周子成

1 引言

冷熱電聯產(Combined Cooling，Heating and Power，英文縮寫是 CCHP)也稱為三聯供。是一種建立在能量梯級利用基礎上同時獲得制冷量、制熱量和電力的一體化綜合能源轉換系統(tǒng)。它將單一的高品位能源轉換為機械能驅動發(fā)電，或者同軸再驅動機械制冷系統(tǒng)的壓縮機，并同時將轉換過程中產生的較低品位的余熱提供吸收式制冷機產生制冷和/或制熱，或者直接回收余熱提供供暖和供熱水等應用。如圖1所示。其特點是對不同品質的能量分別進行梯級利用，將溫度比較高的、具有較大可用能的能量用來發(fā)電，而溫度比較低的低品位熱能用來供暖、供熱水或制冷。因而提高了能源的利用效率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有節(jié)能、削峰填谷、安全、環(huán)保和平衡能源消費等優(yōu)點。實現了能源的更高效利用，是一種公認的先進節(jié)能技術。

我國是天然氣儲量比較豐富的國家。2000年以來，我國天然氣儲量保持了快速的發(fā)展勢頭，近6年新增天然氣地質儲量連續(xù)保持在5000億立方米以上。據有關機構預測，2011-2020年年均新增氣層氣地質儲量5000億立方米；2021-2050年年均增長氣層氣地質儲量4000～7000億立方米。2010年氣層氣產量為900～950億立方米，2020年氣層氣量為1900～2100億立方米；在2025年左右進入高峰期，其年產量將達到2400～2800億立方米，能夠穩(wěn)產到2050年以后。預計2010年我國煤層氣產量可達100億立方米，2020年產量超過300億立方米，2030年達到500億立方米。

此外，我國還從一些國家進口液化天然氣和管道天然氣，如在2013年1-6月從土庫曼斯坦、卡塔爾、澳大利亞、馬來西亞、印尼、烏茲別克斯坦等國共進口了1660萬噸天然氣。

冷熱電聯產在我國剛剛起步，但發(fā)展迅速。在北京、武漢、上海等有天然氣供應的中心城市，由于環(huán)境保護的需要，煤炭使用受到了嚴格的限制，促進了以天然氣為基礎的冷熱電聯產的發(fā)展，如北京燃氣大樓、上海浦東機場等冷熱電聯產項目已投入運行。

圖1 冷熱電聯產系統(tǒng)圖

根據國家發(fā)改委編制的《2010年熱電聯產發(fā)展規(guī)劃及2020年遠景目標》：把(冷)熱電聯產作為采暖地區(qū)大氣環(huán)境治理的重要手段，把(冷)熱電聯產作為提高發(fā)電效率的重要措施：把(冷)熱電聯產作為降低供熱煤耗、提高供熱效益的重要措施：在具備條件的地區(qū)積極發(fā)展各種小型天然氣冷熱電聯產等獨立供能系統(tǒng)。

根據去年發(fā)布的《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》：“十二五”初期啟動一批天然氣分布式能源示范項目，“十二五”期間建設1000個左右天然氣分布式能源項目，并擬建設10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域;未來5-10年內在分布式能源裝備核心能力和產品研制應用方面取得實質性突破，初步形成具有自主知識產權的分布式能源裝備產業(yè)體系。

我國“三北”地區(qū)、長江中下游地區(qū)、中東部地區(qū)和西部地區(qū)等均具備了冷熱電聯產的良好的發(fā)展前景條件和廣闊的市場需求。

在國外，冷熱電聯供系統(tǒng)于1978年由美國公共事業(yè)管理政策法公布后獲得推廣，之后逐漸被其他國家采納，從上世紀90年代開始，冷熱電聯產進入了快速發(fā)展和應用階段。據有關資料，美國目前除了繼續(xù)堅持發(fā)展小型熱電聯產外，正在積極發(fā)展對能源高效利用的小型冷熱電聯產，現有冷熱電聯產裝置系統(tǒng)110余套。美國能源部規(guī)劃到2010年20%的新建商業(yè)、寫字樓等建筑使用小型冷熱電三聯產裝置，到2020年將有50%的新建商用、寫字樓等建筑采用小型冷熱電三聯產裝置。

在歐洲，冷熱電分布式供能技術的發(fā)展日益受到重視。例如丹麥在過去的近20年中GDP翻了一番，然而能源消耗并沒有增加，污染物的排放反而大幅下降，又如荷蘭在1988年啟動了熱電聯產激勵計劃，熱電聯產裝機容量由1987年的2700MW猛增到1998年的7000MW，使該國2000年底的能源效率比1989年提高了22.3%。

