宋丹丹

上海舜卓能源科技有限公司

引言

得益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)互聯(lián)帶來(lái)的可靠性，集中式供能系統(tǒng)在我國(guó)一直處于主流地位[1]，但存在污染嚴(yán)重、靈活性差、輸配電損耗高、因故障容易大面積停電等問(wèn)題[2]。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求的增長(zhǎng)，為解決傳統(tǒng)集中式供能的一些弊端，發(fā)展分布式能源已成為我國(guó)能源發(fā)展的新趨勢(shì)[3]。

1998年，中國(guó)建成第一個(gè)分布式能源，2010年后，我國(guó)出臺(tái)針對(duì)分布式能源的產(chǎn)業(yè)政策，“十二五”后，以天然氣和光伏為代表的分布式能源發(fā)展迅速，相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策也密集出臺(tái)。燃料多樣性和本地化對(duì)分布式能源具有推動(dòng)作用，政策和技術(shù)進(jìn)步為分布式能源發(fā)展創(chuàng)造了新的動(dòng)力。[1]

分布式能源相對(duì)于傳統(tǒng)集中式能源具有開放程度高,多能源耦合能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以滿足用戶的多種能量需求和其他性能要求[4]。本文基于天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵各自的設(shè)備特點(diǎn)，提出適用于不同工況需求的分布式復(fù)合供能系統(tǒng)，建立熱力學(xué)模型，對(duì)比現(xiàn)有常規(guī)分產(chǎn)供能系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行能量分析和?分析，并討論不同參數(shù)變化對(duì)于系統(tǒng)效率的影響，為本復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)作理論參考。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工作原理

如圖2所示，熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來(lái)的一種制熱技術(shù)。實(shí)質(zhì)上是一種能源采掘機(jī)械，以消耗一部分高質(zhì)能（機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮艿龋檠a(bǔ)償，通過(guò)熱力循環(huán)，把環(huán)境介質(zhì)（水、空氣、土地）中儲(chǔ)存的低質(zhì)能量發(fā)掘進(jìn)行利用?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)通過(guò)自然能（空氣蓄熱）獲取低溫?zé)嵩?，?jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫?zé)嵩?，用?lái)取（供）暖和供應(yīng)熱水[5]。目前，熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)在3～5之間。

1 復(fù)合供能系統(tǒng)研究

1.1 主設(shè)備介紹

對(duì)于一般工業(yè)、數(shù)據(jù)中心、綜合商業(yè)體、大型醫(yī)院等用戶，這些用戶對(duì)冷、熱、電有較大且較穩(wěn)定、連續(xù)的負(fù)荷需求，通常采用燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)作為分布式能源的原動(dòng)機(jī)，但對(duì)于酒店、游泳池、養(yǎng)老院、健身房等小型用戶，能源需求量較小，且隨晝夜、季節(jié)、營(yíng)業(yè)時(shí)間等的變化有較大的波動(dòng)，可選用微燃機(jī)或分布式熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化供能系統(tǒng)。

因綜合效率高、噪音值低、排放量低，本文選擇分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為主機(jī)，其工作原理如圖1所示。機(jī)組主要包含天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢熱通過(guò)高效熱交換器回收并最終以熱水的形式提供給客戶端，以意大利熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組TOTEM為例，機(jī)組噪音為61d B(A)，NOx（5%O2）＜10ppm，綜合效率可達(dá)97%，具有集成化程度高，占地小，使用靈活方便的特點(diǎn)。

圖2 空氣源熱泵工作原理

2.2 復(fù)合供能系統(tǒng)工藝流程

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵均為發(fā)展已久的成熟產(chǎn)品，但單獨(dú)應(yīng)用，前者為固定的熱電比輸出，后者為單一熱能輸出，且有低溫環(huán)境易結(jié)霜和運(yùn)行效率降低等不足，兩者相互結(jié)合所形成的復(fù)合供能系統(tǒng)可以較好地彌補(bǔ)不足，使其具有更廣泛的應(yīng)用。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵有以下三種復(fù)合供能方式：

