双碳案例|光伏、热泵、充电桩、水蓄能等【多能流综合能源系统示范工程设计】

多能流综合能源系统示范工程设计

工程所在园区为北京市海淀区中关村软件园某单位办公园区现有园区于2006年建设完成，2009 年进行了装修改造，占地面积为21691m2，建筑面积为 18293m2。园区建筑分A、B两座写字楼地上三层，地下一层，为食堂、停车场、配电室、空调机房等。大楼外区域包括地面停车场、绿化带、篮球场、自行车棚等。园区日均常驻职工数量为600 余人。

现有主要变配电设备和供能机电设备都已运行 12 年以上，部分设备存在老化、受损等问题。园区现供电系统自动化水平不高,没有自动抄表、分项计量和运行监控系统，无法对电能使用情况进行分析、控制和优化，随着公司业务不断增加，现有变压器容量难以满足未来使用需求。现状2 台溴化锂机组提供冷热源，机组大修后制冷效率降低，制冷效果差，夏季室内舒适度欠佳，暖通空调控制均为现场手动，无自控手段，管理效率低。园区内无电动汽车、电动自行车充电桩，无法满足电动车充电需求。

综上，园区能源供给总体存在设备老化、耗能大、经济性差供能结构不合理、供能可控性差、维护管理困难等问题。随着公司业务不断拓展，办公人数日益增多，园区现有供能系统不能满足日常所需，提高园区管理和能源利用能力势在必行。

依托办公园区，建设多能互补智慧综合能源系统，主要包括159.64kWp 多类型分布式光伏发电系统、250kW/550kWh 电储能系统、204kW 电动汽车有序充放电系统、330kw 燃气三联供系统制热功率为 376kw的地源热泵系统、制热功率为 102kw 的空气源热泵系统、104m3水蓄能系统等。

示范工程综合能源系统设计

示范工程负荷分析

(1) 电负荷

园区现有供电系统为两路 10kV 进线，单母线分段接线，接两台 10kV/0.4kV、500kVA 变压器，低压为两段400V 母线，单母线分段接线，共有 74 路负荷馈出线，每段母线装有无功补偿并联电容器1组。

根据从供电公司获取的逐时负荷(2018 年5月7日-2019年5月6日)统计分析，一年用电量为 230 万 kWh，日均用电量如图9-4-4所示。1#变压器 (201 进线)工作日平均负波动区间为120~250kw，2#变压器 (202 进线)工作日平均负荷波动区间为170~300kw，休息日工作负荷约为工作日的50% ~60%。

园区最大用电负荷约为 450kw，最小用电负荷约为 200kW用能季用电高峰集中于 10: 00 ~ 19:00 时段。过渡季 (春季、秋季)、用能季 (冬季、夏季) 典型日日均用电功率如图 9-4-5所示。

园区改造中新增电力负荷主要分为基本负荷(控制系统、机房暖通及环境)、季节性冷暖负荷 (三联供、地源热泵、空气源热泵等)、随机性负荷(充电等) 及其他负荷 (电化学储能、实验负荷等)。

此外，园区内人驻职工不断增加，2019 年平均月度用电量相较2018 年同期增长约 6%，考虑到未来新增人员需求，按最大负荷的 8% ~ 10% 计负荷增长，该因素引起的负荷增长值暂列为50kW。

依据负荷校验数据，该项目改造后现有两台 500kVA 变压器基本可满足园区日常用电需求，但在冬、夏季高峰负荷时段，仅靠现有变压器供电时，变压器负荷率较高，对于重要负荷的供电可靠性保障降低，因此需考虑增加项目的总体电力供应。

(2) 冷、热负荷

园区建筑面积为 18293m2，其中地下一层为 5247m。园区建筑分 A、B 两座写字楼，地上三层为办公区域，地下一层为食堂停车场、配电室、空调机房、库房等。冷热负荷主要集中于白天现状冷热源采用两台制冷功率 756kw 直燃型化鲤吸收式冷水机组，制冷供回水温度 7C/12C，供热供/回水温度为 50C/40C制冷机房、空调冷水机组、分集水器及冷水循环泵置于地下一层园区空调水系统分成两个支路。一路连接南区空调系统，一路接北区空调系统。2019 年燃气燃机年耗气量约为20万m，主要集中于

根据原暖通图样资料，建筑设计冷负荷为 1311.5kW，热负夏季和冬季。荷为1049kW。此次利用已有资料采用 Dest 软件模拟，计算结果为冷负荷1375.5kw、热负荷 949kw，基本与原建设设计图负荷吻合。

因现有冷热源系统未设置热量表、其他测量仪表失效等原因园区实际运行冷热负荷未知，故按照原有设计资料以及现有可采集数据进行推测校验。园区实际运行现状新风机组因故停开，风机盘管正常运行，按原设计图资料，风机盘管总制冷量为 1143kw，新风机组总制冷量为 420kW (风机盘管、新风机组额定制热量大干制冷量，无参考意义)，故评估园区现实际运行最大冷负荷为1048kw、最大热负荷为 850kw 合理。

