（化工过程机械专业论文）基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究.pdf

硕卜学位论文 摘要 本文建立了冷热电三联产、热电联产冷分产以及冷热电三分产三种能量供应系统的 数学模型，从一次能耗和一次能耗率的角度分析了三联产系统的节能性；并对三联产系 统的能效特性和能耗特性进行了分析；最后对热电联产系统的热电分摊机制进行了研究 和探讨。 从系统的角度出发，提出用制冷系统当量热力系数作为联产制冷系统节能的一个评 价指标，在有关文献的基础上通过理论分析推导了热电联产系统值的计算公式，在此 基础上通过对不同供热机组的值进行计算分析，得出了值的大小主要与汽轮机的进 汽参数和背压排汽或抽汽参数有关的结论，并指出值反映的实质是联产系统所消耗的 总一次能在热、电、冷各部分上的比例分配大小。通过对不同制冷系统一次能耗和当量 热力系数的计算分析，发现联产制冷系统的节能性还与所选用的制冷机组的性能系数 c 卯有关。 在建立的联产和分产系统比较模型的基础上建立了系统一次能耗的数学模型，通过 选取不同的背压式汽轮机、电站锅炉和溴化锂吸收式制冷机，组成三联产系统并从系统 一次能耗和一次能耗率的角度出发对冷热电三联产相对于热电联产冷分产以及冷热电 三分产的节能性进行了计算、比较和分析。结果表明：三联产比二联产系统有一定的节 能性，当两种系统都采用背压机组时，随着供热负荷率x 的减小，二联产系统总一次能 耗增加，三联产的总节能率增加；在一般情况下，冷热电三联产与冷热电三分产相比较， 在热负荷率大的冬季和夏季是节能的，但在春秋过渡期，当热负荷率x 很低时，三联产 则不一定节能。另外，影响三联产节能性的其它主要因素还有：汽轮机的容量、初参 数和抽汽或背压排汽压力；制冷机的性能系数c 卯值的大小；全国平均发电效率 。对楼宇冷热电联产系统，本文也从一次能耗的角度分析了制冷系统的节能性，指出 楼宇级冷热电三联产的制冷系统也有很大的节能潜力。 尝试探讨了冷热电三联产系统在部分负荷和在较小负荷运行时的效率变化规律，并 对联产系统在不同负荷下的总能效率进行了计算和分析，发现：冷热电三联产系统并不 是都处于高能效状态，冷热电三联产的发电效率和总能效率随发电量的下降而降低。之 后对联产系统的能耗特性也进行了分析研究，从系统一次能耗和一次能耗节能率角度出 发初步建立了联产系统节能条件关系式，探讨了热电比、热效率、性能系数等参数对联 产系统能耗特性的影响，研究发现：热电联产及在此基础上的热电冷联产的节能需满足 一定的条件，相对来讲，冷电联供节能条件较热电联产更为苛刻。 针对现有几种常见的热电分摊机制所存在的问题进行了多层次剖析，从能的梯级利 用角度和。娴损的角度出发，在。娴分析法的基础上尝试提出了一种热电分摊的新概念并 初步建立了新的热电分摊模型，通过数学推导初步得到了炯损法的数学表达式。 基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究 关键词：冷热电联产，制冷系统，节能，一次能耗，一次能耗节能率，能效特性，热电 分摊 n 硕一 ：学何论文 a b s t r a c t s t h i sp a p e rb u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e ee l e c t r i ce n e f g ys u p p l ys y s t e m s ： c o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e rs y s t e m ( c c h p ) ，c o m b i n e dh e a t i n ga n dp o w e rs y s t e m ( c h p ) w i t hi n d e p e n d e n te l e c t r i cr e f r i g e r a t i o n ，a n di n d e p e n d e n th e a t i n g ，c o o l i n ga n dp o w e r s y s t e m ( 1 h c p ) f r o mt h ev i e wo fp r i m a r ye n e r g yc o n s u m ea n dp r i m a r ye n e 唱yc o n s u m er a t i o ， i ta n a l y s e se n e f g ys a v i n gp r o p e r t yo ft h ec c h ps y s t e m ；t h e ni ta n a l y s e st h ec h a r a c t e r so ft h e e n e r g ye f e c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m e ；f i n a l l y ，i th a s s t u d i e da n dd i s c u s s e dt h ec o s ta l i o c a t i o n s y s t e mo ft h e m o e l e c t r i cc o g e n e r a t i o n f r o mt h es y s t e mp o i n to fv i e w ，t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e me q u i v a i e n tc o e 衔c i e n tu s e da s 锄 e v a l u a t i n gi n d i c a t o ro ft h ec o g e n e r a t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e me n e 唱ys a v i n g i sc a r r i e do u t b a s e do nr e i e v a n td o c u m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，af o r n l u i af o rc a i c u l a t i n g v a l u eo f c c h pi se d u c e d i ti sc o n c l u d e dt h a tv a r i a b l ei si n f l u e n c e db ys t e a m p a m m e t e r so fs t e a m t u r b i n e ，s u c ha si n l e ts t e a mp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，e x t r a c t i o np