（1）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行

如圖3所示，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為系統(tǒng)主要供能設(shè)備，通過(guò)燃燒天然氣推動(dòng)活塞做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，煙氣及發(fā)電機(jī)余熱通過(guò)換熱器回收的熱水，為用戶提供基本的電力和熱水用能負(fù)荷并優(yōu)先予以使用，空氣源熱泵由市電供電并與市電共同承擔(dān)調(diào)峰及備用的責(zé)任，電力不足部分由市電供給，熱水不足部分由熱泵補(bǔ)給，共同滿足用戶負(fù)荷需求。

圖3 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行流程圖

圖4 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵串聯(lián)運(yùn)行流程圖

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與熱泵的復(fù)合供能與傳統(tǒng)市電+燃?xì)忮仩t的供能方式相比，具有能源利用效率高，節(jié)能減排量大，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益好等顯著優(yōu)勢(shì)，當(dāng)氣/電價(jià)比大于7.23時(shí)（燃?xì)忮仩t效率取90%，燃?xì)獾臀粺嶂等?3MJ/Nm3），市電與燃?xì)忮仩t的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。該供能方式相對(duì)于單獨(dú)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，可以提供更大的熱負(fù)荷，適用于熱電負(fù)荷比較大的用戶；另一方面，系統(tǒng)安全性及調(diào)節(jié)性更高，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組滿足相對(duì)穩(wěn)定的用能負(fù)荷，熱泵可根據(jù)用戶的用能波動(dòng)來(lái)作及時(shí)的調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱泵可相互備用，以應(yīng)對(duì)緊急故障等狀態(tài)。

（2）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵串聯(lián)運(yùn)行

如圖4所示，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組通過(guò)燃燒天然氣推動(dòng)活塞做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，煙氣及發(fā)電機(jī)余熱通過(guò)換熱器回收的熱水，所產(chǎn)電力接入電網(wǎng)并入市電網(wǎng)滿足用戶電負(fù)荷；所出熱水進(jìn)一步加熱空氣源熱泵出水，提升熱品味，適用于有更高熱源溫度需求的用戶。

（3）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵并聯(lián)運(yùn)行

如圖5所示，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組通過(guò)燃燒天然氣推動(dòng)活塞做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。煙氣和發(fā)電機(jī)余熱通過(guò)換熱器回收的熱水，所產(chǎn)電力除供給熱泵和系統(tǒng)自耗電外其余并入電網(wǎng)，滿足用戶用電，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱泵滿足用戶用熱。該供能系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)有可調(diào)的熱電比輸出，適用性更為廣泛，可根據(jù)用戶不同時(shí)間段內(nèi)的不同負(fù)荷及時(shí)調(diào)整。

圖5 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵并聯(lián)運(yùn)行流程圖

2.3 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱泵機(jī)組視作黑匣子處理，本復(fù)合供能系統(tǒng)的模型能量流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)供能流程圖

Qf—天然氣輸入能量；η—熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱損失率；Qh—熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱水輸出熱量；Pe—熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量；α—熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量并網(wǎng)系數(shù)；Q0—環(huán)境輸入熱量；Qh—熱泵機(jī)組輸出熱量；η3—熱泵機(jī)組熱損失率;T0—環(huán)境溫度；Tp—排煙溫度；Th—熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)出熱水溫度；Th—熱泵機(jī)組產(chǎn)出熱水溫度。

為方便系統(tǒng)分析，假定系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，而且設(shè)備效率穩(wěn)定不變。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量Pe與燃?xì)廨斎肓縌f之間存在關(guān)系式：

空氣源熱泵機(jī)組產(chǎn)熱量Qh與輸入電量之間存在關(guān)系式：

COP為空氣源熱泵機(jī)組制熱能效比，為設(shè)備性能參數(shù)。參考文獻(xiàn)[6]的動(dòng)態(tài)仿真模擬，上海地區(qū)供熱COP全年平均可達(dá)3.25。