日本由于資源比較缺乏，對冷熱電聯產的研發(fā)十分重視。它已成為僅次于燃氣、電力的第三大公用事業(yè)，到2000年底已建成冷熱電聯產裝置1413套，平均容量477kW。

冷熱電聯產的應用領域很廣，在工業(yè)領域中，如鋼鐵廠、化工廠、水泥廠、造紙廠、制藥廠、食品加工廠、紡織印染廠、橡膠廠等；在城市建設領域中，如通過地下管道向室內各重要建筑物供熱、制冷和供電的集中式冷、熱電站；在各種商用和民用領域中，如高層住宅、賓館、醫(yī)院、體育場館、休閑中心，集體宿舍及火車站，輪船碼頭和飛機場等各種建筑和設施均可應用。

近年來，超市的發(fā)展日益擴大，設施日益完善，對能源綜合利用的要求日益提高，節(jié)約能源直接影響到超市商品的銷售價格。因此，冷熱電聯產在超市的應用也引起人們的重視，本文介紹英國南岸大學G.G.Maidment等人的研究分析和探討成果。文中分析成本的貨幣單位為英鎊(￡)。

2 超市的類型

所研究對象的超市商業(yè)面積接近5000m2，選擇這個大小是略大于一般超市的平均值。該超市有兩層，地面層包括零售面積，冷藏、食品準備/加工過程的面積，干貯存和一個餐廳。超市營業(yè)時間是從上午7時到下午10時，一周7天。

超市的供熱、制冷和電力需要量如下：

2.1 需要的熱量

超市的熱負荷是：通過建筑結構的傳熱，居留人員和照明的熱量，從冷柜散出的熱量，滲漏和新鮮空氣，熱水，再加熱負荷。

超市峰值顯熱負荷計算如表1所示。為了滿足這些負荷需要，常規(guī)的方法是采用一個機械采暖空氣通風系統(tǒng)，一臺燃氣鍋爐提供空氣處理機組的熱水，由于冷柜產生巨大的制冷效應，大多數超市不采用顯熱和潛熱的空氣冷卻。盡管是這樣，超市在一年的整個商業(yè)時間內操作在接近21℃的設計條件。為了節(jié)能，超市溫控器在夜間設定為16℃。

表1 超市峰值負荷的細分

熱負荷白天峰值負荷(kW)夜間峰值負荷(kW)傳導負荷-110-88人員顯熱負荷+500照明負荷+1940冷柜負荷-264-154滲漏負荷-208-167新鮮空氣負荷-122-97.9風扇負荷+50+50熱水負荷-100總的穩(wěn)態(tài)負荷-420-507

2.2 需要的制冷量

超市需要的制冷負荷表示于表2。

表2 制冷系統(tǒng)的規(guī)格

系統(tǒng)壓縮機峰值白天制冷負荷(kW)夜間制冷負荷(kW)峰值飽和排氣溫度(℃)最小飽和排氣溫度(℃)飽和吸氣溫度(℃)1HT12251584525-12LT152364525-362HT22251584525-12LT252364525-36

目前安裝在超市的制冷系統(tǒng)是集中式系統(tǒng)，食品種類按照溫度分為冷藏(高溫HT)食品和凍結(低溫LT)食品，圖2表示了冷藏柜和凍結柜使用的制冷系統(tǒng)，壓縮機組操作在分離的吸氣管和公共的排氣集管，通常使用兩個獨立的集中系統(tǒng)使它具有最小的故障風險，每個系統(tǒng)設計成50%的制冷負荷，每個系統(tǒng)的壓縮機安裝在一個公共基礎底板上，形成一個壓縮機組。它包括液體貯液器和多站聯管用作獨立的液體、吸氣和除霜氣體聯接。壓縮機電機是與負荷變化相匹配的轉速控制型。

使用的螺桿壓縮機的操作條件如表2所示。表2也表示了白天的冷柜負荷。而且假定在整個商業(yè)期間這些是恒定的。因為超市內部環(huán)境是保持恒定的。在夜間，由于使用了夜間百葉窗，使負荷降低到白天的70%。

2.3 需要的電力

超市的電力負荷是照明、風扇、設備和制冷裝置。超市使用的總電力表示于表3。

2.4 電力模型

典型超市年電力消耗通過一個有針對性開發(fā)的數學電子表格模型來確定。模型基于外部干球平均溫度，采用BIN方法計算一年中的每天的每小時穩(wěn)態(tài)能量消耗。計算被修改成包括非穩(wěn)態(tài)的影響，如在夜間重新設定再加熱建筑結構能量的貯存。一個時間恒定計算被用于分析非穩(wěn)態(tài)傳熱。將每小時的能量消耗圖累加起來，得到年能量消耗。使用稅收的年能量成本示于表4。只有CCHP系統(tǒng)是免征氣候變化稅的。

