建筑天然气分布式供能系统相变蓄能调控机理与耦合关联机制研究

Building cooling, heating and power (BCHP)system is an important mode for gas application. However, because of variable demand loads and no-rated operating power equipment, the high energy efficiency of BCHP is not achieved. Phase change thermal energy storage is an important regulation method, which is of high thermal energy storage capacity and isothermal process during charging and discharging processes. It can solve the mismatch conflict for building energy supply and demand in terms of time and intensity. Under the condition of meeting user demand, phase change thermal energy storage can make power equipment approach the rated operating condition to increase the whole system energy efficiency and decrease the power, heating and cooling equipment capacities. From the point of view of inverse and non-linear problems, the theory analysis, numerical calculation and experiment research are adopted in this project. For the whole operating conditions of BCHP, the research contents include: (1) Loads characteristics of users and performance of energy supply system for BCHP with thermal energy storage in whole operating conditions; (2)System performance improvement mechanism and applicability of BCHP with thermal energy storage; (3) Optimal position of phase change thermal energy storage equipment，optimal capacity configuration, optimal thermal physical properties of phase change material，and new thermal energy storage process;(4) Optimal design/operation strategies，and correlation mechanism coupling thermal energy storage. It will increase the whole system energy efficiency and provide theory foundation and guidance for BCHP development.

建筑冷热电联供是天然气高效利用的重要方式。由于用户负荷波动与动力装置非额定工况运行，使得冷热电联产的高效性不能完全发挥出来。相变蓄能作为一种重要调控手段，具有蓄能密度高、蓄放热近似恒温的特性，可有效解决建筑物能量供需在时间和强度上不匹配的矛盾。在满足用户负荷前提下，通过相变蓄能可使动力侧接近额定工况运行，减小设备装机容量，提高整个系统节能率。本项目拟从逆向、非线性、解析角度出发，通过理论分析、数值计算和实验研究的方法，面向分布式冷热电联供系统全工况，开展（1）蓄能型建筑天然气分布式联供系统用户岛负荷特性与供能岛全工况特性研究、（2）蓄能型分布式联供系统性能改善机理及适用性研究、（3）建筑天然气分布式联供系统中最佳相变蓄能位置、蓄能容量及最佳相变蓄能介质热物性研究、（4）建筑天然气分布式联供系统中最佳设计/运行策略与相变蓄能耦合关联机制研究。为提高分布式供能系统的整体节能率提供理论依据。

以天然气为一次能源的建筑冷热电联供系统具有能源效率高、污染物排放小、供能安全、可靠性高等优点，近年来日益受到国内外学者的关注。然而，用户末端冷热电负荷的不同步性与波动性使得联供系统大部分时间处于部分负荷工况下运行，致使系统效率降低，一次能耗增加。将蓄能与联供系统相结合，可有效改善系统的变工况性能。由于的蓄能密度大的优点，将相变潜热蓄能应用于联供系统具有较高的节能潜力。然而，目前对于相变蓄能型联供系统的节能机理与及优化设计鲜有研究。本项目围绕相变蓄能型联供系统，开展了以下四个方面的研究：（1）联供系统用户岛负荷特性与供能岛全工况特性研究；（2）蓄能型联供系统性能改善机理及适用性研究；（3）联供系统中最佳相变蓄能位置、蓄能介质热物性研究；（4）蓄能型联供系统全工况运行策略研究。取得的主要研究进展与成果如下：（1）提出了负荷波动因子的概念，以定量描述用户负荷周期内的波动特性，建立了燃气轮机、吸收机、相变蓄能器的动态模型，进而导出了典型用户负荷下系统一次能耗与负荷特性、设备性能间的解析关系式；（2）根据用户需求热电比与设备供给热电比的相对关系，定义了热电供需不匹配度，进而建立了基于节能性判断的蓄能型联供系统适用性评价体系，阐释了蓄能对联供系统的“减容增效”机理；（3）建立了相变蓄能型联供系统全工况模型，并提出了基于反问题的系统优化方法。以一次能耗最小为目标，在满足用户逐时负荷的条件下，求得了典型联供系统的最佳蓄能位置、蓄能温度，并分析了其主要影响因素；（4）针对工程需求问题，在实际设备性能与城市电网效率条件下，对比分析了以热定电和以电定热两种运行模式对系统总能耗的影响，导出了最佳设备选型准则与系统运行策略的制定准则。通过本项目的研究，探明了相变蓄能对于联供系统的节能机理，阐释了蓄能型联供系统在能量转化与传递过程中的品位耦合关系，可为实际系统优化设计提供理论支撑与指导。