熊 瑤 符永正

武漢市某園區(qū)冷熱電三聯(lián)供方案的能效分析

熊 瑤 符永正

武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

本文以武漢某園區(qū)為例，針對(duì)常見的幾種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能效計(jì)算和分析。結(jié)果表明，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能效明顯高于分產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)能率在7%到39%之間。結(jié)合幾種聯(lián)產(chǎn)方案的特點(diǎn)、能效以及初投資，針對(duì)該園區(qū)給出了推薦方案，并分析了提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效的途徑。

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)一次能源利用率火用效率

0 引言

冷熱電三聯(lián)產(chǎn)（CCHP）系統(tǒng)是以天然氣為一次能源，在發(fā)電的同時(shí)將發(fā)電余熱進(jìn)行充分利用的冷熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的梯級(jí)、循環(huán)、高效利用并且避免能量在傳輸過(guò)程中的多次轉(zhuǎn)換和傳輸損失。本文以武漢市某園區(qū)為例，用一次能源利用率和火用效率作為能效指標(biāo)，對(duì)目前常見的幾種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能效計(jì)算和對(duì)比分析。

1 能效計(jì)算方法

針對(duì)能源需求側(cè)相同的總供電量Qe、總供冷量Qc、總供熱量Qh，以一次能源利用率和火用效率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和三分產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能效計(jì)算和對(duì)比分析。

1.1 一次能源利用率的計(jì)算方法

一次能源效率是將輸入能量追溯到一次能源之后，系統(tǒng)終端得到的能量與一次能源消耗量之比，應(yīng)當(dāng)說(shuō)是將能量的生產(chǎn)和輸送環(huán)節(jié)包括在內(nèi)，對(duì)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，并利用余熱裝置進(jìn)行供熱和制冷，其一次能源利用率為：

式中：Qe為項(xiàng)目所需供電量、Qc為所需制冷量、Qh為所需供熱量，Ql為冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能源消耗量。

傳統(tǒng)的冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，電制冷，鍋爐或者熱泵供熱，一次能源消耗量為：

冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源利用率為：

式中：ηf為電廠的發(fā)電效率；ηw為電網(wǎng)的輸送效率；COP為電制冷系統(tǒng)性能系數(shù)；PERfh為制熱性能系數(shù)。

1.2 火用效率的計(jì)算方法

火用效率則是系統(tǒng)中作為收益的火用與作為代價(jià)的火用之比，是基于熱力學(xué)第二定律的能夠反應(yīng)過(guò)程或系統(tǒng)熱力學(xué)完善性的指標(biāo)。

式中：ηe為火用效率；Ee為系統(tǒng)總供電量；Ec為系統(tǒng)輸出的冷量所含火用值；Eh為系統(tǒng)輸出的熱量所含火用值；Ez為燃料的總火用值。

式中：Tc為冷源溫度；Th為高溫?zé)嵩礈囟?；T0為制冷季節(jié)環(huán)境溫度；T0'為制熱季節(jié)環(huán)境溫度。

冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的火用效率：

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的火用效率：

1.3 節(jié)能率的計(jì)算方法

節(jié)能率ζ定義為在生產(chǎn)相同的電量、冷量和熱量的情況下的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能量與分產(chǎn)系統(tǒng)一次能源消耗量的比值。

當(dāng)ζ大于0時(shí)，說(shuō)明冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能，反之則不節(jié)能。ζ的大小反映出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2 武漢市某園區(qū)的冷熱電三聯(lián)供的能效計(jì)算與分析

2.1 項(xiàng)目介紹

該園區(qū)總建筑面積31.3萬(wàn)m2（不含地下車庫(kù)），工程凈用地面積為19.4萬(wàn)m2，總占地面積23.2萬(wàn)m2，包括酒店、劇場(chǎng)、商業(yè)中心、藝術(shù)交流中心以及高層辦公樓等。項(xiàng)目設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為24.5MW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為19.6MW，設(shè)計(jì)電力負(fù)荷16.77MW。

武漢的夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度T0=35.3℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度T0'=-2.4℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度t=18℃。

2.2 聯(lián)產(chǎn)方案和分產(chǎn)方案

對(duì)于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，本文選取四種常見方案。方案一、二、三采取“以電定熱”的原則選取設(shè)備，所選發(fā)電機(jī)組排氣量均能滿足溴化鋰機(jī)組要求。方案四采取“以熱定電”的原則選取設(shè)備，所選發(fā)電設(shè)備不能滿足設(shè)計(jì)電