圖2 使用冷藏柜和凍結柜的制冷系統(tǒng)

表3 超市使用的電力細分

電負荷白天峰值負荷(kW)夜間峰值負荷(kW)照明負荷26020風扇負荷5050設備負荷13957制冷負荷446253總負荷873358

表4 公用事業(yè)費

常規(guī)超市CCHP系統(tǒng)燃氣成本￡0.011/kWh包含季節(jié)使用量稅和CCL￡0.009/kWh連續(xù)使用稅白天電力時間成本￡0.0493/kWh包含CCL￡0.045/kWh夜間電力時間成本￡0.0273/kWh包含CCL￡0.023/kWh電力輸出價格—￡0.018/kWhCHP-維修成本—￡0.006/kWh

2.5 模型的變化

常規(guī)超市的年能量消耗表示于表5。表5中也表示了煤發(fā)電裝置電力驅動的超市的一次能源消耗。這是初次使用熱電聯產系統(tǒng)和冷熱電聯產系統(tǒng)作為確定一次能源節(jié)省的指標。表4和表5中的CCL表示氣候變化稅。

表5 預測超市的性能

模型預測—常規(guī)超市年燃氣消耗(kWh)1 672 099年燃氣成本(￡)(包含CCL)￡ 18 393年電力消耗(kWh)4 650 739年電力成本(￡)(包含CCL)￡214 351一次能源消耗(kWh)13 910 887總能源成本(￡)(包含CCL)￡232 744

數學模型的輸出結果已經與塞恩斯伯里以及BRE報告的數據作了比較。其結果詳細地列于表6，它表明模型精確地預測了單位機組面積的能量成本和能量消耗。使用冷藏食品和凍結食品的比例是小于4∶1，因此可以說明模型適用的有效性和研究的可行性。

表6 模型的性能與其他超市能源數據的比較

準則模型預測塞恩斯伯里1994/95年平均值BRE典型每年能源成本(￡/m2)46.542-每年能源使用量(kWh/m2)1 2651 1721 254電力與礦物燃料比值2.8643-5

3 冷熱電聯產系統(tǒng)

3.1 冷熱電聯產系統(tǒng)考慮

常規(guī)的冷熱電聯產系統(tǒng)用于空調應用和提供7℃載冷水。然而，超市要求更低的和各種不同要求的載冷水。一種是用于冷藏柜(HT)，另一種是用于凍結柜(LT)。

從可靠性的要求出發(fā)，典型的超市有兩個獨立的集中系統(tǒng)，每個系統(tǒng)占總容量的50%。在一個系統(tǒng)失效時，仍能繼續(xù)進行銷售業(yè)務，沒有重大的損失。如果只有一個整體的制冷系統(tǒng)，當它失效時，超市將無法繼續(xù)營業(yè)，所采用兩個獨立系統(tǒng)是要使得這樣的情形不會發(fā)生。在理論上，兩個系統(tǒng)同時失效的可能性很小。因此，應用于超市的冷熱電聯產設計是遵循這個理念去匹配超市一半負荷的制冷量。

超市的大小是一個問題。需要分別有高溫和低溫的兩個制冷系統(tǒng)，要求熱電聯產系統(tǒng)在1MW以下(熱電聯產的電力)，不包括燃氣渦輪機系統(tǒng)，這意味著對于凍結食品不使用吸收式制冷系統(tǒng)達到凍結需要的溫度。因為它將需要熱電聯產有一個溫度超過180℃的熱源。這樣的溫度只能用燃氣渦輪來達到。而燃氣發(fā)動機不能達到。在本研究中不考慮微型渦輪機，因為它是相對地新的和昻貴的技術。本研究僅考慮低成本的燃氣發(fā)動機，在市場上經過驗證了的，而且在市場上已經有的，但這并不是說微型渦輪機在將來不會考慮。

包括吸收式在內的制冷系統(tǒng)的類型是可以有多種的，例如在表7中列出的有五種選擇可以考慮，所有的是干式冷卻器，夏季高峰負荷條件時用輔助水噴淋，使用BIN模型研究這些系統(tǒng)的經濟和環(huán)境性能。這些系統(tǒng)的主要性能的考慮如表7所示。

