒng)如圖1所示，主要的運行參數(shù)見表1，表1前半部分至膨脹機前節(jié)流壓力的參數(shù)為系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)，熱循環(huán)蓄熱溫度及以后的參數(shù)為系統(tǒng)運行特性參數(shù)。
圖1 絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)
表1 絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)運行參數(shù)
本文采用如下一些運行設(shè)定及假設(shè)：①系統(tǒng)使用了5個儲罐，分別為儲存壓縮氣體的儲氣罐、儲存壓縮階段產(chǎn)熱的熱水保溫水罐、儲存膨脹階段產(chǎn)冷的冷水保溫水罐以及分別供完冷熱之后的回收水罐；②系統(tǒng)產(chǎn)熱一部分用于釋能階段預(yù)熱膨脹氣體，其余全部供給用戶，系統(tǒng)產(chǎn)冷全部供給用戶，充當(dāng)儲熱與儲冷介質(zhì)的水每次循環(huán)時的初始溫度為環(huán)境溫度；③不同級數(shù)的壓縮機壓縮比相同，膨脹機也是如此。
2 儲能系統(tǒng)與經(jīng)濟性模型
2.1 壓縮機模型
壓縮機消耗電能，其功耗計算式如下
式中，Wc為壓縮機功率；mc為氣體質(zhì)量流量；hc,in為入口氣體焓值；hc,out為出口氣體焓值。本文參考了Zhang等[15]提出的估算離心壓縮機和軸流壓縮機非設(shè)計性能的計算式，以修正非設(shè)計工況下壓縮機的運行結(jié)果。
2.2 膨脹機模型
氣體進入膨脹機膨脹釋能，膨脹機輸出功率計算式如下
式中，We為膨脹機輸出功率；me為氣體質(zhì)量流量；he,in為入口氣體焓值；he,out為出口氣體焓值。考慮到膨脹機的非設(shè)計工況運行，本文使用了Wang等提出的膨脹機特征圖用于擬合模型。
2.3 換熱器模型
所有換熱器均為逆流換熱器，采用ε-NTU法建模。換熱量計算式如下
式中，Q為換熱量；ma為氣體流量；mw為用于換熱的水流量；ha,in、ha,out、hw,in、hw,out分別為氣體進出口焓值，水進出口焓值。與氣體換熱后的水進入儲水罐內(nèi)，不斷混合，最終水溫計算式如下
式中，hmix為儲罐內(nèi)水單位質(zhì)量焓值；mi為模擬過程單次積分時間(20 s)內(nèi)水質(zhì)量流量；hi為該段時間內(nèi)通過吸收壓縮熱產(chǎn)出熱水的單位質(zhì)量焓值。通過水的單位質(zhì)量焓值和壓力可使用狀態(tài)方程計算出儲罐內(nèi)熱水的最終溫度。
2.4 氣體儲罐模型
采用質(zhì)量方程和能量方程建立了儲罐的動力學(xué)模型，儲罐內(nèi)氣體質(zhì)量和內(nèi)能變化計算式如下
式中，Mst為儲罐內(nèi)氣體質(zhì)量；ust為氣體單位質(zhì)量內(nèi)能；mst,in為進入儲罐的氣體流量；mst,out為出儲罐的氣體流量；hst,in為入儲罐的氣體焓值；hst,out為出儲罐的氣體焓值；Ken,st為儲罐和環(huán)境的傳熱系數(shù)；Ast為儲罐和環(huán)境換熱的表面積；Tst與Ten為儲罐溫度和環(huán)境溫度。
2.5 節(jié)流閥模型
氣體通過節(jié)流閥的過程為等焓過程，式中hin和hout為進出節(jié)流閥的氣體焓值。
2.6 經(jīng)濟性參數(shù)模型
該系統(tǒng)成本分兩部分：運行成本即壓縮機耗電電費和系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備成本。收益則來自三部分：膨脹機產(chǎn)電的電費，壓縮階段產(chǎn)熱的熱量價值以及膨脹階段產(chǎn)冷的冷量價值。系統(tǒng)年總利潤(ATP)計算式如下