此次冷热源系统改造负荷估算，根据设计冷负荷为 1311.5kw设计热负荷为 1049kw 进行机组选型及配置，三联供、地源热泵、空气源热泵及水蓄能系统最大制冷量为 1239.1kw，最大制热量为1349.4kw，能满足设计负荷以及实际运行最大冷热负荷。另外，考虑到后期若增开新风机组，该系统也可满足最大冷、热负荷需求。

根据北京区域气象参数，该项目夏季空调供冷时间暂定为 5 月20日一10 月 10 日，共143 天;冬季空调供热时间暂定为 11 月 15 日一次年3 月15 日，共 123 天。

天，75%负荷典型日天数为 44 天，50%负荷典型日天数为 57 天25%负荷典型日天数为 37 天。冬季供热 100%负荷典型日天数为60 天，50%负荷典型日天数为 63 天。

示范工程系统设计

(1)光伏发电系统

该项目于 2 座办公建筑屋面建设光伏发电系统，原则上在保证发电效率的同时，充分利用全部无遮挡区域来安装光伏板，最大限度利用太阳能。屋面光伏发电系统布置图如图 9-4-6 所示。A 座屋顶安装单晶硅光伏板 300 块，总安装容量为 96.0kWp;B 座屋顶安装多晶硅光伏板 80 块，安装容量为 23.2kWp，硅基异质结 SHJ光伏板 120块，安装容量为 37.2kWp;A 座主人口处天棚建设 BIPV建筑光伏一体化透光薄膜发电系统，安装双玻 10% 透光薄膜光伏组件 36 块，总安装容量为 3.24kWp。光伏系统总装机容量为159.64kWp，经电力电缆接入园区电气系统，

(2)电储能系统

为增加供电系统的供电可靠性及提高运行灵活性，该项目设置了一套电储能系统，储能系统的容量确定需要综合考虑用能需求投资成本、运行效益等因素。下面针对园区不同时段用电情况进行

分析:春秋季白天用电高峰时段总用电量约为 2067kWh，扣除光伏系统发电量，剩余用电量为 1621kWh，晚间用电高峰时段总用电量约为777kWh。

夏季白天用电高峰时段总用电量约为 2447kWh，扣除三联供系统及光伏系统发电量，剩余用电量为 367kWh，晚间高峰时段用电量约为 1183kWh，剔除三联供系统发电量，剩余用电量为193kWh。

冬季白天用电高峰时段总用电量约为 2175kWh，扣除三联供系统及光伏系统发电量，剩余用电量为 424kWh，晚间高峰时段用电量约为 818kWh，扣除三联供系统发电量，剩余用电量为158kWh。

根据以上园区历史负荷、功率分析，结合未来用电需求，综合考虑北京电价政策，电池容量、功率、经济性以及园区负荷特点等，储能系统容量按最低满足冬夏季一天“一充一放”进行配置最终确定本项目设置一套550kWh 电池储能系统，对应储能变流器(Power Conversion System，PCS)功率选择为250kW。

系统采用定制集装箱结构，集装箱本体的防腐蚀、防火灾、防雨水、防沙尘、防地震、防紫外线、防偷盗等功能良好。集装箱结构壳体、隔热保温层、装饰材料等均使用防火阻燃材料。箱体顶部不积水、不渗水、不漏水，箱体侧面不进雨，箱体底部不渗水。集装箱通风口以及内部设备的通风口均加装通风过滤网。在运输和地震条件下，集装箱及其内部设备的机械强度不出现变形、功能异常、振动后不运行等故障。集装箱内外材料的性质不会因为紫外线的照射发生劣化、不会吸收紫外线的热量等，集装箱防护等级为IP54。

电池系统采用 120Ah 磷酸铁电芯，电芯采用 2P12S 的方式组合成电池模组，电池模组配置为 38.4V/240Ah (0.5C)。电池模组通过 1P19S 的方式组成电池簇，电池簇配置为 729.6V/240Ah(0.5C)，电压范围:638.4 ~809.4V，额定总电量为175.104kWh。3个电池簇并联接入控制汇流柜，组成完整的电池系统，电池系统总电量为525.312kWh。电池簇经过控制汇流柜汇流后，接人1台250kW 的储能变流器 PCS，经过逆变后接人园区微电网系统。

(3)充电桩系统

园区共有停车位 127 个，其中地上停车位 91 个，地下停车位36个。园区内有电动汽车约有 10 余辆、电动自行车约有 40 余辆该项目配套建设 60kW 一体式双枪充电 (三相电源)1 台60kW一体式V2G充电(三相电源)1台、7kw 交流有序充电(单相电源)12 台、10kw 电动车充电系统 (单相电源)1套。