表7 冷熱電聯產系統(tǒng)的主要性能

1吸收式冷水機組冷水機組COP冷卻介質介質溫度冷藏食品制冷凍結食品制冷燃氣發(fā)動機發(fā)動機效率水溫(℃)1單效NH3/水0.58丙二醇-8到-4使用冷的丙二醇常規(guī)蒸氣壓縮高溫46%t～32%e1242NH3/水雙級0.4丙二醇-8到-4使用冷的丙二醇常規(guī)蒸氣壓縮常規(guī)57%t～33%e903單效LiBr/水0.71水7到14冷柜內復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)冷柜內復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)常規(guī)57%t～33%e904單效低溫LiBr/水0.62水7到14冷柜內復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)冷柜內復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)低溫59%t～33%e705硅膠/水吸附0.6水7到14冷柜內復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)冷柜內復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)常規(guī)58%t～33%e80

在表7列出的5種系統(tǒng)中，吸收式冷水機組只滿足超市制冷負荷的一半，剩余一半由常規(guī)的壓縮式制冷機提供。在系統(tǒng)1和2中，吸收式冷水機組的丙二醇溶液是循環(huán)在冷藏柜中提供冷量，系統(tǒng)1和2的差別是吸收式冷水機組提供冷卻丙二醇，其中系統(tǒng)1需要一臺高溫熱電聯產燃氣發(fā)動機去驅動吸收式冷水機組。

系統(tǒng)3、4、5使用吸收式機組去冷卻載冷水，然后它循環(huán)去到冷藏和凍結食品陳列柜，這些結合復疊式蒸氣壓縮系統(tǒng)和用載冷水提供復疊式冷凝器的冷卻，它們之間的主要差別是使用冷水機組。

每一冷熱電聯產系統(tǒng)是假設使用熱驅動策略控制，雖然，有許多方法去控制熱電聯產的輸出，使用熱驅動策略控制是因為它節(jié)省一次能源最大，能使發(fā)動機調節(jié)到經常滿足熱需求。由于所有系統(tǒng)都與一個并聯同步發(fā)電機與原動機結合，電力需求和熱電聯產輸出可以保持電力輸出和輸入平衡。

除了第3個系統(tǒng)外，所有吸收式制冷機均已經開發(fā)出來了，并經過了樣機驗證，但市場的占有率還比較低，這影響到它的投資成本，因而還不能與系統(tǒng)3的標準溴化鋰/水吸收式冷水機組相競爭。

3.2 結果

使用模型對每一種案例的年能量消耗和成本進行了計算，并將計算結果與常規(guī)系統(tǒng)作比較。計算出了冷熱電聯產系統(tǒng)增加的投資和維修成本，并且對每種案例的可行性考慮了投資回收期和一次能源的節(jié)省。冷熱電聯產系統(tǒng)的稅收成本見表4。

每一系統(tǒng)的CHP能力范圍進行了模擬，并將結果按照回收期和一次能源成本進行了比較，模擬發(fā)現，這些因素與選擇的發(fā)動機大小有高度敏感性。如圖3所示。圖3的結果使用了另一個因素“EFLH”(equivalent full load hours)表示，它比使用發(fā)動機大小表示更為合理。EFLH是所使用熱電聯產系統(tǒng)同時制熱和發(fā)電的當量滿負荷小時。它隨發(fā)動機能力而變化，大的發(fā)動機尺寸在部分負荷的運行時間較長，因而具有較低的當量滿負荷小時。

這一結果是從回收期和一次能源節(jié)省與當量滿負荷小時的關系進行研究(見圖4和圖5)。從這些圖可以看出，所有系統(tǒng)的曲線形狀是相似的。

圖3 回收期節(jié)省與發(fā)動機大小的關系

圖4 回收期和當量滿負荷小時數的關系

從圖4可以得出一般的結論，所有系統(tǒng)產生最小的回收期是約為7500EFLH。雖然高的收入成本和節(jié)省能源是在低的當量滿負荷小時數時達到，需要較大的發(fā)動機，從而增加了投資成本。因此，7000到7500EFLH代表了營收和初始成本之間最好的折中。可以看出，第3種選擇產生了最低的回收期，雖然系統(tǒng)不給出最低的一次能源消耗或能源成本。選擇更具有競爭力的理由是使用了常規(guī)的溴化鋰吸收式冷水機組，由于它已經成熟地應用在空調領域中，故具有較低的成本。

圖5 一次能源節(jié)省與當量滿負荷小時數的關系

圖6 第3種選擇的一次能源節(jié)省與當量滿負荷小時數的關系

圖5表示一次能源消耗與當量滿負荷小時數之間的關系，它表明了在當量滿負荷小時數低時，一次能源消耗是低的。這是由于使用的控制體系要求更大的發(fā)動機以達到低的當量滿負荷小時數。較大的發(fā)動機節(jié)省較高的一次能源消耗，因為更多的能量是由CHP機組產生，并且一次能源消耗比燃煤驅動發(fā)電和鍋爐產生熱量更高效。在高的當量滿負荷小時數時，使用較小的發(fā)動機容量，并且使用燃氣鍋爐去補充驅動吸收式機組需要的熱量。