r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，o r b a c k i n gp r e s s u r e a n di ti sp o i n t e do u tt h a t v a l u ee s s e n t i a l i yi s t h ea l i o c a t i o np r o p o r t i o no f e n e r g ya m o n gh e a t i n g ，p o w e ra n dc o o l i n gi nc c h ps y s t e m a r e rt h ec a i c u i a t i n go fp r i m a 巧 e n e 唱yc o n s u m p t i o n a n d e q u i v a l e n tt h e n l l o d y n a m i c c o e m c i e n tb e t w e e na b s o 叩t i o n r e f r i g e r a t i o na n de i e c t r i cc o m p r c s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s ，i tc o n c i u d e st h a te n e f g ys a v i n g p e r f o r n l a n c ei nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fc c h p i sr e l a t e dt oc d 尸c o e f _ n c i e n to fp e r f o r n l a n c eo f r e f r i g e r a t o ra n dt h ep a r a m e t e r s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ep r i m a 叫e n e r g yc o n s u m p t i o ni sb u i l tb a s e do nt h e c o m p a r i s o nm o d e lb e t w e e nc o g e n e r a t i o na n d d i v i d e n ds y s t e m ，b yc h o o s i n gad i f l b r e n tt y p eo f b a c k - p r e s s u r es t e a mt u r b i n e ，u t i l i t yb o i l e ra n dl i t h i u mb r o m i d er e f r i g e r a t o r ，t h e ym a k eu pt h e c c h ps y s t e ma n dm a k ec a l c u i a t i o n ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i st ot h ee n e r g y s a v i n gc o m p a r e d t oc h ps y s t e mf r o mt h ep r i m a 叫e n e f g yc o n s u m ea n dp r i m a 叫e n e f g yr a t ea s p e c t s t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tc c h ps y s t e mi se n e r g y s a v i n gc o m p a r e dt 0c h ps y s t e m a n di ft h es t e a m t u r b i n ei s b a c k p r e s s u r e ，t h ea m o u n to fe n e 唱ys a v i n g i s i a 唱e r t h em a j o rf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ee n e f g ys a v i n go fc c h ps y s t e ma r ca sf o l l o w i n g ：c a p a c i t ) ，a n ds t e a m p a r a m e t e r so fs t e a mt u r b i n e ；c o e 币c i e n to fp e 晌r m a n c eo fr e f r i g e r a t o r ；h e a t i n gl o a dr a t e ； a v e r a g en a t i o n a lh e a tg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t ye 绡c i e n c y a t t e m p t i n gt 0d i s c u s st h ee 币c i e n c yc h a n g e sr e g u i a r i t yo f t h ec c h ps y s t e mi nt h ep a r t i a l l o a d 锄di nas m a l l e rr u n t i m ei o a d ，t h e nt h r o u g ht h ec a l c u i a t i n ga n da n a l y s i so ft h et o t a l e n e 唱y e 伍c i e n c yo fc o g e n e r a t i o ns y s t e mu n d e rd i f l f e r e n tl o a d s ，w ef o u n dt h a t ：t l l ec c h p s y s t e mi sn o ta l li n as t a t eo fh i g he n e 唱y - e f f i c i e n t ，粕dt h ep o w e re f n c i e n c ya n dt o t a l u i e m c i e n c yd e c l i n ew t hg e n e r a t ee l e c t r i c 崎c a p a c i 锣l a t c r ，w ea n a l y s i sa n ds t u d yt h ee n e r g y c o n s u m p t i o nf - e a t u r e s ，a n db u i l dt h e c o n d i t i o ne x p r e s s i o nm o d e lo fc o g e n e r a t i o ns y s t e m e