7kw 交流有序充电桩以4G 形式直接接人车联网平台，并同步将信息上传至园区智慧能源管控系统。车联网系统主站下发台区基础负荷预测曲线以及控制目标曲线，结合当前台区信息和台区内各充电桩实时充电情况，对充电申请进行充电计划的合理编排，管理充电桩有序充电资源分配，当超过配变安全运行闽值时将根据既定控制策略调整充电计划，或者中断部分充电负荷。

(4) 燃气发电机

依据负荷校验数据，为满足冬、夏季最低用电负荷，并在用能季高峰负荷时段，保障重要负荷的供电，增加项目的总体电力供应，同时结合项目用冷、用热负荷需要，经与相关专业共同讨论,确定该项目选用燃气内燃发电机作为冷、热电负荷供应的供能设备，根据目前主流市场内燃机各型号容量，最终确定本工程选用的燃气内燃机发电机组功率为 330kW。

(5) 电气系统

该项目电气系统由原0.4kV 的4和5"母线分别引出一段新增母线，编号为6#和7"母线，对应设置6 台低压配电柜。项目光伏发电系统、电储能系统接人6"0.4kV 母线，三联供系统 330kw 燃气发电机接入 7#0.4kV 母线。全部发电设备并网运行，所发电能就地消纳。新增地源热泵、空气源热泵等用电设备分别接入 6#7#母线。

(6) 燃气三联供系统

根据园区冷、热、电负荷特点和改造后新增电负荷情况，供冷、供热典型季节单台变压器母线电负荷将达到 400kW 左右，并结合市场内燃机各型号容量，该项目选用单台发电量不大于330kw 级燃气内燃机发电机组。根据该园区采用内燃机发电机组的特点和园区冷热负荷需求情况，为了充分利用排烟及热水余热同时保证内燃机组停止运行时，正常供冷、供热，需采用烟气热水补燃型化鲤机组，余热供热量为 359kW、供冷量为 399kw，全补燃供热量为637kw、供冷量为 748kW。

燃气内燃机和吸收式澳化钾机组的布置均按照三联供建设标准。室内安装视频环境监视系统和降噪脱硝装置。

该项目选用的燃气内燃机发电效率较高，其燃料热力的约40%用来做功发电，约 30% 通过烟气散热，还有约 30% 通过缸套水、中冷水及辐射热损失。通过对烟气和缸套水进行余热回收利用，三联供系统综合能源利用效率可达 80% 以上。

(7) 地源热泵系统

经前期调研，该园区周边地块均已建设了地源热泵系统，且应用情况良好，适合建造地源热泵系统。经现场实际勘测并考虑园区用地情况，实现合理布局，拟建设地源热泵井 56 口，有效埋深150m，地源热泵系统供热负荷为 376kw，供冷负荷为444kW，满足园区冷热负荷需求，该项目可用场地较小，装机容量受限，综合经济性和现场实际情况，选用螺杆式地源热泵机组 1 台。地源热泵制冷工况供/回水温度拟定为 7/13C，制热工况下供/回水温度为 46/40C。额定制热功率为376kW，额定制冷功率为444kW。

(8) 空气源热泵系统

园区通过空气源热泵与三联供系统、地源热泵系统共同满足建筑物供冷、供热需求，并实现三种冷热源互为备用。在三联供系统检修、维护等情况下，空气源热泵将与地源热泵系统共同满足建龄物大部分的冷、热供应。在园区冷热负荷高峰时段，空气源热泵实现园区冷热供给的灵活调峰。根据园区冷热负荷需求、主流产品单机功率及机组互备要求，配置制冷/制热功率 138/147kw 空气源热泵机组1台。

(9) 水蓄能系统

通过建设水蓄能系统构建完整的热能源网荷储系统，降低园区能源系统的运行成本，同时支撑园区能源规划和运行相关研究。水蓄能系统供冷季供/回水温度为 7/13C，供暖季供/回水温度为 46/40C，总蓄冷 (热)量为 728.9kWh。该项目工程设计蓄热温差较小，工质运行参数较低，且紧邻市政道路与居民区，因此选用高度较低的卧式闭式承压蓄能罐，设计承压 1.0MPa。

该项目蓄热罐整体参数为直径为 4m，总长度为 8.98m，单罐蓄水体积为104m。其中有效容积为 89m3。蓄热系统采用闭式循环水系统，供回水管的管径为 DN300，管网的设计压力为1.6MPa.经计算，蓄热系统阻力为3.6m，著热冷热端进、出水总管之间的压降小于 3m，蓄热系统蓄热罐端总阻力约为6.6m。

冬季供热时，由地源热泵、空气源热泵或燃气三联供系统制取46C热水，储存在蓄水罐中，当需要用热时，将热水释放至暖通管网分水器对外供热。夏季蓄冷时，制取 7C冷冻水储存在蓄水罐中，当需要用冷时，将冷水释放至暖通管网分水器对外供冷。

本文通过介绍园区通过对多元能源和电气部分的改造实现了“市电补充、削峰填谷、热电联产、多能互补、梯级利用、智能控制”的目标。经过对原有供能系统进行改造后，大幅度提高了园区能源利用情况。