液流電池冷熱電儲綜合能源系統優化設計

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

關鍵詞 液流電池；綜合能源；儲能；效益分析

(資料圖)

儲能是構建新型電力系統的關鍵環節，是實現“3060雙碳目標”的核心技術。根據《儲能產業研究白皮書(2022年)》，2021年是我國儲能從商業化初期到規?；l展的第一年，國家明確了到2030年要實現30 GW儲能裝機的目標。同時，多個省市相繼發布了儲能規劃，明確了新能源配置儲能的要求，儲能技術產業升級及規?；瘧米呦蛄丝燔嚨?。

綜合能源系統是根據用戶對電、熱、冷、氣、水、熱水等各類能源的需求，通過相關綜合供應技術，為用戶提供安全、可靠、經濟、環保等多目標優化的能源供應與服務，綜合能源系統具有多能互補、梯級利用、多站融合的顯著特征。其中，儲能技術是綜合能源系統中重要的技術抓手。

針對冷熱電聯供、儲能技術、綜合能源技術，科技工作者做了大量技術研究和工程應用。王帥飛等運用Matlab算法仿真，以經濟性為目標，對可再生能源的冷熱電聯供系統進行優化。Jiang等針對某園區對熱負荷、電負荷需求以及太陽能、風能的規律特征，構建了區域性電-熱能源聯合供應模型。牛紀德等用動態評價法建立數學模型，通過優化運行策略提高了運行效率。鄭新等通過配置水儲熱水箱，有效擴大了地熱單井供熱能力，與燃氣鍋爐調峰方案相比，具有較好經濟性。楊林等針對250 kW/1.5 MWh鐵-鉻液流電池示范電站進行了案例分析和技術介紹。馬洪亭等針對太陽能-水源熱泵多能互補地板輻射供暖系統進行實驗分析，并以室內溫度作為評價指標，分析了空調系統性能，較區域鍋爐集中供暖節能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，并對聯供系統供暖特性進行動態模擬。Han等研究了太陽能輔助地源熱泵系統性能穩定性，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功率、熱泵制熱量的影響規律，得出輻照度與制熱量的線性匹配關系。周守軍等運用R studio軟件，采用多元線性參數回歸法構建建筑負荷預測模型，對上海市三聯供系統蓄能裝置運行調節建立了負荷預測模型，具有較好節能收益。韓曉娟等通過遺傳算法優化得到符合經濟性的儲能系統最優容量配置方案。上述研究從建模仿真、優化算法、設計優化、工程應用等方面為公共建筑物綜合能源系統的多能源綜合利用提供了堅實的技術基礎。

本工作在上述研究的基礎上，針對北方某辦公園區建筑物，開展基于鐵-鉻液流電池儲能系統的冷熱電儲綜合能源系統優化設計及分析。在考慮初投資、運行費用、節能率以及全生命周期成本等評價指標的前提下，通過編寫計算軟件、優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優化方案，為園區公共建筑綜合能源的推廣應用提供了理論支持與技術保障。

1 建筑物概況及負荷分析

1.1?建筑物概況

本工作研究對象為北方某辦公園區，園區整體建筑面積約3萬m2，園區主體建筑物坐北朝南，主要用于辦公、會議等。園區附近建設有自發自用光伏電站，光伏裝機規模為5 MW。為增加新能源消納利用，園區增設了一套250 kW/1.5 MWh的鐵-鉻液流電池儲能系統。白天通過吸收棄光，將電能存儲至電池中轉變為化學能；夜晚將化學能轉換為電能，減少部分市政電消耗。

1.2?負荷分析

DeST軟件是能夠對建筑物采暖、空調負荷進行動態模擬分析的模擬軟件，該軟件集成了清華大學建筑技術科學系十余年的理論成果，本次負荷計算運用DeST軟件。結合項目所在地的相關氣象參數、建筑物維護結構具體形式、相關規范選擇合適的參數，對建筑物進行建模分析，其中空調制冷時間為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；夏季室內溫度為26 ℃；冬季室內溫度為20 ℃；人均發熱量為53 W；建筑物的窗墻比為0.4。

