多能流綜合能源系統示范工程設計

工程所在園區為北京市海淀區中關村軟件園某單位辦公園區現有園區于2006年建設完成，2009 年進行了裝修改造，占地面積為21691m2，建筑面積為 18293m2。園區建筑分A、B兩座寫字樓地上三層，地下一層，為食堂、停車場、配電室、空調機房等。大樓外區域包括地面停車場、綠化帶、籃球場、自行車棚等。園區日均常駐職工數量為600 余人。

現有主要變配電設備和供能機電設備都已運行 12 年以上，部分設備存在老化、受損等問題。園區現供電系統自動化水平不高,沒有自動抄表、分項計量和運行監控系統，無法對電能使用情況進行分析、控制和優化，隨著公司業務不斷增加，現有變壓器容量難以滿足未來使用需求。現狀2 臺溴化鋰機組提供冷熱源，機組大修后制冷效率降低，制冷效果差，夏季室內舒適度欠佳，暖通空調控制均為現場手動，無自控手段，管理效率低。園區內無電動汽車、電動自行車充電樁，無法滿足電動車充電需求。

綜上，園區能源供給總體存在設備老化、耗能大、經濟性差供能結構不合理、供能可控性差、維護管理困難等問題。隨著公司業務不斷拓展，辦公人數日益增多，園區現有供能系統不能滿足日常所需，提高園區管理和能源利用能力勢在必行。

依托辦公園區，建設多能互補智慧綜合能源系統，主要包括159.64kWp 多類型分布式光伏發電系統、250kW/550kWh 電儲能系統、204kW 電動汽車有序充放電系統、330kw 燃氣三聯供系統制熱功率為 376kw的地源熱泵系統、制熱功率為 102kw 的空氣源熱泵系統、104m3水蓄能系統等。

示范工程綜合能源系統設計

示范工程負荷分析

(1) 電負荷

園區現有供電系統為兩路 10kV 進線，單母線分段接線，接兩臺 10kV/0.4kV、500kVA 變壓器，低壓為兩段400V 母線，單母線分段接線，共有 74 路負荷饋出線，每段母線裝有無功補償并聯電容器1組。

根據從供電公司獲取的逐時負荷(2018 年5月7日-2019年5月6日)統計分析，一年用電量為 230 萬 kWh，日均用電量如圖9-4-4所示。1#變壓器 (201 進線)工作日平均負波動區間為120~250kw，2#變壓器 (202 進線)工作日平均負荷波動區間為170~300kw，休息日工作負荷約為工作日的50% ~60%。

園區最大用電負荷約為 450kw，最小用電負荷約為 200kW用能季用電高峰集中于 10: 00 ~ 19:00 時段。過渡季 (春季、秋季)、用能季 (冬季、夏季) 典型日日均用電功率如圖 9-4-5所示。

園區改造中新增電力負荷主要分為基本負荷(控制系統、機房暖通及環境)、季節性冷暖負荷 (三聯供、地源熱泵、空氣源熱泵等)、隨機性負荷(充電等) 及其他負荷 (電化學儲能、實驗負荷等)。

此外，園區內人駐職工不斷增加，2019 年平均月度用電量相較2018 年同期增長約 6%，考慮到未來新增人員需求，按最大負荷的 8% ~ 10% 計負荷增長，該因素引起的負荷增長值暫列為50kW。

依據負荷校驗數據，該項目改造后現有兩臺 500kVA 變壓器基本可滿足園區日常用電需求，但在冬、夏季高峰負荷時段，僅靠現有變壓器供電時，變壓器負荷率較高，對于重要負荷的供電可靠性保障降低，因此需考慮增加項目的總體電力供應。