值得注意的是，壓縮過程產(chǎn)熱部分用于釋能階段預(yù)熱膨脹空氣不計入熱量價值，供給用戶的熱量才計入熱量價值中。式中，Qheat為壓縮熱量；Qcool為冷量；Qpreheat為預(yù)熱氣體熱量；Cpeak為峰值電價；Cvalley為谷值電價；Cheat為參考中小型燃煤鍋爐的熱量價格；Ccool為冷量價格，該價格為結(jié)合空調(diào)實時用電價格以及假定空調(diào)能效比為3.2計算而得。這些能量價格分別為225.97元/GJ、97.64元/GJ、43.76元/GJ、29.233元/GJ。峰谷電價的運行時段見表2。
表2 峰谷電價運行時段
設(shè)備總成本(TIC)計算式如下
式中，IC為系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的成本，成本計算式見表3，由于水循環(huán)的設(shè)備成本較低，因此本文僅考慮壓縮機、膨脹機、儲罐以及換熱器的成本，其他費用如安裝費用、工程建設(shè)費用、預(yù)備費等按照系統(tǒng)設(shè)備總費用的20%估算。
表3 系統(tǒng)設(shè)備費用計算式
最終給出系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期(SPP)計算式如下
3 冷熱電供應(yīng)對象負荷特性分析
本文中冷熱電供應(yīng)對象為一個含660戶住戶的小區(qū)。假定每戶人口數(shù)為3人，住宅面積為100 m2。住宅電力負荷特性在夏季和非夏季的區(qū)別在于夏季有空調(diào)用電，夏季與非夏季電負荷變化趨勢類似，早晨與凌晨前晚上為用電高峰，而凌晨后至清晨以及10:00—17:00點的工作時段為用電低谷，為典型的工作日用電規(guī)律；住戶冷負荷只存在于夏季，由空調(diào)用電按照空調(diào)能效比計算得到；住宅熱負荷分冬季的供暖熱負荷和四季的日常用熱水的熱負荷，因此冬季熱負荷大于其他季節(jié)的熱負荷。
圖2為一戶住宅單日用電負荷的簡化模型，柱狀圖中綠色部分為空調(diào)用電，黃色部分為除空調(diào)以外的電器用電，假定夏季與非夏季用電特性的區(qū)別僅在于是否有空調(diào)用電，則黃色部分為非夏季住戶的用電功率變化，而疊加后的柱狀圖為夏季住戶的用電功率變化。小區(qū)的冷量需求是根據(jù)空調(diào)用電反推而得：根據(jù)圖2給出的空調(diào)用電需求，并假定空調(diào)能效比為3.2，可得住宅單日冷量需求為0.15 GJ。小區(qū)熱量供應(yīng)分為2個部分：冬季供暖和全季節(jié)恒定供生活熱水。冬季供暖熱量為一戶單日消耗0.2592 GJ。全季節(jié)單人單日恒定熱水供應(yīng)為50 L，溫度為50 ℃，假設(shè)該熱水加熱前溫度為環(huán)境溫度即300 K，供熱前后熱水溫差較小，取平均定壓比熱容為4.181 kJ/(kg·K)，則單人單日熱量負荷為0.00475 GJ，假定一戶3人，則一戶單日消耗熱水的熱量為0.01425 GJ。圖3為住宅單日熱量負荷模型，圖中橙色部分為固定的熱水需求，綠色部分為實時供暖負荷，冬季單日熱量負荷為兩者之和即0.273 GJ，非冬季只有熱水的熱負荷為0.01425 GJ。整合上述單一負荷的模型，可得整個小區(qū)的不同季節(jié)的冷熱電負荷分時變化如圖4所示，圖中用電負荷未區(qū)分夏季與非夏季，這是因為空調(diào)耗電已經(jīng)換算為冷量負荷，不應(yīng)再納入電力負荷部分。
圖2 住宅單日用電負荷
圖3 住宅單日熱量負荷
圖4 小區(qū)冷熱電負荷分時變化
綜上所述，住宅小區(qū)的冷熱電負荷需求特征可總結(jié)為：全季節(jié)電力負荷特性一致；只有夏季有冷量需求；冬季熱量負荷遠遠大于其他季節(jié)的熱量負荷。
4 系統(tǒng)冷熱電輸出特性