經過軟件計算分析，建筑物的冷熱負荷計算結果如圖1所示，最大冷負荷為3056 kW，出現在8月2日，最大熱負荷為1547 kW，出現在1月18日。

結合辦公建筑典型日用電負荷系數以及《全國民用建筑工程設計技術措施(電氣)》相關規定，擬合典型日辦公用電負荷曲線。

2 綜合能源方案設計

2.1?常規綜合能源方案

常規綜合能源方案為光伏+電采暖+冷水機組+液流儲電方案，在已有光伏、鐵-鉻液流電池儲電的基礎上，考慮建筑物具有冷熱電負荷、生活熱水負荷需求，本方案配置常規電極鍋爐采暖、冷水機組制冷、電熱水系統。液流電池系統通過每天一次充放電，能夠實現部分棄光的時空轉移，有效降低市政電負荷。

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?？諝庠礋岜?，利用空氣能實現建筑物的冷熱雙供。配置空氣源熱泵熱水器滿足熱水需求。在原有鐵-鉻液流電池系統基礎上進行優化設計，增設液流電池儲熱換熱單元，滿足部分熱負荷需求。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活性，運行溫度較高、溫度適應范圍更廣。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行儲熱，實現液流電池儲電儲熱。此外，為進一步消納光伏，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動熱泵機組制熱制冷，將冷熱能量進行儲罐儲存，夜晚使用市政用電階段將冷熱能量進行循環釋放，實現棄光時空轉移，提高系統經濟效益。本綜合能源方案的工藝架構簡圖如圖4所示。綜上，電負荷通過液流電池放電、光伏發電、市政電提供；熱負荷通過液流電池儲熱換熱、儲罐儲熱、空氣源熱泵供熱提供；冷負荷由空氣源熱泵制冷、儲罐儲冷提供。結合光伏發電曲線、不同規模的水儲能儲罐配置容量，進行數據建模、多方案設計及運行分析，通過技術經濟指標進行約束，最終得到最優方案。

3 綜合性能經濟評價分析

3.1?運行模式和能耗分析

3.1.1?常規綜合能源方案建模及分析

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

在制熱季時，根據逐時熱負荷曲線，按照下式進行逐時制熱能耗計算：

基于前述數學模型開展計算，得到常規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日用電負荷達到峰值，主要原因是該日室外溫度較低，光伏發電情況較弱，供熱負荷較大所致。

3.1.2?熱泵儲能耦合方案建模及分析

根據前述設計冷熱負荷，設計冷負荷遠大于設計熱負荷，按照設計冷負荷進行熱泵選型。

本方案除了采用3.1.1小節中鐵-鉻液流電池儲電外，還將結合電池充放電運行利用電解液儲罐熱量進行儲熱放熱。鐵-鉻液流電池電堆直流側充放電轉換效率約為80%，20%損失電能在電池內部轉換為熱能，以熱量形式散到正負極電解液中。鐵-鉻液流電池內部產熱主要體現在放電過程，在環境溫度一定情況下，隨著充放電運行，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都設置了保溫措施，但仍不可避免地造成少量熱量對環境的逸散。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-鉻液流電池在運行過程中產熱量按式(13)計算：

除了以上數學模型外，本方案優化算法是通過逐時氣溫條件、逐時光伏發電情況、逐時負荷情況，結合液流電池的充放電狀態、液流電池儲熱出力情況，設定逐時水儲能儲罐供能情況，從而確定熱泵裝機容量和儲罐有效容積，進而計算出不同熱泵裝機、不同儲罐有效容積的多種方案，最后根據運行成本、初投資等經濟性指標確定最終方案。