(2) 冷、熱負荷

園區建筑面積為 18293m2，其中地下一層為 5247m。園區建筑分 A、B 兩座寫字樓，地上三層為辦公區域，地下一層為食堂停車場、配電室、空調機房、庫房等。冷熱負荷主要集中于白天現狀冷熱源采用兩臺制冷功率 756kw 直燃型化鯉吸收式冷水機組，制冷供回水溫度 7C/12C，供熱供/回水溫度為 50C/40C制冷機房、空調冷水機組、分集水器及冷水循環泵置于地下一層園區空調水系統分成兩個支路。一路連接南區空調系統，一路接北區空調系統。2019 年燃氣燃機年耗氣量約為20萬m，主要集中于

根據原暖通圖樣資料，建筑設計冷負荷為 1311.5kW，熱負夏季和冬季。荷為1049kW。此次利用已有資料采用 Dest 軟件模擬，計算結果為冷負荷1375.5kw、熱負荷 949kw，基本與原建設設計圖負荷吻合。

因現有冷熱源系統未設置熱量表、其他測量儀表失效等原因園區實際運行冷熱負荷未知，故按照原有設計資料以及現有可采集數據進行推測校驗。園區實際運行現狀新風機組因故停開，風機盤管正常運行，按原設計圖資料，風機盤管總制冷量為 1143kw，新風機組總制冷量為 420kW (風機盤管、新風機組額定制熱量大干制冷量，無參考意義)，故評估園區現實際運行最大冷負荷為1048kw、最大熱負荷為 850kw 合理。

此次冷熱源系統改造負荷估算，根據設計冷負荷為 1311.5kw設計熱負荷為 1049kw 進行機組選型及配置，三聯供、地源熱泵、空氣源熱泵及水蓄能系統最大制冷量為 1239.1kw，最大制熱量為1349.4kw，能滿足設計負荷以及實際運行最大冷熱負荷。另外，考慮到后期若增開新風機組，該系統也可滿足最大冷、熱負荷需求。

根據北京區域氣象參數，該項目夏季空調供冷時間暫定為 5 月20日一10 月 10 日，共143 天;冬季空調供熱時間暫定為 11 月 15 日一次年3 月15 日，共 123 天。

天，75%負荷典型日天數為 44 天，50%負荷典型日天數為 57 天25%負荷典型日天數為 37 天。冬季供熱 100%負荷典型日天數為60 天，50%負荷典型日天數為 63 天。

示范工程系統設計

(1)光伏發電系統

該項目于 2 座辦公建筑屋面建設光伏發電系統，原則上在保證發電效率的同時，充分利用全部無遮擋區域來安裝光伏板，最大限度利用太陽能。屋面光伏發電系統布置圖如圖 9-4-6 所示。A 座屋頂安裝單晶硅光伏板 300 塊，總安裝容量為 96.0kWp;B 座屋頂安裝多晶硅光伏板 80 塊，安裝容量為 23.2kWp，硅基異質結 SHJ光伏板 120塊，安裝容量為 37.2kWp;A 座主人口處天棚建設 BIPV建筑光伏一體化透光薄膜發電系統，安裝雙玻 10% 透光薄膜光伏組件 36 塊，總安裝容量為 3.24kWp。光伏系統總裝機容量為159.64kWp，經電力電纜接入園區電氣系統，

(2)電儲能系統

為增加供電系統的供電可靠性及提高運行靈活性，該項目設置了一套電儲能系統，儲能系統的容量確定需要綜合考慮用能需求投資成本、運行效益等因素。下面針對園區不同時段用電情況進行

分析:春秋季白天用電高峰時段總用電量約為 2067kWh，扣除光伏系統發電量，剩余用電量為 1621kWh，晚間用電高峰時段總用電量約為777kWh。

夏季白天用電高峰時段總用電量約為 2447kWh，扣除三聯供系統及光伏系統發電量，剩余用電量為 367kWh，晚間高峰時段用電量約為 1183kWh，剔除三聯供系統發電量，剩余用電量為193kWh。

