太阳能驱动的分布式多联供示范系统的建立及其仿真机制是智能电网技术推广和实施的关键。天津大学赵力教授课题组对集成供冷和供热系统的200kW级有机朗肯循环（ORC）发电系统进行了初步测试。结果显示所研发系统在R123工质及采用膨胀阀的情况下，可维持10%的热发电效率。并以实际应用中的最优系统为目标，提出了一种包括长时、中时和短时仿真的多时间尺度仿真机制，所对应的时间步长分别为年、小时和秒。通过六甲基二硅氧烷工质下模型指导的最优串联系统对此机制进行了说明。在长时仿真下，获得了高性能比（67.61%）、低成本（$0.12）以及占地面积小（3774.2 m2）的最优系统。在中时仿真下，确定了相应的系统额定运行参数，并得到了可接受的供需匹配特性，系统投资回收期为7.41年。此外，在典型晴朗和多云天气下进行了系统动态特性的分析，并比较了其运行状态。短时仿真显示，在晴朗天气下，系统可在15000s内维持稳定热效率9.6%，但实际安全运行状态仅持续6000s。尽管多云天气下的峰值辐射高于晴朗天气，但是系统性能由于辐射波动而大幅衰减。
1. 研究意义
随着智能电网概念的提出，生态工业园区[3]以及智能建筑[4]日益增多。对于此类建筑，负荷侧具有冷、热、电甚至淡水等多样化能源产品需求，因此，多联供系统受到广泛关注。其中，分布式太阳能多联供系统不仅可获得较高的能源利用率、实现灵活的多产品供应，同时清洁环保[5, 6]。因此，适宜在中国中东部地区推广，凭借其结构紧凑、占地面积小的优势应用于负荷端温度需求低的低㶲建筑中。其中，基于有机朗肯循环（ORC）的太阳能多联供系统通过采用低沸点有机工质，可有效地实现低品位热功转换[11]。
当前此类系统主要关注于新型耦合循环的理论分析。在技术研发方面，关键部件和核心子系统的实验，尤其有关太阳能集热器和ORC子系统的测试已有研究。天津大学赵力课题组实验研究了碟式太阳能集热器半球形腔体接收器的热损[18]，并进行了低温ORC系统在太阳能集热器或无太阳能集热器下的实验测试，旨在提升ORC效率并降低各热力过程的不可逆损失。包括考虑工质物性的工质泵测试[19]，往复式膨胀机验证[20]以及内部换热器[21]的集成。针对整个CCHP系统的实验研究很少，尤其集成太阳能的系统，因为其较高的成本，复杂的系统集成以及较长的测试周期。Qiu等人研发并评估了一个位于诺丁汉大学的1kW生物质燃料驱动的基于ORC的CCHP系统，ORC效率和CHP效率分别为3.78%和78.69%[24]。Chaiyat和Kiatsiriroat测试了一个25kW的以R245fa为工质并集成了20kW溴化锂吸收式单元的系统，ORC效率提升至约7%[25]。此外，中试系统目前尚未见报道，阻碍了市场应用，以及如中国等地太阳能热利用技术标杆电价的出台。
同时，随着智能电网的发展拓展了此类系统的技术边界，计算机模拟及系统级别的仿真成为工程研究领域一项低成本的重要技术。一方面，相对于具体的实验平台，其可支持不同场景模拟，指导示范系统的优化和运行决策。另一方面，基于太阳辐射波动下的动态特性分析有助于系统运行和控制策略研发。此外，有可能建立大数据，为可能的网络计算提供以人为本的价值和能源服务，同时提高系统效率和可靠性。
但是，当前的系统模拟还存在巨大挑战。不同的时间尺度下的编程被用于进行部件或系统模型构建，相关模拟工作如图1所示。显然，现有仿真研究提出了多种不同时间尺度，对于不同时间步长下的数学模型的目的缺乏清晰的界定。此外，大多数研究集中于单一时间尺度。因此，针对基于ORC的太阳能多联供的系统级别的综合仿真研究亟待开展。
图 1：不同时间尺度下仿真目标
赵力课题组对集成供冷和供热系统的200kW级有机朗肯循环（ORC）发电系统进行了初步测试。测试项目是基于国家863项目支撑的200kW级发电容量的聚焦太阳能分布式多联供示范系统。此项目旨在探究高效太阳能综合利用率以及灵活的基于模型指导的系统管理。此集成系统根据实际可行性，由抛物槽式集热器（PTC）、ORC、单效吸收式制冷机（ACH）以及换热器供热系统组成。本文针对此系统开展了系统优化及多时间尺度仿真研究。主要贡献在于（1）进行了ORC子系统初步测试；（2）研发了系统级别仿真的多时间尺度仿真机制；（3）界定了各时间尺度合适的时间步长，以及仿真目标，从而为以实时供需平衡及效率提升为目标、基于模型的系统管理的研发奠定基础。