根據(jù)燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程技術(shù)規(guī)程，系統(tǒng)的能源利用效率為有效利用的能量與消耗的總能量之比：

系統(tǒng)的?分析能將能量中的“質(zhì)”與“量”有機(jī)結(jié)合在一起，真實(shí)體現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的“貶值”過(guò)程。因空氣源熱泵機(jī)組是以大氣環(huán)境為低溫?zé)嵩吹?，相?duì)于基準(zhǔn)環(huán)境，環(huán)境輸入系統(tǒng)的?流為0[7]。由圖4可知，復(fù)合供能系統(tǒng)所含總?即為天然氣輸入?，系統(tǒng)對(duì)外輸出可利用?，有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電量?、熱水?、空氣源熱泵的熱?。

電?與電能相等，單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出的電?Ee=Pe；

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所輸出的熱?

空氣源熱泵機(jī)組所輸出的熱?

系統(tǒng)的?效率可定義為系統(tǒng)有效輸出?與輸入總?之比：

2.4 系統(tǒng)熱力學(xué)分析

本系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表1所示，表2為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量不同并網(wǎng)比例條件下的能量與?分析，總體而言，因有熱泵的配置，三個(gè)不同系統(tǒng)的能源利用率很高。從?的利用角度來(lái)看，電能可以完全轉(zhuǎn)換為有用功，電能等于電?，發(fā)電量可以提高系統(tǒng)的?效率，因此對(duì)于燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)，燃?xì)獾幕瘜W(xué)能首先用于制取電力；再者，隨著α的減小，即有更多的發(fā)電量通過(guò)熱泵轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，故?效率不斷下降，但能源利用產(chǎn)出率不斷增加。

因空氣源熱泵把空氣中的熱量通過(guò)冷媒搬運(yùn)至水中，是提高能量品味而非能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，故配置有熱泵的供能系統(tǒng)綜合能源利用率均可達(dá)到100%以上，同時(shí)因熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備對(duì)能源進(jìn)行了高效梯級(jí)回收利用，因此復(fù)合供能系統(tǒng)的能源利用率大于傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)；本系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備機(jī)組發(fā)電效率低于市電發(fā)電效率，熱泵機(jī)組制熱能效高，因而市電使用占比越大的系統(tǒng)電?效率越高，熱泵使用占比越大的系統(tǒng)熱?效率越高；但就總?效率而言，當(dāng)α=的供能系統(tǒng)?效率最高，究其根本，盡管分產(chǎn)系統(tǒng)供電或供熱時(shí)單獨(dú)?效率較高，但因其獨(dú)立性，能源轉(zhuǎn)換過(guò)程和運(yùn)輸過(guò)程中有大量能量以廢熱形式排入環(huán)境，使之系統(tǒng)?效率較低。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)表

表2 系統(tǒng)能量和?利用率

假定用戶端所需電量負(fù)荷為25kW，熱負(fù)荷為131.45kW，傳統(tǒng)分產(chǎn)供能方式以常規(guī)的市電+燃?xì)忮仩t、市電+燃?xì)鉄岜脼榇恚ㄈ∈须姲l(fā)電效率為40%，線路損失率6.4%，燃?xì)忮仩t效率90%，熱泵COP3.25），與不同并網(wǎng)電力系數(shù)下的復(fù)合供能方式作分析，對(duì)能量與?利用方面進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)0≤α＜1時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所發(fā)電力部分驅(qū)動(dòng)熱泵，不足的電力則由市電供給，當(dāng)α=時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱水產(chǎn)量不足以滿足熱需求，則由熱泵機(jī)組滿足。對(duì)比結(jié)果見圖7。

2.5 復(fù)合供能系統(tǒng)效率影響因素分析

復(fù)合供能系統(tǒng)對(duì)于能源利用效率主要取決于設(shè)備性能及運(yùn)行工況，對(duì)于設(shè)備固有性能可變性較小，故從環(huán)境溫度、電力分配比例、熱水出水溫度三個(gè)變化因素對(duì)復(fù)合供能系統(tǒng)的能量利用和?效率進(jìn)行分析。

