液流电池冷热电储综合能源系统优化设计

摘 要 针对北方某园区办公建筑物提出了基于光伏发电、铁-铬液流电池储能、热泵冷热双供、水储能等关键技术的冷热电储综合能源系统方案，并对能源系统进行全年逐时能耗分析和效益分析，通过编写计算程序、优化算法等处理方法，考虑了初投资、全年能耗、运行成本、节能率、全生命周期成本等评价指标，开展迭代优化设计。结果表明：当储罐体积为920 m3、热泵台数为14台时，热泵储能耦合方案为最优，全生命周期成本为1347.08万元。利用铁-铬液流电池储能系统进行储电储热、水储能系统储热储冷，使得全年平均光伏用电占全部用电的65.3%。在冷热能源供应层面，储能供应占全部供冷供热能量的67%以上，其中3月、9月、11月实现100%储能供能。

关键词 液流电池；综合能源；储能；效益分析

(资料图)

储能是构建新型电力系统的关键环节，是实现“3060双碳目标”的核心技术。根据《储能产业研究白皮书(2022年)》，2021年是我国储能从商业化初期到规模化发展的第一年，国家明确了到2030年要实现30 GW储能装机的目标。同时，多个省市相继发布了储能规划，明确了新能源配置储能的要求，储能技术产业升级及规模化应用走向了快车道。

综合能源系统是根据用户对电、热、冷、气、水、热水等各类能源的需求，通过相关综合供应技术，为用户提供安全、可靠、经济、环保等多目标优化的能源供应与服务，综合能源系统具有多能互补、梯级利用、多站融合的显著特征。其中，储能技术是综合能源系统中重要的技术抓手。

针对冷热电联供、储能技术、综合能源技术，科技工作者做了大量技术研究和工程应用。王帅飞等运用Matlab算法仿真，以经济性为目标，对可再生能源的冷热电联供系统进行优化。Jiang等针对某园区对热负荷、电负荷需求以及太阳能、风能的规律特征，构建了区域性电-热能源联合供应模型。牛纪德等用动态评价法建立数学模型，通过优化运行策略提高了运行效率。郑新等通过配置水储热水箱，有效扩大了地热单井供热能力，与燃气锅炉调峰方案相比，具有较好经济性。杨林等针对250 kW/1.5 MWh铁-铬液流电池示范电站进行了案例分析和技术介绍。马洪亭等针对太阳能-水源热泵多能互补地板辐射供暖系统进行实验分析，并以室内温度作为评价指标，分析了空调系统性能，较区域锅炉集中供暖节能30.55%。张晓康以Tmsys软件作为仿真平台，建立太阳能-地源热泵耦合供暖模型，并对联供系统供暖特性进行动态模拟。Han等研究了太阳能辅助地源热泵系统性能稳定性，通过添加蓄能罐，使COP平衡值为3.2，最高值为5.95。王良等探究了太阳辐照度对压缩机功率、热泵制热量的影响规律，得出辐照度与制热量的线性匹配关系。周守军等运用R studio软件，采用多元线性参数回归法构建建筑负荷预测模型，对上海市三联供系统蓄能装置运行调节建立了负荷预测模型，具有较好节能收益。韩晓娟等通过遗传算法优化得到符合经济性的储能系统最优容量配置方案。上述研究从建模仿真、优化算法、设计优化、工程应用等方面为公共建筑物综合能源系统的多能源综合利用提供了坚实的技术基础。

本工作在上述研究的基础上，针对北方某办公园区建筑物，开展基于铁-铬液流电池储能系统的冷热电储综合能源系统优化设计及分析。在考虑初投资、运行费用、节能率以及全生命周期成本等评价指标的前提下，通过编写计算软件、优化算法等处理方法逐时分析该建筑物的综合效益，最终确定合理的综合能源系统优化方案，为园区公共建筑综合能源的推广应用提供了理论支持与技术保障。

1 建筑物概况及负荷分析

1.1 建筑物概况

本工作研究对象为北方某办公园区，园区整体建筑面积约3万m2，园区主体建筑物坐北朝南，主要用于办公、会议等。园区附近建设有自发自用光伏电站，光伏装机规模为5 MW。为增加新能源消纳利用，园区增设了一套250 kW/1.5 MWh的铁-铬液流电池储能系统。白天通过吸收弃光，将电能存储至电池中转变为化学能；夜晚将化学能转换为电能，减少部分市政电消耗。

1.2 负荷分析

DeST软件是能够对建筑物采暖、空调负荷进行动态模拟分析的模拟软件，该软件集成了清华大学建筑技术科学系十余年的理论成果，本次负荷计算运用DeST软件。结合项目所在地的相关气象参数、建筑物维护结构具体形式、相关规范选择合适的参数，对建筑物进行建模分析，其中空调制冷时间为6月1日至9月30日；供热时间从11月15日到次年3月15日；夏季室内温度为26 ℃；冬季室内温度为20 ℃；人均发热量为53 W；建筑物的窗墙比为0.4。

