基于热气机分布式冷热电三联供效益分析

摘 要 : 冷热电三联供是由多个小型能源岛相连，在向本楼宇供应冷、热和电力的同时，依靠因特网的指挥调度，可实现临近系统的互连互靠，形成自下而上的“能源互联网”。这种供能方式弥补了由大型电厂、多层电网及供热锅炉组成的传统城市能源体系的不足。

关键词 :冷热电联产 天然气 效益 分析

1引言

冷热电三联供的发电系统以小规模(数千瓦至数兆瓦)、分散布置的方式建在用户附近。它不仅满足了区域内用户的用能需求，还节省大量的城市供热管网的建设和运行费用。它由多个小型能源岛相连，这种供能方式弥补了由大型电厂、多层电网及供热锅炉组成的传统城市能源体系的不足。

2 基于热气机的分布式冷热电三联供系统

热气机又称斯特林热机（Stirling Engine），是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机。该机运行时，燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功。燃料燃烧发电后的余热包括排烟和冷腔冷却水中含有的热量，可以用来供热和提供生活热水。

图1 和图2 分别为基于热气机的分布式冷热电三联供和传统冷热电分供系统示意图。如图1 所示，首先由热气机利用天然气发电，烟气由于温度较低而经过处理直接排掉，将缸套冷却水中的余热通过容积式换热器吸收利用，全年提供建筑物生活热水，冬季还用来提供建筑物采暖热负荷。夏季冷负荷直接由吸收式冷热水机组提供。冬季不足采暖热负荷由溴化锂吸收式冷热水机组补充，不足电力从电网补充。图2 所示的传统冷热电分供系统采用购电、锅炉和空调联合工艺，建筑物夏季冷负荷由电制冷空调机组承担，全年供热负荷（包括生活热水负荷和采暖负荷）由燃气锅炉燃烧天然气提供，用电负荷（包括空调机组用电和照明等其它设备用电）从公用电网购得。

3 住宅楼冷、热、电负荷

由于冷热电三联供系统节能与经济性均和建筑物负荷密切相关，本文选择了中国某大型城市中一典型五层住宅楼作为计算对象。表1 为此住宅楼具体构成情况。

表1住宅楼的组成情况

表2 为住宅楼空调负荷室内外计算参数。住宅楼生活热水需求情况如表3 所示。

表3住宅楼生活热水消耗量

住宅楼冷负荷采用空调用冷负荷系数法进行计算，夏季典型日冷负荷变化情况如图3 所示。经分析，可以认为一天中有5h 冷负荷为70kw，12h 冷负荷为65kw，另有7h 冷负荷为58kw。利用供暖通风设计手册中通用空调热负荷计算方法，计算住宅楼冬季热负荷为52.3kw。由表3 可得住宅楼每小时生活热水需求量为872kg/h，如果热水需从5℃加热到50℃，大约需要46kw 的加热量.

本文取住宅区的用电指标为45W/m2，并取住宅楼用电需要系数值为0.76，于是整个住宅楼的用电负荷大约为35kW。

4 效益分析

4.1 系统配置

依据住宅楼冷热电负荷实际情况，三联供系统选择一台中国船舶重工集团711 研究所研制生产的容量50 KW的热气机和一台远大公司生产的制冷供热量均为70kW 的BCT70 双效直燃式溴化锂吸收式冷热水机组。考虑到热气机发电剩余部分可供应住宅楼附近的其它建筑物使用，本文在进行效益分析时认为热气机全年全负荷运行，并将热气机总发电量作为系统收益的一部分。热气机和吸收式冷热水机组性能分别如表4 和表5 所示。

表4热气机基本参数

表5澳化锂制冷机基本参数

传统冷热电分供系统选用上海新业锅炉厂生产的WHS 系列100kW 燃气热水锅炉，其天然气燃烧效率为85%。电制冷空调机组选用约克公司的制冷量为81kW 的压缩式制冷机组，其COP 值约为3.5。