荷要求，不足部分通過(guò)城市電網(wǎng)獲得。

方案一：小型燃?xì)廨啓C(jī)+余熱/直燃溴化鋰機(jī)組。選擇5臺(tái)Solar-Centaur 40燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電功率3.52MW，效率27.3%，排氣量65.8t/h[1]；12臺(tái)遠(yuǎn)大ZE600煙氣溴化鋰直燃機(jī)，制冷量6978kW，制熱量85kW，煙氣消耗量13.807t/h（單獨(dú)采用煙氣作為能，制冷量、制熱量為額定的30%）。

方案二：燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+蒸汽溴化鋰機(jī)組制冷+板式換熱器制熱。選擇5臺(tái)Solar-Centaur 50燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電功率4.23MW，效率28.7%，排氣量7.2t/h[1]；3臺(tái)10.6t/h的余熱鍋爐，余熱利用率72.5%；臺(tái)遠(yuǎn)大BS600蒸汽溴化鋰直燃機(jī)，制冷量6978kW，汽消耗量7.743t/h。

方案三：內(nèi)燃機(jī)+余熱/直燃溴化鋰機(jī)組。選擇五臺(tái)GE-JMS624內(nèi)燃機(jī)，發(fā)電功率3.832MW，效率6.1%，排氣量53.4t/h；12臺(tái)遠(yuǎn)大BZE600煙氣溴化鋰直燃機(jī)。

方案四：城市電網(wǎng)+小型燃?xì)廨啓C(jī)+余熱/直燃溴化鋰機(jī)組。4臺(tái)Solar-Centaur 40燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電功率3.52MW，效率27.3%，排氣量65.8t/h[1]；12臺(tái)遠(yuǎn)大BZE600煙氣溴化鋰直燃機(jī)。

表1 各方案系統(tǒng)形式

對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)，電力均來(lái)自城市電網(wǎng)，方案五采用螺桿式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t作為冷熱源，方案六采用地源熱泵系統(tǒng)，方案七采用分體空調(diào)。電廠發(fā)電效率為0.35，輸配電效率為0.92[2]。螺桿式冷水機(jī)組性能系數(shù)為4.6，燃?xì)忮仩t效率89%，地源熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)為5.0，制熱COP為4.5，分體空調(diào)制冷能效系數(shù)為3.2，制熱COP為2.4[3]。

各方案系統(tǒng)形式如表1所示。

2.3 各方案的能效及聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能率

根據(jù)機(jī)組性能參數(shù)，計(jì)算出各方案的制冷和供暖工況下一次能源利用率以及火用效率，結(jié)果如表2所示。

表2 各方案能源利用率

根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)四種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)制冷和供暖工況的節(jié)能率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 各聯(lián)產(chǎn)方案相對(duì)于分產(chǎn)方案的節(jié)能率

表2及表3數(shù)據(jù)說(shuō)明，對(duì)于相同的冷熱電負(fù)荷，無(wú)論是一次能源利用率還是火用效率，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)都明顯高于分產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)能率在7%到39%之間。節(jié)能比例與聯(lián)產(chǎn)具體方案以及分產(chǎn)系統(tǒng)冷熱源設(shè)備能效系數(shù)有關(guān)，當(dāng)分產(chǎn)系統(tǒng)冷熱源能效系數(shù)提高，節(jié)能的比例呈下降趨勢(shì)。

方案一是最普通的聯(lián)產(chǎn)方案。使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，然后將發(fā)電余熱利用溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)組制冷供暖，減少了分產(chǎn)系統(tǒng)中能量的多次轉(zhuǎn)換以及傳輸損失，并且實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。

方案二與方案一相比，選擇了機(jī)組容量較大的燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電效率較高，但兩種方案能效值相差不大。因?yàn)榉桨付到y(tǒng)較為復(fù)雜，在余熱鍋爐及換熱器等環(huán)節(jié)有較大熱損失。此方案適合于蒸汽需求量比較大，蒸汽品質(zhì)要求比較高的項(xiàng)目，例如醫(yī)院、藥廠等，還特別適合已經(jīng)購(gòu)買蒸汽鍋爐和蒸汽溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)的單位進(jìn)行技術(shù)改造。

方案三與方案一類似，不同的是選擇了效率更高的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，能效值也遠(yuǎn)高于方案一。

方案四與方案一相比，采用“以熱定電”的原則選取機(jī)組，將城市電網(wǎng)與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)匹配使用，系統(tǒng)能效值比方案一更高。一方面是因?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)發(fā)電效率高于方案一燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，另一方面是因?yàn)榉桨敢粵]有對(duì)發(fā)電余熱進(jìn)行充分利用，浪費(fèi)了部分發(fā)電余熱。