经过软件计算分析，建筑物的冷热负荷计算结果如图1所示，最大冷负荷为3056 kW，出现在8月2日，最大热负荷为1547 kW，出现在1月18日。

结合办公建筑典型日用电负荷系数以及《全国民用建筑工程设计技术措施(电气)》相关规定，拟合典型日办公用电负荷曲线。

2 综合能源方案设计

2.1 常规综合能源方案

常规综合能源方案为光伏+电采暖+冷水机组+液流储电方案，在已有光伏、铁-铬液流电池储电的基础上，考虑建筑物具有冷热电负荷、生活热水负荷需求，本方案配置常规电极锅炉采暖、冷水机组制冷、电热水系统。液流电池系统通过每天一次充放电，能够实现部分弃光的时空转移，有效降低市政电负荷。

2.2 热泵储能耦合方案

热泵储能耦合方案为光伏+空气源热泵冷热双供+液流电池储电储热+水储能方案。热泵是一种节能装置，通过利用少量电能将低品位能源利用起来，满足建筑物供暖制冷需求。本方案配置一定规模空气源热泵，利用空气能实现建筑物的冷热双供。配置空气源热泵热水器满足热水需求。在原有铁-铬液流电池系统基础上进行优化设计，增设液流电池储热换热单元，满足部分热负荷需求。与锂电池不同，液流电池功率单元与能量单元相互独立，功率单元为电池堆，能量单元为电解液储罐。与全钒液流电池相比，铁-铬液流电池为提高其反应活性，运行温度较高、温度适应范围更广。电解液储罐除了储存电能外，还可以利用电解液的温差变化进行储热，实现液流电池储电储热。此外，为进一步消纳光伏，降低市政用电，本方案配置一定容量的水储能储罐，在白天光照充足时段利用弃光驱动热泵机组制热制冷，将冷热能量进行储罐储存，夜晚使用市政用电阶段将冷热能量进行循环释放，实现弃光时空转移，提高系统经济效益。本综合能源方案的工艺架构简图如图4所示。综上，电负荷通过液流电池放电、光伏发电、市政电提供；热负荷通过液流电池储热换热、储罐储热、空气源热泵供热提供；冷负荷由空气源热泵制冷、储罐储冷提供。结合光伏发电曲线、不同规模的水储能储罐配置容量，进行数据建模、多方案设计及运行分析，通过技术经济指标进行约束，最终得到最优方案。

3 综合性能经济评价分析

3.1 运行模式和能耗分析

3.1.1 常规综合能源方案建模及分析

根据前述负荷分析，在一定不保证度的情况下，设计冷负荷为2000 kW(超过2000 kW仅为20 h)，设计热负荷为1200 kW(超过1200 kW仅为26 h)。

在制热季时，根据逐时热负荷曲线，按照下式进行逐时制热能耗计算：

基于前述数学模型开展计算，得到常规综合能源方案全年市政用电能耗为2613775.34 kWh，逐时的能耗情况如图5所示，其中1月20日和12月26日用电负荷达到峰值，主要原因是该日室外温度较低，光伏发电情况较弱，供热负荷较大所致。

3.1.2 热泵储能耦合方案建模及分析

根据前述设计冷热负荷，设计冷负荷远大于设计热负荷，按照设计冷负荷进行热泵选型。

本方案除了采用3.1.1小节中铁-铬液流电池储电外，还将结合电池充放电运行利用电解液储罐热量进行储热放热。铁-铬液流电池电堆直流侧充放电转换效率约为80%，20%损失电能在电池内部转换为热能，以热量形式散到正负极电解液中。铁-铬液流电池内部产热主要体现在放电过程，在环境温度一定情况下，随着充放电运行，在充电过程电解液温度略有降低，在放电过程电解液温度升高。同时，虽然在工艺管道及电解液储罐系统都设置了保温措施，但仍不可避免地造成少量热量对环境的逸散。综上，整体充放电过程中会造成电解液温度升高，可将此部分热量利用起来，铁-铬液流电池在运行过程中产热量按式(13)计算：

除了以上数学模型外，本方案优化算法是通过逐时气温条件、逐时光伏发电情况、逐时负荷情况，结合液流电池的充放电状态、液流电池储热出力情况，设定逐时水储能储罐供能情况，从而确定热泵装机容量和储罐有效容积，进而计算出不同热泵装机、不同储罐有效容积的多种方案，最后根据运行成本、初投资等经济性指标确定最终方案。

经计算，得到储罐容积Mg分别为0 m3、800 m3、920 m3、1040 m3、1160 m3、1300 m3规格下的市政用电能耗情况，见表3，当没有储罐时，仅靠液流电池进行储电储热，此时全年运行市政用电能耗为1758402 kWh，随着储罐容积的逐步增大，用电能耗也逐步降低，当储罐容积为1300 m3时，全年运行市政用电能耗为1321160 kWh，仅为常规方案的50%左右。图6为在配置各规格储罐容积情况下，2月份典型日逐时能耗曲线，从中可以看出，随着储罐容积的增大，市政用电负荷依次减少，用电为0的小时数也逐渐增多，在1300 m3时，由于储罐储能和液流电池储热储电的双重作用，全天仅有9小时使用市政用电，其他时间全部由光伏发电替代，有效增加了光伏发电的利用率，实现了新能源的消纳提升。