如果一次能源消耗與更高效的發(fā)電站相比較，冷熱電聯產不產生顯著的一次能源節(jié)省，這在圖6中示出，其中表示出一次能源節(jié)省比CCGT(燃氣透平聯合循環(huán))發(fā)電更高效。與CCGT發(fā)電相比較，CCHP的一次能源消耗幾乎是相同的，這建議CCHP系統(tǒng)的有效能效率是類似于CCGT常規(guī)發(fā)電和由高效的發(fā)電站(即CCGT)在超市供給熱量。

從圖5可以看出，系統(tǒng)1和2的一次能源分布相似。第2種選擇產生最小的一次能源，這是由于它的熱電聯產發(fā)動機效率略好于第2種CHP發(fā)動機的結果，它對COP低的吸收式冷水機組產生更大的影響，這表明在這些條件下，發(fā)電機的效率是比使用效率更重要。第3、4和5種選擇的一次能源消耗是近似比第1和第2種選擇的計算值低3%，這主要是由于復疊系統(tǒng)增加的級間傳熱的無效所致(柜內壓縮機與冷水機組冷凝器水之間)。

3.3 結果討論

基于這樣的結果，為了實現一次能源節(jié)省15%以上，而同時也是有吸引力的投資回收，建議在同時生產滿負荷熱量和電力時，選擇CHP系統(tǒng)在7000到7500小時。

一次能源節(jié)省是假設電力是從燃煤發(fā)電站替換，然而，由于CO2排放從燃氣驅動的能量是燃煤的排放量的約60%，CCHP系統(tǒng)可以降低CO2排放量接近50%。在短期到中期的CCHP系統(tǒng)能提供CO2排放量降低，較長期的CCHP將需要更高效發(fā)電系統(tǒng)，如CCGT發(fā)電站。

新興的技術將有益于中、長期的CCHP應用，尤其是包括微型燃氣輪機和燃料電池。

(1)燃氣輪機，幾個大公司如VOLVO正在為廣大市場開發(fā)15到500KW輸出消耗的微型燃氣輪機，在未來通過經濟的規(guī)模，具有低的投資，這種渦輪機提供低的維修,和能夠提供驅動適用于凍結目的的低溫吸收式制冷系統(tǒng)。

(2)燃料電池正在加強開發(fā)，并且能放置在CHP整體機的發(fā)動機里，燃料電池相比于傳統(tǒng)發(fā)動機的優(yōu)點是使發(fā)電效率提高10%和實質上產生零污染，當前市場的一個主要壁壘是成本，它約為MYM3000/kW容量，這比常規(guī)燃氣發(fā)動機貴6倍。

4 結論

冷熱電聯產實現了能源的更高效利用，是一種公認的先進節(jié)能技術。我國石油和天然氣資源比較豐富，發(fā)展冷熱電聯產在我國具有廣闊的前景。

本文描述了冷熱電聯產系統(tǒng)在超市應用的理論分析。雖然工作是基于超市的案例研究，但得出的結果是與其他相對恒定負荷的制冷應用相關的，如冷藏庫、工藝過程和工業(yè)制冷應用。本文所描述的已開發(fā)的經過驗證的數學模型，可用于精確預測超市的能源消耗，并考慮了在夏季由于冷柜的漏熱負荷。對于在這個領域的節(jié)能機遇是重要的。

模型已被用于5個冷熱電聯產系統(tǒng)的研究，其中最佳的一個使用標準溴化鋰吸收式冷水機組，主要理由是吸收式冷水機組本身是低成本的，這個選擇方案提供了7年以下的回收期，有一種節(jié)省投資成本的趨勢是使用新技術的帶有系列生產和經濟規(guī)模的吸收式冷水機組，它將降低對其他選擇方案的回收期，這將有可能廣泛使用于標準化超市的M&E服務設計。

結果表明，與燃氣鍋爐和燃煤發(fā)電的常規(guī)的熱和電系統(tǒng)相比，短期和中期的冷熱電聯產能夠提供重要的一次能源/減少排放CO2，在長期CCHP將與更高效電網供電相競爭，新興的技術如燃料電池可以給于冷熱電聯產顯著改進發(fā)動機效率，這給予了冷熱電聯產在制冷應用中的長遠前景。

G．G.Maidment et al.，Combined cooling heat and power (CCHP) in supermarkets，South bank university，UK.