經計算，得到儲罐容積Mg分別為0 m3、800 m3、920 m3、1040 m3、1160 m3、1300 m3規格下的市政用電能耗情況，見表3，當沒有儲罐時，僅靠液流電池進行儲電儲熱，此時全年運行市政用電能耗為1758402 kWh，隨著儲罐容積的逐步增大，用電能耗也逐步降低，當儲罐容積為1300 m3時，全年運行市政用電能耗為1321160 kWh，僅為常規方案的50%左右。圖6為在配置各規格儲罐容積情況下，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，市政用電負荷依次減少，用電為0的小時數也逐漸增多，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電替代，有效增加了光伏發電的利用率，實現了新能源的消納提升。

3.2?經濟指標及能效分析

3.2.1?初投資、運行成本及節能率

結合前述各方案設備選型，常規綜合能源方案設備如前所述，熱泵儲能耦合方案有6種不同規模的儲罐參數、具有6種不同數量的熱泵機組臺數，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初投資情況下，各類的初投資情況見表3。運行成本是在運行能耗的基礎上乘以市政用電電價(按照0.8元/kWh)而得。節能率是以常規方案為基準，根據各方案的節約能耗占常規方案運行能耗的比例進行計算確定。圖7為初投資、節能率以及運行成本的對比情況。采用熱泵方案后，全年各類用電綜合運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，運行成本依次降低，節能率逐步提高，具有較好的經濟性和節能效果。

3.2.2?全生命周期成本LCC

全生命周期成本LCC是一個經濟性指標，可以將生命周期內的所有費用進行折現值求和，進而衡量各個方案的經濟性優劣。

3.2.3?供電供能分析

建筑物各系統供電來源主要是市政用電、光伏發電和鐵-鉻液流電池放電。根據前述的最優方案情況進行逐月的供電供能分析。圖8為最優方案逐月用電情況，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月份的用電數據中光伏占比最大，為74.2%。此外，從冷負荷、熱負荷的能源供應角度，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%，其中冷熱負荷較低的月份，如3月、9月、11月，儲能供能占比100%，實現了全部由棄光進行供熱供冷，最優方案通過配置儲能，使得建筑物的冷熱電綜合能源供應具有較好技術經濟優勢。

4 結論

本工作針對北方某園區辦公建筑物提出了多種冷熱電綜合能源方案，并結合光伏、鐵-鉻液流、熱泵、水儲能等關鍵系統進行了數學建模、優化設計和技術經濟效益分析，具體結論如下。

（1）對辦公建筑物運用DeST負荷計算軟件進行負荷計算，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）提出各類關鍵系統的數學模型、全年運行能耗數學模型、經濟性指標等模型，通過編寫程序優化算法進行計算，得出各個方案逐時能耗、初投資、設備選型等。當儲罐體積為920 m3、熱泵臺數為14臺時，為最優熱泵儲能耦合方案，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%。在冷熱負荷供應層面，實現了儲能供應占全部供冷熱的67%以上，實現了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

——循環水泵揚程，m

i0——基準折現率，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

——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

——熱泵機組逐時制冷量，kW

——熱泵機組逐時制熱量，kW

——機組逐時制冷量，kW

——逐時熱負荷，kW

——逐時冷熱負荷，kW

——逐時室外溫度， ℃

t——系統使用年限，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， ℃

——電池系統充放電運行造成的電解液可利用溫差，℃

——儲罐設計冷熱溫差， ℃

——全年市政用電總能耗，kWh

——熱泵機組逐時制冷功率，kW

——熱泵機組逐時制熱功率，kW

——循環泵逐時能耗，kW

——液流電池充放電過程產熱量，kWh

——水儲能輸出冷熱功率，kW

——逐時制熱能耗，kW

——機組逐時制冷功率，kW

——逐時制冷能耗，kW

——生活熱水負荷，kW

——逐時冷熱負荷，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-鉻液流電池儲能負荷，kW

——液流電池放熱功率，kW

——電極鍋爐轉換效率，98%

——循環水泵綜合效率，55%

——水的密度，kg/m3

——電解液密度，kg/m3

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