小區(qū)住戶不同季節(jié)冷熱負荷的差異對系統(tǒng)冷熱量產(chǎn)出的調(diào)節(jié)范圍提出了要求，需尋找能夠大幅改變冷熱量產(chǎn)出的系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)。
本文研究的調(diào)控參數(shù)共兩個：釋能階段預(yù)熱熱水流量和釋能階段冷凍水流量。冷凍水為膨脹機和節(jié)流閥后的換熱器中的換熱介質(zhì)，用于吸收膨脹機和節(jié)流閥產(chǎn)生的冷量。預(yù)熱熱水為充能階段冷水吸收壓縮熱后的產(chǎn)物，通入膨脹機前的換熱器中用于預(yù)熱膨脹前氣體，預(yù)熱熱水流量決定了進入膨脹機前氣體的溫度，對于系統(tǒng)冷熱電的產(chǎn)出有著極其重要的影響。
圖5為不同冷凍水流量下的冷熱電量產(chǎn)出和冷凍水溫度，所有工況點下預(yù)熱熱水流量均為1.6 kg/s以保證冷量產(chǎn)出最大化且膨脹后氣體與冷凍水換熱不會導(dǎo)致冷凍水結(jié)冰。隨著冷凍水流量從2.5 kg/s升至5.0 kg/s，冷凍水溫度從278 K升至288 K，冷量從23.5 GJ升至25.5 GJ，電量產(chǎn)出和熱量產(chǎn)出基本不變化。可見冷凍水流量對冷熱電產(chǎn)出的調(diào)控能力極低，但對冷凍水的品質(zhì)有著重要影響，可選用2.5 kg/s使冷凍水溫度最低。
圖5 不同冷凍水流量下的冷熱電量產(chǎn)出和冷凍水溫度
圖6為不同熱水流量下的冷熱電產(chǎn)出，所有工況點冷凍水流量均為2.5 kg/s。隨著熱水流量從1.6 kg/s升至4.144 kg/s，熱量產(chǎn)出和冷量產(chǎn)出均呈現(xiàn)下降趨勢，而電量產(chǎn)出呈現(xiàn)上升趨勢。熱量產(chǎn)出范圍為0～107 GJ，冷量產(chǎn)出范圍為0～23.5 GJ，電量產(chǎn)出范圍為76.87～87.61 GJ。熱量產(chǎn)出下降的原因是供給用戶的熱量是充能階段產(chǎn)熱減去釋能階段預(yù)熱量，因此預(yù)熱熱水流量越大，供給用戶的熱量呈現(xiàn)線性下降趨勢。冷量產(chǎn)出下降的原因是隨著熱水流量的增加，氣體預(yù)熱充分，通過膨脹機后溫度也隨時上升，當(dāng)熱水流量為2.4 kg/s時，產(chǎn)出冷量為0，說明此時膨脹機后氣體溫度已經(jīng)超過環(huán)境溫度。電量產(chǎn)出上升的原因是隨著預(yù)熱熱水流量的上升，膨脹機前氣體預(yù)熱更充分，但熱水流量在升至3.0 kg/s后膨脹機電產(chǎn)出基本不再提升，這說明此時即使進一步提升熱水流量，空氣預(yù)熱后的溫度也不再上升，電量產(chǎn)出基本達到最大值。
圖6 不同預(yù)熱熱水流量下的冷熱電量產(chǎn)出
為進一步解釋冷熱電產(chǎn)量隨預(yù)熱熱水流量的變化規(guī)律，圖7給出了系統(tǒng)在不同預(yù)熱熱水流量下的充能階段和釋能階段的功率以及時長。壓縮機組功率恒定為5.64 MW，充能時長恒定為8 h，因為自變量僅影響釋能階段氣體的溫度，對充能階段無影響。隨著預(yù)熱熱水流量自1.6 kg/s升至4.144 kg/s，釋能階段膨脹機組功率自2.96 MW升至3.15 MW，而釋能階段的時長自7.2 h上升至7.7 h。釋能時長上升的原因是氣體溫度上升導(dǎo)致密度下降，隨之氣體質(zhì)量流量下降，釋能時間延長。氣體溫度上升的過程中，氣體通過膨脹機的焓變增大，且氣溫更接近膨脹機額定工作溫度，膨脹機輸出功率上升。釋能時間與膨脹機功率均上升，因此輸出的總電量上升。隨著釋能時長的上升以及本身預(yù)熱熱水流量的上升，用于供給用戶的熱量即呈現(xiàn)下降趨勢。冷凍水溫度隨著氣體溫度的上升而下降，冷凍水溫度是決定冷量大小的主要因素，釋能時長的小幅度增長對冷量產(chǎn)出影響不大。