冬季白天用電高峰時段總用電量約為 2175kWh，扣除三聯供系統及光伏系統發電量，剩余用電量為 424kWh，晚間高峰時段用電量約為 818kWh，扣除三聯供系統發電量，剩余用電量為158kWh。

根據以上園區歷史負荷、功率分析，結合未來用電需求，綜合考慮北京電價政策，電池容量、功率、經濟性以及園區負荷特點等，儲能系統容量按最低滿足冬夏季一天“一充一放”進行配置最終確定本項目設置一套550kWh 電池儲能系統，對應儲能變流器(Power Conversion System，PCS)功率選擇為250kW。

系統采用定制集裝箱結構，集裝箱本體的防腐蝕、防火災、防雨水、防沙塵、防地震、防紫外線、防偷盜等功能良好。集裝箱結構殼體、隔熱保溫層、裝飾材料等均使用防火阻燃材料。箱體頂部不積水、不滲水、不漏水，箱體側面不進雨，箱體底部不滲水。集裝箱通風口以及內部設備的通風口均加裝通風過濾網。在運輸和地震條件下，集裝箱及其內部設備的機械強度不出現變形、功能異常、振動后不運行等故障。集裝箱內外材料的性質不會因為紫外線的照射發生劣化、不會吸收紫外線的熱量等，集裝箱防護等級為IP54。

電池系統采用 120Ah 磷酸鐵電芯，電芯采用 2P12S 的方式組合成電池模組，電池模組配置為 38.4V/240Ah (0.5C)。電池模組通過 1P19S 的方式組成電池簇，電池簇配置為 729.6V/240Ah(0.5C)，電壓范圍:638.4 ~809.4V，額定總電量為175.104kWh。3個電池簇并聯接入控制匯流柜，組成完整的電池系統，電池系統總電量為525.312kWh。電池簇經過控制匯流柜匯流后，接人1臺250kW 的儲能變流器 PCS，經過逆變后接人園區微電網系統。

(3)充電樁系統

園區共有停車位 127 個，其中地上停車位 91 個，地下停車位36個。園區內有電動汽車約有 10 余輛、電動自行車約有 40 余輛該項目配套建設 60kW 一體式雙槍充電 (三相電源)1 臺60kW一體式V2G充電(三相電源)1臺、7kw 交流有序充電(單相電源)12 臺、10kw 電動車充電系統 (單相電源)1套。

7kw 交流有序充電樁以4G 形式直接接人車聯網平臺，并同步將信息上傳至園區智慧能源管控系統。車聯網系統主站下發臺區基礎負荷預測曲線以及控制目標曲線，結合當前臺區信息和臺區內各充電樁實時充電情況，對充電申請進行充電計劃的合理編排，管理充電樁有序充電資源分配，當超過配變安全運行閩值時將根據既定控制策略調整充電計劃，或者中斷部分充電負荷。

(4) 燃氣發電機

依據負荷校驗數據，為滿足冬、夏季最低用電負荷，并在用能季高峰負荷時段，保障重要負荷的供電，增加項目的總體電力供應，同時結合項目用冷、用熱負荷需要，經與相關專業共同討論,確定該項目選用燃氣內燃發電機作為冷、熱電負荷供應的供能設備，根據目前主流市場內燃機各型號容量，最終確定本工程選用的燃氣內燃機發電機組功率為 330kW。

(5) 電氣系統

該項目電氣系統由原0.4kV 的4和5"母線分別引出一段新增母線，編號為6#和7"母線，對應設置6 臺低壓配電柜。項目光伏發電系統、電儲能系統接人6"0.4kV 母線，三聯供系統 330kw 燃氣發電機接入 7#0.4kV 母線。全部發電設備并網運行，所發電能就地消納。新增地源熱泵、空氣源熱泵等用電設備分別接入 6#7#母線。

