医院能效的升级

在本文中,首先简短地介绍卡利亚里市的 G·Brotzu(AOB)医院的热流量,然后,基于太阳能供热系统和光伏系统及热电联产和冷热电三联产设备的应用,专门针对主要设备所采取的措施进行说明。对每一种改造方案都分别作了研究,尔后与其它方案组合构成一个多能源系统,以分析技术经济可行性,来改变那些单个子系统的规模。最终,作出经济分析,进而定量确定各种改造方案的有利特征。
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        BrotzuAOB)医院的能源负荷
图2所示为 AOB 医院年能源流量的简化示意图。采用低含硫量(BTZ)的重油,作为锅炉(总功率8,694MWht)的燃料,用以冬季大楼的供暖(5,554MWht)和生产卫浴热水(2,015MWht)。剩余的份额(1,125MWht)代表设备的损耗。
输入电力为11,376MWh,是通过签订中压供电合同从电网购入的,用于向制冷中心(1,743MWhe)机组供电,以生产所有房间所需的4,629MWhf 的供冷量。余下的电力 (9,633 MWhe)用于所有其它用途,如照明、动力和各种医疗电器的供电。
基于耗热量和耗电量,采用先前发表的能源审计报告[1],获得了对所提议的设备方案的技术经济性的分析。借助大楼结构中现有的或在研究项目实施过程中全部新装的检测系统所获得的数据,可以按年(表1)、按月和按时(图3)确定能源流,并可为某一典型的运行年份重建耗热量(供暖、供冷、卫浴热水)的时间变化曲线。如前所说,因为电力购自于电网,所以根据从电力供应商统计记载的用电数据可以重画用电量时间曲线。通过对企业电价的历史分析和持续的市场调研,有可能追溯供电成本和计算中所考虑的各种能源的特点(表2)[2-5]
在下述报告的改造方案之中,鉴于撒丁岛上无天然气分配管网,故选用液化石油气供给热电联产系统。考虑到撒丁岛市场上液化石油气的交易情况频繁变化且价格变动很大,故在所有的计算中选择三种成本方案。方案1规定了按0.6€/l(8.46c€/kWh)购买液化石油气的可能性;方案2按0.7€/l(9.87c€/kWh)购买液化石油气;因液化石油气价格太高,超过或等于0.8 €/l(11.28c€/kWh),故可选择按0.98€/l(9.96c€/kWh)购买粗柴油供给热电联产。这三种方案中的所有价格均已扣除了对热电联产设备规定的税收减免。
对设备系统方案的分析
利用软件 Homer [6], Trnsys16 [7] 和 Excel 对所执行的各种设备系统的布局实施了建模和模拟。应用由美国国家可再生能源实验室(Nrel)开发的 Homer 代码,对与热电联产 – 冷热电三联产系统和太阳能光伏系统有关的各种系统方案和布置实施实时仿真模拟。另外,利用 Trnsys 并借助动态模型[8],对太阳能供热系统实施了模拟。
太阳能供热系统
为了整合卫浴热水生产所需的热能,建议采用太阳能供热系统。该系统由“低流量”型平板式太阳能集热器构成,从而供给1号缓冲水箱,由此开始二次回路,供给 AOB 医院内现有的四台锅炉。表3中列出了集热器和整个系统的主要技术经济数据。集热器设置在医院大楼的结构露台上,方向朝南,向地平面倾斜35°。
在研究中,考虑最少的安装数为150块集热器(329m2),最多的安装数为750块集热器(1,643m2)及5块中等尺寸的集热器,每隔150块集热器设置一块,通过改变所安装集热器的总面积的大小,分析设备系统的技术经济性。应用软件 Trnsys16,并利用本文作者[8]开发出来的模型对五种设备布置作了模拟。然后,在所提议的五种设备布置方案中,排除了面积最小和最大的多能源系统的设备布置方案。前者因为卫浴热水产量减少了(18%),后者因为夏季数月太阳热能产出太高,可能导致在夏日高峰时刻出现卫浴热水使用不景气问题。
太阳能光伏系统
第二个改造方案涉及利用光伏电池板发电,减少从电网购电,鼓励利用可再生能源。在所提的改造方案中,因建筑结构中可利用的露台面积较小,设想将光伏电池板安装在停车场保留区内的特制棚架上,朝南定向,向地平面倾斜35°。表4中列入了主要技术数据和设备价格(含建筑安装费用)。在该项分析中,我们考虑了意大利能源法案 V conto energia 中规定的税收优惠,故就地消费电力的优惠费率为45€/MWh。于是,根据半年应用费率进行计算,而这些计算涉及特殊安装条件(葡萄藤架、温室、棚架等),功率范围为200 ~ 1,000kW。另外,预计使用欧洲生产的元器件,故另增加10€/MWh 的激励奖励。若预计向电网售电,则不考虑实施统一的费率,装机容量只能满足生产 AOB 医院要求减少的那部分电力。
光伏设备发电量是按照假设光伏电池板的数量能够保证峰值功率等于300、400和500kWp 计算的,相应的组件面积为1,575m2、2,100m2、2,625m2
热电联产
第三个改造方案涉及分析采用热电联产的可能性,以整合 AOB 医院的热负荷、供暖和卫浴热水生产及供电。基于各种原动机技术(小型燃气轮机、内燃机)而考虑热电联产设备的各种布局,分析200kWe ~ 1,000kWe 之间不同联产规模的能效情况。根据设备制造商提供的数据[9]或通过专门文献[4],掌握应用 Homer 软件实施计算过程所必需的原动机特性曲线。表5中列出了各种热电联产设备布置的主要技术特征。在先前所述的三种成本方案的基础上,忽略任何白色证书的影响,分析高效热电联产可达到的经济性[10]
