高思靜，李興泉*，郭暢，石丹陽

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450046)

0 引言

冷熱電三聯(lián)供是實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的高效能源利用形式，它可將發(fā)電之后的低品位熱能用于制冷供熱，以提高能源的綜合利用效率[1]。冷熱電聯(lián)供發(fā)展較迅速的主要有英國、美國、加拿大、法國、德國和日本等國;早在上世紀(jì)30年代，美國就建成了第一個(gè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分布式能源站總數(shù)現(xiàn)已超過6000座;在過去的20年里，英國已安裝1000多個(gè)小型的分布式供能系統(tǒng)設(shè)備[2]。關(guān)于系統(tǒng)的節(jié)能性問題，國內(nèi)研究較多，多數(shù)認(rèn)為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是節(jié)能的，某些認(rèn)為節(jié)能是有條件的，而另一些認(rèn)為不節(jié)能[3]。文章從一次能耗的角度出發(fā)，通過計(jì)算制冷工況的吸收式制冷系統(tǒng)和電壓縮式制冷系統(tǒng)的一次能耗，分析冷熱電三聯(lián)供制冷系統(tǒng)的節(jié)能性。

聯(lián)供系統(tǒng)在供熱工況下的節(jié)能效果是一致認(rèn)可的，熱電聯(lián)供利用發(fā)電后的低品位熱量向外供熱，而鍋爐則是將高品位燃料化學(xué)能直接通轉(zhuǎn)化低品位熱量向外供熱。因而熱電聯(lián)供的(火用)效率一定高于鍋爐供熱[4]。但制冷工況下的吸收式制冷與常規(guī)的電壓縮式制冷相比卻不一定節(jié)能，雖然吸收式制冷也是利用低品位的蒸汽熱能，但壓縮式制冷機(jī)的COP遠(yuǎn)高于吸收式制冷機(jī)。本文以小型燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力設(shè)備組成的聯(lián)供系統(tǒng)為例分析其節(jié)能性。

1 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

1.1 聯(lián)供系統(tǒng)的工作原理

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供是指以天然氣為主要燃料燃燒帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電滿足用戶的電力需求，同時(shí)回收系統(tǒng)排放出的廢熱向用戶供熱、供冷[5]。與常規(guī)的燃料燃燒直接供熱制冷相比，由于實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，使能源利用效率得到大幅提高，一些發(fā)達(dá)國家的熱電效率已經(jīng)達(dá)到了96%。本文以小型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、吸收式制冷機(jī)等設(shè)備構(gòu)成的聯(lián)供系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+吸收式制冷機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)圖

1.2 制冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)

當(dāng)量熱力系數(shù)是指消耗單位一次能源熱量能夠產(chǎn)生多少冷量，即消耗1kJ燃料熱能所能得到的制冷量[6]。制冷系統(tǒng)主要由制冷主機(jī)和溶液泵、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備組成。冷熱電聯(lián)供的吸收式制冷系統(tǒng)與壓縮式制冷系統(tǒng)除了制冷機(jī)的能耗不同，系統(tǒng)中其他輔助設(shè)備的能耗也存在一定程度的差異，所以在分析冷熱電聯(lián)產(chǎn)制冷系統(tǒng)的節(jié)能性時(shí)應(yīng)綜合考慮，應(yīng)計(jì)算制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)而不僅是制冷機(jī)的。

根據(jù)上述分析，常規(guī)的電壓縮式制冷系統(tǒng)的能耗包括制冷機(jī)和系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的耗電量。所以，對(duì)于壓縮式制冷系統(tǒng)，當(dāng)量熱力系數(shù)ξce計(jì)算式為:

式中:Qc為制冷量，kW;Wce、W'ce分別為壓縮式制冷機(jī)的耗電量及其他設(shè)備的耗電量，kW;ηe、ηn、ηm分別為全國平均發(fā)電效率、電網(wǎng)輸送效率及電動(dòng)機(jī)總效率。

吸收式制冷系統(tǒng)的能耗主要包括制冷系統(tǒng)消耗的熱量和溶液泵、冷卻水泵、冷水泵以及冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備的耗電量。所以，吸收式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)ξca為:

式中:Qc為制冷量，kW;Qh為吸收式制冷機(jī)組的耗熱量，kW;Wca為吸收式制冷系統(tǒng)的總耗電量，kW;ηp為蒸汽管道輸送效率。文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)了燃?xì)廨啓C(jī)—余熱鍋爐—蒸汽溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)方案的μ值的計(jì)算公式為:

式中:Qf為燃料熱量，kJ;P為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率，kW;ηb余熱鍋爐的效率;cp為燃?xì)廨啓C(jī)排氣比熱，kJ/(kg·K);v為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電耗熱率，kJ/(kW·h);D1、D2分別為余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量、燃?xì)廨啓C(jī)的排氣量，kg/h;h1、h2為余熱鍋爐給水焓、余熱鍋爐的出口蒸汽焓，kJ/kg;t0、tp為環(huán)境溫度、燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度，K。

1.3 制冷系統(tǒng)的一次能耗

一次能耗率是一次能耗量與需要輸出能量的比值[7]。所以聯(lián)供系統(tǒng)中吸收式制冷系統(tǒng)的一次能耗率和一次能耗量分別為:

與之相對(duì)應(yīng)的冷熱電分供的電壓縮式制冷的一次能耗率和一次能耗量為:

2 計(jì)算分析

2.1 μ值的計(jì)算

表1為美國Solar公司小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)參數(shù)[8]，由公式(3)計(jì)算出不同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)的μ值，列于表1。

表1 SOLAR小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)參數(shù)及μ值表

2.2 一次能耗的計(jì)算分析

表2 1163kW制冷系統(tǒng)能耗表

表3 1163kW制冷系統(tǒng)一次能耗、一次能耗率、及當(dāng)量熱力系數(shù)表

表2為文獻(xiàn)[8]給出的1163kW電壓縮式制冷系統(tǒng)與溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)(蒸汽雙效型)能耗數(shù)值。由公式(1)、(2)、(5)和(7)可以計(jì)算出上述兩種系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)和一次能耗，見表3。其中，大型火力發(fā)電廠的發(fā)電效率只有30% ～39%[9]，全國平均發(fā)電效率取火力發(fā)電效率 0.33，電網(wǎng)輸配電效率取0.9，拖動(dòng)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)的總效率取 0.9。

系統(tǒng)得到相同制冷量的一次能耗越少則節(jié)能效果越好，根據(jù)表3，聯(lián)供的吸收式制冷系統(tǒng)一次能耗明顯低于電壓縮式制冷系統(tǒng)。所以，冷熱電三聯(lián)供制冷系統(tǒng)節(jié)能性優(yōu)于分供系統(tǒng)的電壓縮式制冷系統(tǒng)。分別以不同的壓縮式制冷系統(tǒng)為比較基準(zhǔn)計(jì)算一次能耗節(jié)約率與系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 一次能耗節(jié)約率與系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)的關(guān)系

由圖2可以看出吸收式制冷系統(tǒng)相對(duì)于壓縮式制冷系統(tǒng)是節(jié)能的，且系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)越大，一次能耗節(jié)約率越高。相對(duì)于離心式制冷機(jī)的制冷系統(tǒng)的節(jié)能率都在25%以上。

上述分析是建立在全國平均發(fā)電效率為0.33的基礎(chǔ)上的，但是目前我國純?nèi)济弘姀S效率最高可達(dá)40% ～42%，純?nèi)細(xì)怆姀S的發(fā)電效率以燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的最高，通?？蛇_(dá)55%，再分別以平均發(fā)電效率為40%和55%進(jìn)行計(jì)算，得出不同發(fā)電效率下一次能耗節(jié)約率隨當(dāng)量熱力系數(shù)的變化，如圖3、4所示。

圖3 ηe為40%時(shí)節(jié)能率與當(dāng)量熱力系數(shù)的關(guān)系

圖4 ηe為55%時(shí)節(jié)能率與當(dāng)量熱力系數(shù)的關(guān)系

由圖3、4可以看出，發(fā)電效率對(duì)制冷系統(tǒng)的節(jié)能性影響很大。當(dāng)發(fā)電效率為40%時(shí)，值為2.32的吸收式制冷系統(tǒng)對(duì)于所有的壓縮式制冷系統(tǒng)都是不節(jié)能的;其他幾種值不同的機(jī)組都是節(jié)能的，當(dāng)以離心式制冷系統(tǒng)作為比較基準(zhǔn)時(shí)，聯(lián)供的制冷系統(tǒng)就體現(xiàn)不出明顯的節(jié)能效果了。當(dāng)發(fā)電效率為55%，以活塞式制冷系統(tǒng)為基準(zhǔn)時(shí)，只有值為2.32的吸收式制冷系統(tǒng)是不節(jié)能的，但是以離心式制冷系統(tǒng)為比較基準(zhǔn)時(shí)，所有的燃?xì)廨啓C(jī)組合都不節(jié)能，與螺桿式制冷系統(tǒng)相比，也只有少數(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)組合是節(jié)能的，節(jié)能效果也不明顯。

3 結(jié)論

對(duì)于由小型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、吸收式制冷機(jī)等設(shè)備組成的聯(lián)供系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)的類型和電網(wǎng)發(fā)電效率都對(duì)其節(jié)能性有較大影響，而且它們之間是相互影響的。當(dāng)采用雙效吸收式制冷機(jī)組，以性能比較好的燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置，并且平均發(fā)電效率較低時(shí)，吸收式制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯。研究結(jié)果表明:當(dāng)全國平均發(fā)電效率提高到40%時(shí)，多數(shù)機(jī)組還能體現(xiàn)出節(jié)能優(yōu)勢(shì)，但最小時(shí)已達(dá)0.6%;當(dāng)發(fā)電效率取55%時(shí)，多數(shù)機(jī)組已不能滿足節(jié)能性要求。

在進(jìn)行冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電效率，選擇合適的燃?xì)廨啓C(jī)和制冷機(jī)機(jī)組配置。在一定程度上減少空調(diào)設(shè)備的使用和能源消耗，為建筑節(jié)能做出貢獻(xiàn)[10]。本文對(duì)于制冷系統(tǒng)節(jié)能效果的分析是以聯(lián)供系統(tǒng)中的余熱制冷與直接用電的電壓縮式制冷進(jìn)行對(duì)比，存在一定的不完善性，還可以將聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電用來制冷，同時(shí)利用余熱制冷，對(duì)比其總制冷量與直接電壓縮制冷量相同時(shí)的能耗，進(jìn)行更深入的研究。

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