3.2 经济指标及能效分析

3.2.1 初投资、运行成本及节能率

结合前述各方案设备选型，常规综合能源方案设备如前所述，热泵储能耦合方案有6种不同规模的储罐参数、具有6种不同数量的热泵机组台数，这些均造成了各类方案的初投资差异。在不考虑公共相同部分的光伏电站初投资、铁-铬液流电池储能系统初投资情况下，各类的初投资情况见表3。运行成本是在运行能耗的基础上乘以市政用电电价(按照0.8元/kWh)而得。节能率是以常规方案为基准，根据各方案的节约能耗占常规方案运行能耗的比例进行计算确定。图7为初投资、节能率以及运行成本的对比情况。采用热泵方案后，全年各类用电综合运行成本有了较大幅降低，降低了32.7%。随着储罐容积的增大，初投资逐步增大，运行成本依次降低，节能率逐步提高，具有较好的经济性和节能效果。

3.2.2 全生命周期成本LCC

全生命周期成本LCC是一个经济性指标，可以将生命周期内的所有费用进行折现值求和，进而衡量各个方案的经济性优劣。

3.2.3 供电供能分析

建筑物各系统供电来源主要是市政用电、光伏发电和铁-铬液流电池放电。根据前述的最优方案情况进行逐月的供电供能分析。图8为最优方案逐月用电情况，从中可知，通过配置铁-铬液流储能以及水储能储罐，全年各月份的用电中光伏占比均超过50%，全年平均光伏占比为65.3%，6月份的用电数据中光伏占比最大，为74.2%。此外，从冷负荷、热负荷的能源供应角度，逐月的冷热供能情况如图9所示，通过铁-铬液流供热以及储罐供冷供热，每月的储能供能均超过了50%，其中冷热负荷较低的月份，如3月、9月、11月，储能供能占比100%，实现了全部由弃光进行供热供冷，最优方案通过配置储能，使得建筑物的冷热电综合能源供应具有较好技术经济优势。

4 结论

本工作针对北方某园区办公建筑物提出了多种冷热电综合能源方案，并结合光伏、铁-铬液流、热泵、水储能等关键系统进行了数学建模、优化设计和技术经济效益分析，具体结论如下。

（1）对办公建筑物运用DeST负荷计算软件进行负荷计算，并制定了光伏+空气源热泵冷热双供+液流电池储电储热+水储能方案、光伏+空气源热泵冷热双供+液流电池储电储热+水储能方案。

（2）提出各类关键系统的数学模型、全年运行能耗数学模型、经济性指标等模型，通过编写程序优化算法进行计算，得出各个方案逐时能耗、初投资、设备选型等。当储罐体积为920 m3、热泵台数为14台时，为最优热泵储能耦合方案，全生命周期成本为1347.08万元。

（3）通过配置铁-铬液流电池储电储热、水储罐储热储冷，使得全年平均光伏用电为全部用电的65.3%。在冷热负荷供应层面，实现了储能供应占全部供冷热的67%以上，实现了3月、9月、11月储能供能占比100%。

符号说明

符号——符号说明

C——水的比热容，J/(kg·℃)

CY——电解液的比热容，J/(kg·℃)

COt——t年的成本，万元

——循环水泵扬程，m

i0——基准折现率，8%

——全生命周期成本，万元

MY——电解液可利用容积，m3

Mg——储罐有效容积，m3

N——人数

——充电功率，kW

——放电功率，kW

——液流电池在时刻的充电功率，kW

——液流电池在时刻的放电功率，kW

——充电功率绝对值最大值，kW

——放电功率最大值，kW

——人均用水量，m3

——热泵机组逐时制冷量，kW

——热泵机组逐时制热量，kW

——机组逐时制冷量，kW

——逐时热负荷，kW

——逐时冷热负荷，kW

——逐时室外温度， ℃

t——系统使用年限，15年

——液流电池充放电时间，h

tg——储能出力时间，h

——液流供热时间，h

——供回水温差， ℃

——生活热水加热温差， ℃

——电池系统充放电运行造成的电解液可利用温差，℃

——储罐设计冷热温差， ℃

——全年市政用电总能耗，kWh

——热泵机组逐时制冷功率，kW

——热泵机组逐时制热功率，kW

——循环泵逐时能耗，kW

——液流电池充放电过程产热量，kWh

——水储能输出冷热功率，kW

——逐时制热能耗，kW

——机组逐时制冷功率，kW

——逐时制冷能耗，kW

——生活热水负荷，kW

——逐时冷热负荷，kW

——逐时消纳利用的光伏功率，kW

——液流电池在充放电过程中逸散热量，kWh

——铁-铬液流电池储能负荷，kW

——液流电池放热功率，kW

——电极锅炉转换效率，98%

——循环水泵综合效率，55%

——水的密度，kg/m3

——电解液密度，kg/m3

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