圖7 不同預(yù)熱熱水流量下的充釋能功率和時長
5 儲能系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與負荷匹配特性與經(jīng)濟性
在獲得了系統(tǒng)冷熱電輸出特性與住戶單日冷熱電的負荷后，需將兩者進行匹配，給出滿足住戶小區(qū)不同季節(jié)冷熱電負荷的釋能階段預(yù)熱熱水流量。
關(guān)于壓縮空氣儲能系統(tǒng)向小區(qū)供應(yīng)冷熱電量的方式本文提出以下3點假設(shè)：①冷熱電量供應(yīng)小區(qū)的過程無損耗；②系統(tǒng)充釋能時段參考峰谷電價運行時段，系統(tǒng)充能時段為谷值電價時段，為23:00至次日7:00，系統(tǒng)釋能時段為峰值電價時段，為7:00—11:00和19:00—23:00；③若膨脹機輸出功率大于小區(qū)需求，則多余電力入網(wǎng)，按峰值電價計算收益。對于產(chǎn)出的多余熱量與冷量則棄用，不計入收益。
由圖4的小區(qū)冷熱電負荷分時變化可得660戶的小區(qū)單日冷負荷為98.8 GJ；冬季單日熱負荷為180.5 GJ，非冬季單日熱負荷為9.4 GJ；全季節(jié)單日電負荷為57.74 GJ。由系統(tǒng)輸出特性圖6可知，所有工況點電量產(chǎn)出均大于57.74 GJ，現(xiàn)需根據(jù)不同季節(jié)的單日冷熱負荷，匹配滿足冷熱負荷的膨脹機前預(yù)熱換熱器的熱水流量，預(yù)熱熱水流量的選取原則為：在滿足冷熱需求的前提下，盡可能提高電量產(chǎn)出以實現(xiàn)收益最大化。
圖8為系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與小區(qū)負荷匹配圖，以春季為例說明匹配過程，在冷熱電產(chǎn)出特性圖上做出熱量負荷線，與熱量產(chǎn)出特性線交點橫坐標(biāo)為3.9 kg/s，由于冷熱產(chǎn)出隨著熱水流量的增加而降低，因此選取冷熱負荷線與產(chǎn)出線交點左端的工況點才滿足冷熱需求，但電力產(chǎn)出隨著熱水流量的增加而增加，因此需在滿足冷熱負荷的前提下選取最右側(cè)的工況點以實現(xiàn)電量產(chǎn)出最大化，最終選取3.9 kg/s作為春季預(yù)熱熱水流量。夏季與冬季采用與上述類似的匹配方法，冬季熱量負荷為180.5 GJ，超出了系統(tǒng)輸出熱量范圍，因此選取1.6 kg/s使熱量產(chǎn)出最大化為107 GJ，剩余熱負荷由鍋爐補充。夏季冷量負荷為98.8 GJ，也超出了系統(tǒng)輸出冷量范圍，因此選取1.6 kg/s使冷量產(chǎn)出最大化為23.5 GJ，剩余冷負荷由空調(diào)補充，熱量負荷為9.4 GJ，而此時產(chǎn)出為107 GJ，也滿足需求。綜上，滿足系統(tǒng)夏季、冬季以及春秋季冷熱負荷的最佳預(yù)熱熱水流量分別為1.6、1.6和3.9 kg/s。
圖8 系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供與小區(qū)負荷匹配
本文比較了常規(guī)供能小區(qū)與由A-CAES系統(tǒng)提供冷熱電的新型小區(qū)的供能成本。常規(guī)供能小區(qū)由燃煤鍋爐供熱，空調(diào)供冷，電網(wǎng)實時供電；新型小區(qū)與A-CAES系統(tǒng)視為整體，冷熱量不足部分由空調(diào)及鍋爐補充，電網(wǎng)供電，若A-CAES系統(tǒng)產(chǎn)出的電量大于小區(qū)需求則送入電網(wǎng)，按照峰值電價計算收益。表4為常規(guī)供能小區(qū)與新型小區(qū)供能成本對比，由表可見耦合了A-CAES系統(tǒng)后的小區(qū)在冬季、春秋季節(jié)和夏季相較于常規(guī)供能小區(qū)分別節(jié)省了21.7%、25.8%和13.3%的供能成本，夏季節(jié)省成本明顯低于其他季節(jié)。