1、第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology液流电池冷热电储综合能源系统优化设计郑新，于浩，郭霄宇，周颖，左元杰，刘雨佳（北京和瑞储能科技有限公司，北京 102209）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：
2、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doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0674 中图分类号：TK 01 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-870-08Design optimization of integrated ene
3、rgy system using liquid flow battery and heating and cooling storage energy systemZHENG Xin,YU Hao,GUO Xiaoyu,ZHOU Ying,ZUO Yuanjie,LIU Yujia(Beijing HE Energy Storage Technology Co.Ltd,Beijing 102209,China)Abstract:A comprehensive energy system was developed for a large office building in north Chi
4、na using a photovoltaic power generator,an iron-chromium liquid flow battery,a heat pump,and water energy storage.The annual hourly energy consumption and benefit analysis of the energy system are conducted by compiling calculation programs,optimizing algorithms,and other processing methods.Economic
5、 indicators,such as the initial investment,annual energy consumption,operating cost,energy conservation rate,and life cycle cost(LCC),are used to evaluate the systems economics and design.The results indicate that the multiple energy source system has better energy conservation and economics.The opt
6、imized storage tank volume is 920 m3 with 14 heat pumps and an LCC of 13.4708 million yuan.The iron-chromium liquid flow battery stored power and heat,while the water energy storage system was used for heating and cooling storage,resulting in an annual average photovoltaic power consumption of 65.3%
7、.At this cooling and heating load supply level,an energy storage supply of more than 67%was achieved from the total cooling and heating energy supply,of which 100%was acquired in March,September,and November.Keywords:liquid flow battery;comprehensive energy;energy storage;benefit analysis储能系统与工程收稿日期
8、：2022-11-15；修改稿日期：2022-11-26。第一作者及通讯联系人：郑新（1990），男，硕士，工程师、经济师，研究方向为储能及热泵技术应用，E-mail：。第 3 期郑新等：液流电池冷热电储综合能源系统优化设计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1。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
9、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2-3。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4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5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6运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7通过配置水储热水箱，有效扩大了地热单井供
10、热能力，与燃气锅炉调峰方案相比，具有较好经济性。杨林等8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9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10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11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12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
11、与制热量的线性匹配关系。周守军等13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14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
12、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
13、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15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如图2所示。2 综合
14、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8712023 年第 12 卷储能科学与技术组制冷、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。主要的综合能源方案系统架构如图3所示。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
15、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
16、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，图4热泵耦合储能综合能源方案简图Fig.4Schematic diagram of multiple energy source system020040060080010001200140010002000300040005000600070008000900003006009001200150018002100240027003000t/h100020003000400050006000700080009000t/h冷负荷/kW热负荷/kW图1建筑物逐时冷热负荷Fig.1Hourly building coolin