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2. 系统描述
此示范系统图如图 2所示，其中ORC系统与供热和制冷系统并联集成。初步测试过程中，由于热源不足，发电、供热和制冷子系统通过阀门切换而单独运行。具体的额定热力学条件如表 1所示。
表 1 ：示范系统热力学条件
(a)
(b)
图 2：示范系统：（a）系统图；（b）系统示意图
相对于此并联系统架构，本研究提出了如图 3所示的串联系统优化配置。此配置基于能源综合梯级利用，实现ORC与供热和制冷循环的耦合。在供冷季，系统通过阀门调节运行在冷电联供模式，供热季运行在热电联供模式，发电全年可得。因此，系统可通过单一太阳能热源同时进行冷/热电供应，降低不可逆损失，提升能效。
(a)
(b)
图 3 ：系统设计优化：（a）系统示意图；（b）系统T-S图
3. 不同时间尺度仿真下的数学模型
以串联系统优化为目标，建立了如图 4所示的多时间尺度仿真机制。清晰地定义了各时间尺度下合理的时间步长以及仿真目标和功能。仿真过程中应优先进行长时仿真，旨在通过系统热力学性能、规模和初投资成本间的权衡进行系统设计。进而确定系统最优额定运行决策，包括配置参数、热电比和额定输出功。然后，可通过中时仿真由可得的太阳辐照量数据，以“小时/天/季”为时间步长，计算系统性能比、最大供能输出，评估系统供需匹配特性。最后，根据实时太阳辐射数据，仿真系统动态变工况下响应特性，稳态运行及安全状态特性。动态仿真平台通过基于modelica语言的Dymola软件实现，如图 5所示。
图 4： 多时间尺度仿真机制
图 5 ：最优系统配置下的动态仿真平台搭建
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4. 结果与讨论
ORC子系统的初步实验结果显示，R123工质下，导热油温度176.49~188.8℃，冷却水温度6.5℃的工况下，系统热效率范围9.5~11%（图 6(a)）。R245fa工质下，由于导热油温度降低、冷却水温度升高，热效率仅5.6~6.9%，膨胀机输出功56.5kW，等熵效率55.4~70.9%（图 6(b)）。
图 6： ORC子系统初步实验结果：(a) R123及膨胀阀下系统实时效率测试; (b) R123及R245fa下不同工况点系统性能
相对于现有系统的并联配置，采用中温工质六甲基二硅氧烷（MM）进行串联系统配置优化，MM工质具有环保、安全和无毒特性。长时仿真下，得到如图 7所示的系统配置参数以热效率、规模和初投资为多目标优化的帕累托最优解。最优配置参数设计值下，预期的系统性能比为67.61%，热电比10.3，总系统规模3774.2m2，系统初投资120,000$。具体配置参数如表 2所示。
图 7：基于ORC的太阳能多联供系统优化：(a) 帕累托最优解；(b) 蒸发温度对热电比的影响
表 2 最优额定配置参数和预期性能
根据示范系统所在地12742m2的建筑负荷，采用当地气象数据通过中时仿真研究了最优系统的能量输出。在以小时为时间步长的仿真模型下，全年冷热电输出分别为1269.4MWh，693MWh，321.7MWh；负荷则为1588.6MWh，722.9MWh，603.1MWh（通过TRNSYS仿真得到负荷结果），供需比分别为79.9%，95.9%，53.3%。但是从月时间尺度，负荷匹配特性变差（图 8(a)），主要原因在于太阳辐射的波动性及负荷需求的随机性。图 9显示了小时时间步长下系统在供冷典型日和供热典型日下的负荷匹配特性。结果显示两个典型日下，由优化系统满足的冷热负荷的覆盖因子可接近1，但是电负荷由于辐射波动以及时空不匹配难以获得满意的负荷匹配特性。本质上，此结果代表系统能量输出的最大潜力。如图 8(b)所示，以小时为时间步长的仿真过程中假设油和工质泵的转速随辐射波动实时调节，从而实现了44.7%的系统热经济效率。此外，集成系统的性能比和ORC热效率分别维持67.61%和9.7%。系统运行策略5月15-9月15为CCP模型，其他时段为CHP模式，与负荷需求相匹配。但是，中时仿真结果不能揭示辐射波动下系统的动态响应特性。
图 8 中时仿真能量输出及系统调节：(a) 供需平衡；(b) 变太阳辐射下质量流量调节