通過比較新型小區(qū)春秋季節(jié)和夏季成本后發(fā)現(xiàn)，夏季的冷量成本比春秋季單日降低了1000元，而夏季的電量成本比春秋季高出2200元，兩者熱量成本均為0，可見夏季為產(chǎn)出成本為1000元的冷量而損失了成本為2200元的電量，系統(tǒng)自產(chǎn)冷量的模式經(jīng)濟性差。若夏季也采用3.9 kg/s的預(yù)熱熱水流量以產(chǎn)出最大電量，而冷量全部由空調(diào)供應(yīng)，則夏季節(jié)省成本比例為20.4%，高于1.6 kg/s的節(jié)省成本比例13.3%。在這一運行策略下，整合CAES系統(tǒng)的小區(qū)年供能成本可節(jié)省156萬元，所節(jié)省的年供能成本即為系統(tǒng)年總利潤（ATP），結(jié)合表5所示的系統(tǒng)各部件成本，可得靜態(tài)投資回收期（SPP）為15.6年。
表4 常規(guī)供能小區(qū)與新型小區(qū)供能成本對比
表5 系統(tǒng)各部件成本
6 結(jié) 論
（1）住宅小區(qū)的冷熱電負荷需求特征可總結(jié)為：電力負荷方面，夏季與非夏季的用電特性區(qū)別為是否使用空調(diào)，當(dāng)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)承擔(dān)全部冷量后，全季節(jié)電力負荷特性一致。冷量負荷方面，只有夏季有冷量需求；熱量負荷方面，冬季熱量負荷遠遠大于其他季節(jié)的熱量負荷。
（2）為滿足不同季節(jié)的負荷需求，尤其是季節(jié)差距較大的冷熱負荷，本文探究了兩個系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)：預(yù)熱熱水流量和冷凍水流量。其中，預(yù)熱熱水流量能有效調(diào)控系統(tǒng)單日冷熱量的產(chǎn)出，對電量產(chǎn)出也有一定影響。而冷凍水流量基本只影響冷水品質(zhì)，因此建議選取定值2.5 kg/s使冷凍水品質(zhì)更高。
（3）匹配系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出與小區(qū)負荷，即在盡可能滿足冷熱負荷的條件下選取電量產(chǎn)出最大化的運行參數(shù)，得到夏季、冬季以及春秋季的預(yù)熱熱水流量分別為1.6、1.6和3.9 kg/s。但在后續(xù)經(jīng)濟性分析中發(fā)現(xiàn)夏季采用3.9 kg/s的熱水流量，而冷量負荷全部由空調(diào)承擔(dān)的模式節(jié)省成本比例為20.4%，高于1.6 kg/s工況的13.3%，因此夏季采用較高的熱水流量使產(chǎn)電量最大化為宜。
（4）比較了常規(guī)供能小區(qū)與由A-CAES系統(tǒng)供能的新型小區(qū)的供能成本，發(fā)現(xiàn)新型小區(qū)相較于常規(guī)供能小區(qū)在冬季、春秋和夏季分別可節(jié)省21.7%、25.8%和20.4%的單日供能成本。年供能成本可節(jié)省156萬，系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期為15.6年。
第一作者：夏琦（1999—），男，碩士研究生，研究方向為壓縮空氣儲能系統(tǒng)優(yōu)化，E-mail：xiaqi19991104@stu.xjtu.edu.cn
第一作者：鄧建強，教授，研究方向為壓縮空氣儲能技術(shù)，高效化工機械與設(shè)備，制冷與熱泵技術(shù)及其應(yīng)用，E-mail：dengjq@xjtu.edu.cn。