(6) 燃氣三聯供系統

根據園區冷、熱、電負荷特點和改造后新增電負荷情況，供冷、供熱典型季節單臺變壓器母線電負荷將達到 400kW 左右，并結合市場內燃機各型號容量，該項目選用單臺發電量不大于330kw 級燃氣內燃機發電機組。根據該園區采用內燃機發電機組的特點和園區冷熱負荷需求情況，為了充分利用排煙及熱水余熱同時保證內燃機組停止運行時，正常供冷、供熱，需采用煙氣熱水補燃型化鯉機組，余熱供熱量為 359kW、供冷量為 399kw，全補燃供熱量為637kw、供冷量為 748kW。

燃氣內燃機和吸收式澳化鉀機組的布置均按照三聯供建設標準。室內安裝視頻環境監視系統和降噪脫硝裝置。

該項目選用的燃氣內燃機發電效率較高，其燃料熱力的約40%用來做功發電，約 30% 通過煙氣散熱，還有約 30% 通過缸套水、中冷水及輻射熱損失。通過對煙氣和缸套水進行余熱回收利用，三聯供系統綜合能源利用效率可達 80% 以上。

(7) 地源熱泵系統

經前期調研，該園區周邊地塊均已建設了地源熱泵系統，且應用情況良好，適合建造地源熱泵系統。經現場實際勘測并考慮園區用地情況，實現合理布局，擬建設地源熱泵井 56 口，有效埋深150m，地源熱泵系統供熱負荷為 376kw，供冷負荷為444kW，滿足園區冷熱負荷需求，該項目可用場地較小，裝機容量受限，綜合經濟性和現場實際情況，選用螺桿式地源熱泵機組 1 臺。地源熱泵制冷工況供/回水溫度擬定為 7/13C，制熱工況下供/回水溫度為 46/40C。額定制熱功率為376kW，額定制冷功率為444kW。

(8) 空氣源熱泵系統

園區通過空氣源熱泵與三聯供系統、地源熱泵系統共同滿足建筑物供冷、供熱需求，并實現三種冷熱源互為備用。在三聯供系統檢修、維護等情況下，空氣源熱泵將與地源熱泵系統共同滿足建齡物大部分的冷、熱供應。在園區冷熱負荷高峰時段，空氣源熱泵實現園區冷熱供給的靈活調峰。根據園區冷熱負荷需求、主流產品單機功率及機組互備要求，配置制冷/制熱功率 138/147kw 空氣源熱泵機組1臺。

(9) 水蓄能系統

通過建設水蓄能系統構建完整的熱能源網荷儲系統，降低園區能源系統的運行成本，同時支撐園區能源規劃和運行相關研究。水蓄能系統供冷季供/回水溫度為 7/13C，供暖季供/回水溫度為 46/40C，總蓄冷 (熱)量為 728.9kWh。該項目工程設計蓄熱溫差較小，工質運行參數較低，且緊鄰市政道路與居民區，因此選用高度較低的臥式閉式承壓蓄能罐，設計承壓 1.0MPa。

該項目蓄熱罐整體參數為直徑為 4m，總長度為 8.98m，單罐蓄水體積為104m。其中有效容積為 89m3。蓄熱系統采用閉式循環水系統，供回水管的管徑為 DN300，管網的設計壓力為1.6MPa.經計算，蓄熱系統阻力為3.6m，著熱冷熱端進、出水總管之間的壓降小于 3m，蓄熱系統蓄熱罐端總阻力約為6.6m。

冬季供熱時，由地源熱泵、空氣源熱泵或燃氣三聯供系統制取46C熱水，儲存在蓄水罐中，當需要用熱時，將熱水釋放至暖通管網分水器對外供熱。夏季蓄冷時，制取 7C冷凍水儲存在蓄水罐中，當需要用冷時，將冷水釋放至暖通管網分水器對外供冷。

本文通過介紹園區通過對多元能源和電氣部分的改造實現了“市電補充、削峰填谷、熱電聯產、多能互補、梯級利用、智能控制”的目標。經過對原有供能系統進行改造后，大幅度提高了園區能源利用情況。