2.4 各方案的初投資比較

經(jīng)濟(jì)性是能源系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，初投資是經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要方面。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的初投資包含發(fā)電機(jī)組和冷熱源系統(tǒng)，分產(chǎn)系統(tǒng)的初投資則主要是冷熱源系統(tǒng)。按照Solar-Centaur燃?xì)廨啓C(jī)2700元/kW，余熱鍋爐300元/kW，電制冷機(jī)970元/kW，換熱器200元/ kW[4]，吸收式制冷機(jī)組價(jià)格根據(jù)產(chǎn)品樣本確定，來(lái)計(jì)算各方案的初投資，結(jié)果如表4所示。

表4 各系統(tǒng)方案初投資

2.5 結(jié)果分析

方案一在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中能效最低，初投資又較高，不建議采用。方案二能效較高，初投資最低，但方案二燃?xì)廨啓C(jī)不運(yùn)行時(shí)，蒸汽溴化鋰機(jī)組沒有能量來(lái)源，無(wú)法運(yùn)行，此方案只適用于有大量蒸汽需求的項(xiàng)目。方案三能效最高，初投資也遠(yuǎn)高于其他方案。方案四能效高于方案一，初投資又較小。結(jié)合各方案特點(diǎn)、能效及初投資，推薦該園區(qū)采用方案四。

3 提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效的途徑

方案一、二、三、四的余熱利用率分別為50.4%，60%，62.1%，62.9%，溴化鋰機(jī)組只利用了部分發(fā)電余熱。而發(fā)電余熱利用率可以達(dá)到70%[5]，這說(shuō)明有一部分余熱被浪費(fèi)了，如果充分利用這部分余熱，將能很大程度地提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能效。

多余的余熱通過(guò)余熱鍋爐轉(zhuǎn)化成蒸汽，然后通過(guò)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，這樣不僅可以充分利用發(fā)電余熱，而且將多余電量上網(wǎng)，對(duì)緩解用電高峰也有一定作用。也可以將多出部分的余熱用于制冷、制熱外銷，在將能源充分利用的同時(shí)也可以提高收益。以本項(xiàng)目為例，在滿足項(xiàng)目所需冷熱負(fù)荷后，多出部分余熱通過(guò)煙氣溴化鋰直燃機(jī)制冷供熱外銷，可以得到各聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效，結(jié)果見表5。

表5 各聯(lián)產(chǎn)方案優(yōu)化后能源利用率

對(duì)比表2和表5中聯(lián)產(chǎn)方案的能效值，可以看出充分利用余熱能很大程度地提高系統(tǒng)的一次能源利用率。但是火用效率卻增幅不大，仍然不高，這說(shuō)明聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仍然有很大的優(yōu)化空間，對(duì)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行火用分析，找出火用損最大的部分進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高聯(lián)產(chǎn)的能效。

4 結(jié)論

1）對(duì)于相同的冷熱電負(fù)荷，無(wú)論是一次能源利用率還是火用效率，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)都明顯高于分產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)能率在7%到39%之間。

2）相比于最普通的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案一，方案二系統(tǒng)更為復(fù)雜，適用于有蒸汽需求的項(xiàng)目；方案三能效更高，同時(shí)初投資也非常高；方案四能效高于方案一，初投資又遠(yuǎn)低于方案一。通過(guò)對(duì)能效和初投資的比較，對(duì)于該園區(qū)，推薦使用城市電網(wǎng)+小型燃?xì)廨啓C(jī)+余熱/直燃溴化鋰機(jī)組的系統(tǒng)形式。

3）充分利用發(fā)電余熱，可以大幅度提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源的利用效率，但是火用效率仍然不高，只有40%左右。計(jì)算系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)的火用效率，找出火用損最大的部分進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能效。

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Ene rgy-e ffic ie nc y Ana lys is of CCHP Sc he m e s for a Pa rk in Wuha n

XIONG Yao,FU Yong-zheng
College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology

The energy efficiency of several common CCHP systems for a park in Wuhan were calculated and analyzed in this paper.The results show that the energy efficiency of CCHP systems are significantly higher than the Separate Cooling,Heating and Power systems,and its energy-saving rate is between 7%and 39%.Combined with the characteristics,energy efficiency,as well as initial investment of some CCHP schemes,recommended scheme is given to the park,and the ways to improve the energy efficiency of CCHP are analyzed.

CCHP,SCHP,PER,exergy-efficiency

1003-0344（2014）04-100-4

2013-5-10

熊瑤（1988～），男，碩士研究生；湖北省武漢市洪山區(qū)雄楚大道199號(hào)武漢科技大學(xué)洪山校區(qū)（430070）；E-mail:bearyaoyao@163.com