      冷热电联产
冷热电联产适用于 AOB 医院特定季节内的热负荷和电力分配。采用这种方式力求实现将部分夏季制冷负荷从用电机组(压缩式制冷机组)转移至用热机组(吸收式制冷机组),延长热电联产系统每年的运行时间,从而缩短投资回报的时间。计算书中提议采用的吸收式制冷机的类型为单作用型,假定年平均 COP 值为0.8。在该分析中,考虑了不同的机组规模,以保证供冷量满足 AOB 医院总体需求的20-40-60%。表6中列出了从文献[11]中摘录的所测试的吸收式制冷机组的技术数据及价格和管理成本。
技术经济分析
必须按以下指标评价各种改造方案的经济可持续性,而后对所实施的各种设备布置作出抉择:
–   净现值(VAN),单位:欧元(€);
–  投资回收期(PBT),单位:年;
–  内部收益率(IRR);单位:%;
– 节约金额,单位:€/年。
除了这些经济指标之外,分析中还需考虑所提议的改造方案对环境和社会的相容性,评估应避免的大气排放总量(CO2 吨数/年)和一次能源节约数(MWh/年),且最终计算需考虑电能和一次能源间的转换系数等于2.44kWhp/kWhe [2]
为实施定量评价计,计算中采用了以下参数[2,5]:
–   经济分析期限,20年;
–   通胀率, 3%;
–   衍生能源价格,4%
–  贴现率,5%。
表7中列出了已测试的经济、能源、环境的五个指标。在可能提出的方案中,热电联产的经济性最佳,而光伏设备的利润最小但投资回收期(PBT)较短。根据分析摘出的数据都列入表7,与单纯应用热电联产相比,应用冷热电联产经济上不值得,因此在随后对多能源系统的分析中排除了冷热电联产方案。
多能源系统
“多能源”这个术语是指一种能源系统,内含多种能源,包括传统能源和可再生能源,同时运行以满足用户对能源的需求。应用多能源系统能够显著地改善能源管理,只要该系统的每个单独构成部件的设计都能和其它部件完美整合,便能优化整个能源系统的总体性能。图4所示是为 AOB 医院研究的多能源系统的简单的方框图。为了满足用户的各项能源需求(卫浴热水、供暖、供冷、供电),提议采用以下系统:
–   专门生产卫浴热水的太阳能供热系统;
–   按 BT 方式整合各种电力需求的光伏系统;
–  同时生产电力和热能,直接供给或通过吸收式制冷机组间接供给所有热能需求(卫浴热水和供暖)的热电联产系统;
–   同时用作辅助系统和整合手段的医院建筑结构中现有的锅炉和制冷机组。
图4所示的设备布置的特点是较为复杂,仅供参考,而可基于对可实施的各种技术选项的经济分析进行简化。因此,模拟可获得的所有可能的组合方案,评估几项经济参数(譬如,VAN 和年节约金额),使得 PBT 少于9年,IRR 高于10%。
鉴于以上解释,将冷热电联产模式从多能源系统中撤除。余下可能的布置组合共有144种,可以根据不同类型和不同规模的热电联产机组与太阳能供热设备和光伏设备(表8)配对。所有这些设备布置组合均遵照前述的3种成本方案作了研究。
技术经济分析结果
如图5所示,依照对被模拟的所有设备布置方案的分析,选择了多能源系统。就成本方案1和2来说,涉及使用由450块太阳能集热器(986m2)构成的太阳能供热系统和以液化石油气为燃料的微型燃气轮机构成的总功率800 kWe 的热电联产系统。对于成本方案3,则以采用粗柴油为燃料的1,000 kW 功率的内燃机取代微型燃气轮机。从所采用的系统中排除冷热电联产系统和光伏系统,因为有利的地方很少。表9和表10归纳了这三种成本方案所能获得的结果。
结语
基于从先前能源审计中摘录的消耗数据,有可能评估以优化卡利亚里市的 G•Brotzu(AOB)医院的能源供应和管理为目的而提出各种改造方案的可行性。借助能源模拟软件,分析了不同类型和不同规模的太阳能供热系统和光伏系统、热电联产系统和冷热电联产系统,模拟了实时运行状况,取得了一年之中每日热能负荷和电力负荷的曲线。
适合的方式既基于对所提议设备的单独研究。也基于对多能源系统方案的研究,目的是使所提议的各种技术能够协同贡献于满足用户的各种负荷需求。展开了多种成本方案的分析,并根据热电联产可得燃料的价格变动,评估各种系统的技术经济性。在分析结束时,根据所用的指标选择与成本方案相应的设备布置,使得能够确保最大的经济回报,同时保证获得显著的环境利好,减少大气排放,节约一次能源。
所获得的结果证实了利用热电联产份和太阳能供热的经济可行性。相反,冷热电联产系统和太阳能光伏系统却没有这样的优势;首先,因为经济上的节约程度比不上热电联产,其次是投资回报期太长。应用由太阳能供热系统和热电联产系统整合一起的多能源系统能够优化 VAN, 即便因初期投资较大而致使PBT期限较长,而且会明显降低一次能源消耗和大气排放。尽管该系统的特点是设备整合的技术复杂性超过单台独立设备,但是,总而言之,该改造方案的经济效益和环境效益使之适用于本分析针对的AOB医院研究案例。

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