以α=0.5系統(tǒng)為例，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量變化忽略不計(jì)，此時(shí)，系統(tǒng)電?效率不變，熱?效率隨著環(huán)境溫度的升高而降低，總?效率亦隨環(huán)境溫度的升高而降低；熱泵機(jī)組COP隨環(huán)境溫度降低而降低，故能源利用效率與環(huán)境溫度成正比，但COP并非線性變化，所以熱泵的熱?和熱輸出功率亦非線性，最終表現(xiàn)曲線的能源利用率和?效率，詳見圖8。

圖7 不同供能方式能量與?效率對(duì)比

圖8 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)效率影響圖

在一定的環(huán)境條件下，當(dāng)發(fā)電量并網(wǎng)系數(shù)α減小時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量更多部分用于驅(qū)動(dòng)熱泵獲取熱能，系統(tǒng)的能源利用率得到提高，推導(dǎo)可知能源利用率變化曲線斜率為，但隨著高品位電能轉(zhuǎn)化為低品位熱能，?效率不斷下降，變化斜率為，并網(wǎng)系數(shù)與系統(tǒng)效率曲線詳見圖9。

圖9 電力并網(wǎng)系數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率影響

當(dāng)提高設(shè)備熱水出水溫度時(shí)，也即采用上文所闡述的復(fù)合供能系統(tǒng)方式三，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行。此時(shí)，出水溫度的變化對(duì)于換熱器換熱效率影響很小，故系統(tǒng)能源利用率可認(rèn)為保持不變；但是熱水溫度的提高實(shí)質(zhì)是提高熱能的品味，因此，系統(tǒng)的?利用率得到提高，?效率隨著出水溫度的上升而變大，因出水溫度取值間隔較大，?效率曲線近似為直線顯示，如圖10所示。

圖10 熱水出水溫度對(duì)系統(tǒng)效率影響

3 小結(jié)

本文提出了天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與空氣源熱泵結(jié)合使用的復(fù)合供能系統(tǒng)，闡述了在不同負(fù)荷需求下符合供能系統(tǒng)的應(yīng)用：

（1）當(dāng)用戶端熱負(fù)荷與電負(fù)荷需求均大于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)出，建議采用方式一，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組盡量全負(fù)荷運(yùn)行供應(yīng)基本負(fù)荷部分，波動(dòng)部分由市電與熱泵來(lái)調(diào)節(jié)以滿足熱電需求；（2）當(dāng)用戶端熱電負(fù)荷隨晝夜、季節(jié)等時(shí)間波動(dòng)較大，可選用方式三，熱電比可調(diào)范圍大，動(dòng)態(tài)特性好，匹配度較高；（3）若用戶端熱水溫度要求高，可采用方式二熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與熱泵串聯(lián)，提高空氣源熱泵出水溫度，提升熱品味。

由熱力學(xué)分析得知不同因素的變化對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的能源利用率與?效率產(chǎn)生不同的影響：

（1）與傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)相比，復(fù)合供能系統(tǒng)具有較高的綜合能源利用率及?效率；（2）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電力并網(wǎng)系數(shù)α固定，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，系統(tǒng)綜合能源利用率提高，?效率下降；（3）在一定的運(yùn)行工況環(huán)境下，當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電力并網(wǎng)系數(shù)α變大時(shí)，系統(tǒng)能源利用率線性下降，?效率線性增長(zhǎng)；（4）當(dāng)系統(tǒng)熱水出水溫度提高時(shí)，系統(tǒng)能源利用率保持不變，但?效率隨之提升。

實(shí)際工程運(yùn)用中，應(yīng)具體分析用戶特定的用能需求，結(jié)合各不同系統(tǒng)的特點(diǎn)，以優(yōu)化供能方式，充分發(fā)揮設(shè)備特性，提高能源有效利用率。