系统在全年全天24h 内有效运行。

4.2 节能效益

组成冷热电联供系统的各种设备所消耗能量品位和来源都有不同，为进行能耗的分析比较，本文将它们全都折算为一次能源消耗量，其中电量按全国发电能耗折算，取发电效率为30%。一次能耗率（PER）是一次能耗量与需要输出能量的比值。给出相对一次能耗率的概念，它反映了相同的需要输出能量值时，冷热电三联供系统相对传统分供系统节约一次能耗量的程度。相对一次能耗率可由式（1）计算得出：

式中Δq p 为相对一次能耗率， Q ps 、Q p 分别为传统冷热电分供系统和三联供系统的一次能耗量，PER CCHP 、PER SG 分别为传统冷热电分供系统和三联供系统的一次能耗率。具体计算结果如表6所示。

表6两种能源供应方式依次能耗率

由表6 可知，基于热气机的三联供系统的一次能耗率在各个时期均低于传统的冷热电分供系统，全年的相对一次能耗率为13.3%，具有明显的节能效果。并且还可以看出，三联供系统供热期的相对一次能耗率远高于制冷期和过渡期， 这主要是由于供热期内三联供系统更加充分地利用了热气机产生的余热。

4.3 经济效益

本文取家用热泵型电空调机组的制冷COP 值为2.8，制热COP值为3.5；电价按照上海市供电局提供的数据取统一电价为0.62 元/kWh；城市煤气燃料价格取值为1.05 元/m3。依据上述取值，可以计算出某城市住宅楼使用的冷热量成本：冷价为0.222 元/kWh，热价为0.178 元/kWh，生活热水价格取值为19 元/t。表7 和表8 分别为冷热电三联供和传统分供系统的初投资。两系统的经济性计算结果列于表9。计算中天然气价格取值为1.9 元/Nm3。

表7热气极冷热电三联供系统初投资

表9两种能源供应方式经济性比较

由表9 可以看出，基于热气机的冷热电三联供系统的年净收益几乎是传统分供系统的两倍，而其投资回收期（6.42 年）高于传统分供系统（6.73 年），本文认为两系统大修费用基本相同，由计算结果可知，三联供系统十年总投资全利润比分供系统多148,280 元。随着系统的推广应用，系统初投资会随之降低，系统投资回收期相应有较大幅度的缩短。热气机的余热利用率对三联供系统的节能效益和经济效益有较大的影响，如图4 所示。热气机的余热利用率是指系统全年实际利用余热量与热气机实际产出余热量之比。本文分析时假定热气机满负荷运行，提供的冬季住宅楼采暖负荷不变，即52.3kW。热气机其他余热用来提供生活热水，通过改变生活热水量来调节系统余热利用率。由图4 可以得出，系统余热利用率越高，其投资回收期越短，一次能耗率越低。投资回收期变化曲线随着余热利用率的升高而逐渐平缓，余热利用率越低，其变化对系统投资回收期影响越大。当系统余热全部得以利用时，系统投资回收期仅为2.23 年，一次能耗率为1.23。

分析中还发现，能源价格也是影响三联供系统的经济效益的一个重要因素。图5 显示了天然气价格对系统全年净收益和投资回收期的影响。可以看出，天然气价格越低，三联供系统全年净收益越高，投资回收期越短。天然气价格越高，其变化对系统投资回收期影响越大。当天然气价格为1.4 元/Nm3，例如北京地区，系统的全年净收益约为184,000 元，投资回收期仅为2.83 年。

5 结论

采用热气机和吸收式制冷机的能源岛系统，是一条我国现阶段发展城市天然气能源岛产业的有效技术途径。基于热气机的冷热电三联供系统将天然气利用、发电、采暖和制冷技术整合在一起，提高了资源利用率，节能效果显著，经济效益明显。热气机余热利用率和能源价格是影响该三联供系统节能效益和经济效益的主要因素。余热利用率越高，系统投资回收期越短一次能耗率越低；天然气价格越低，系统投资回收期越短，全年净收益越高。而且余热利用率越低，天然气价格越高，两者的变化对系统投资回收期的影响越大。在现有条件的基础上，提高设备运行效率并尽可能充分利用热气机产生的余热是提高整个系统节能效益和经济效益的努力方向。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。