图 9 小时时间尺度下载荷特性：(a)供冷季典型日；(b)供热季典型日
为仿真实际串联系统在太阳辐射波动下可能出现的连锁反应，通过可得的典型晴朗天气和多云天气下的实时太阳辐射进行了短时仿真，时间步长为秒。假设系统初始状态为设计的额定状态，由表 2可看出动态仿真结果与长时时间尺度下各状态点间误差小于1.5%。但是，系统预期性能误差较大，其中PTC集热效率和系统性能比误差分别为30.7%和29.34%，原因在于PTC动态模型中考虑的误差因素全面，集热面积增大以达到系统各状态点的设计值。
图 10显示典型晴天条件下，峰值辐射880W/m2出现在t=19400s，而峰值来油温度243.4℃在延迟4000s后出现，回油温度峰值与来油温度同步达到。油温变化趋势与辐射变化趋势一致（图 10(a)）。蒸发和冷凝温度、以及冷却水出口温度变化趋势与油温一致，最大偏离设计值分别为95.9℃，18℃和12.7℃（图 10(b)）。因此，导致系统发电输出和余热波动，范围分别为31.1~156.0kW，625.4~1651.0kW（图 10(c)）。ORC热效率在辐射816.4~463.1W/m2 (20600s~26600s)区间可稳定在9.6%，认为是系统稳定运行状态区间。但是，安全运行状态区间（即蒸发器出口干度大于1的状态），仅维持在20600s~26600s（图 10(d)）。
图 11显示典型多云天条件下，峰值辐射可达958W/m2，峰值导热油与峰值辐射间时延缩至220s，温度215℃，反而低于晴天峰值辐射880W/m2对应的温度（图 11(a)）。太阳能热驱动的多联供系统在无控制情况下，本身具有抵抗辐射波动、加强系统稳定性的热惯性，使供能输出更平滑（图 11(b)）。最大发电功率输出127.5kW，余热量1361.24kW(低于晴天条件最大值)（图 11(c)）。最大ORC热效率9.5%出现在最大辐射值处，但蒸发器出口干度小于1。系统运行不安全（图 11(d)）。
图 10 ：典型晴天条件下系统短时仿真结果
图 11： 典型多云条件下系统短时仿真结果
5. 结论
基于示范系统中ORC子系统的初步试验结果，本文提出基于MM的串联优化配置。建立全时仿真机制，界定长/中/短时仿真的时间步长分别为年、日和秒。
（1）初步测试结果显示，对于200kW级ORC示范系统，在R123工质和膨胀阀的应用下，实现了10%的热效率；并在R245fa和螺杆膨胀机的机组下，实现了热效率5.6~6.9%，膨胀机输出功约56.5kW，等熵效率55.4%~70.9%的性能。
（2）以能效提升为目标的长时仿真实现了系统最优运行决策的确定。相应的性能比、系统规模和初投资分别为67.61%，3774.2 m2，和$0.12 百万，热电比10.3。
（3）通过中时仿真，评估了系统最大全年冷热电输出为1269.4MWh，693.0MWh和321.7MWh，全年热经济效率44.7%，可满足79.9%，95.9，和53.3%的冷热电负荷。
（4）通过短时仿真研究了系统动态特性。在一个峰值辐射880W/m2的典型晴天内，最优输出功和余热在延时后达到156.2kW和1651.0kW，相应的稳定热效率为9.6%，持续时间15800-30800s，但蒸发器出口干度>1的安全区间仅维持在20600~26600s。而对于峰值辐射958W/m2的典型多云天，最大输入功率和余热仅127.5 kW和1361.24 kW。系统性能衰减并偏离安全运行区间。
参考文献
[1] Adib R. Renewables 2016 Global Status Report. 2016.
[2] Development ERIoN, Commission R. China 2050 High Renewable Energy Penetration Scenario and Roadmap Study: Beijing; 2015.
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[4] Wissner M. The Smart Grid – A saucerful of secrets? Applied Energy. 2011;88:2509-18.
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