n e 聊s a v i n gf r o mt h es y s t e mt h ep r i m a r ye n e 唧c o n s u m ea n dp r i m a 巧e n e 唧s a v i n g r a t e t h em o d e lw a sv a l i d a t e dw i t ha c t u a lp l a n tp e r f o m a n c ed a t a t h ei m p a c t so ft h ec h a n g e si n v a r i o u sf a c t o r s ( r a t i oo fh e a tt op o w e r e n e 喀yu t i l i z a t i o nf l a c t o ra n da b s o 叩t i o nc h i l l e rc ( ) p ) o nt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o no ft r i g e n e r a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h er e s e a r c hi n d i c a t e s t h a t 。t h en e c e s s a i yc o n d i t i o nn e e ds a t i s f i e do nt h et h e n f n o e l e c t r i ca n di t sh e a t i n g ，c o o l i n ga n d p o w e rc o g e n e r a t i o n r e l a t i v e l ys p e a k i n g ，c o m b i n i n gc o o l i n g a n dp o w e rg e n e r a t i o ni ss 仃i c t e r t h a nt h a tf 0 rh e a t i n ga n dp o w e rc o g e n e r a t i o n t a 唱e t i n gs e v e r a le x i s t i n gc o m m o np r o b l e m s i nc o g e n e r a t i o ns y s t e ma n db yw a yo f m u l t i 1 a y e ra n a l y s i s ，t h ea u t h o rh a sc o m eu pw i t han e wc o n c e p t i o no f 印p o r t i o n m e n t ；f r o m t h es t a v eu s i n go fe n e r g y an e wm e t h o df o rc o s ta l l o c a t i o ni sp r o p o s e db a s e do nt h ee x e r g y m e t h o da n dt h er e d u c e de x e r g ym e t h o d ，a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fe x e r g yl o s sm e t h o di s o b t a i n e d k e yw o r d s ：c o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e r ；陀f r i g e r a t i o ns y s t e m ；e n e r g ys a v i n g ； p r i m a 叫e n e 唱yc o n s u m e ；p r i m a r ye n e 唱ys a v i n gr a t e ；e n e 唱e t i ce m c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c ；c o s t a l l o c a t i o n 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 哪自栉 醐例。r 肼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：1 风叩峨日期岫q 年j 月万日 导师签名：曼。培台奏 日期2 。一年，月万日 lf 硕：f j 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源、环境和资源的可持续性是建设和谐社会、实践科学发展观的关键问题。改革 开放以来，我国社会经济高速发展，包括空调、制冷行业的各产业部门的发展也随之取 得了举世瞩同的成就。但与此同时，空调、制冷业的发展也正在带来能源、环境方面的 问题，以电力驱动为主的空调不仪在夏季造成电网尖峰负荷，致使城市电力供应紧张， 而在我国电力生产以燃煤为主的情况下，大量电动空调的使用实际上还在直接、间接地 造成诸如温室气体排放，大气污染等环境问题i i 】。对此，空调制冷行业有着不可推卸的 责任，虽然目前启动的能效标识管理制度将对提高设备性能、降低行业能源消耗，能发 挥重要作用，但在空调行业飞速发展的中国，这还远远不够，积极探索从优化能源结构、 提高整个能源系统效率出发，研究空调系统用能的高效化、清洁化，是解决问题的又一 重要途径。 目前全世界都在推动第二代能源系统的建设，积极试点，认真进行立法准备，抓紧 开发配套相关设备。第二代能源系统具有六个方面的主要特征：一是燃料的多元化；二 是设备的小型、微型化；三是冷热电联产化；四是网络化；五是智能化控制和信息化管 理；六是高标准的环保水平1 2 】。而其中燃料的多元化，设备的小型、微型化，冷热电联 产化和环保要求则代表着能源技术发展的几个重要方向：可再生能源的开发利用、分布 式供电技术的兴起与冷热电三联产系统的发展。在日常生活中，用户对能量结构的需求， 不仅仅是电力，也需要以热量和冷量的能量形式，冷热电三联产系统克服了常规的集中 供电能量形式单一的方式以及原有热电联产系统由于全年用热量不均衡、冬夏热负荷有 差异而造成的发电量不稳定，系统运行指标不能在全年内达到最佳的缺点，通过系统的 有机整合，满足用户对能量的需求，同时实现能量的梯级利用。而现今，微型燃气轮机、 燃料电池、燃气外燃机、各种循环流化床锅炉等先进设备的陆续投产与应用，以及小型 燃气轮机、燃气内燃机等传统设备的不断改进和冷热电联产化，为新的能源体系的建立， 奠定了坚实的基础。一个由因特网和智能化计算机指挥调度的，由无数小型、微型冷热 电系统组成的自下而上的能源系统，将在未来日子里对传统的由大型火电厂，高压输电 线路和多层电压网络系统构成的，以及各种供热采暖锅炉共同组成的城市传统能源体系 有一定的冲击作用p j 。 随着人类2 l 世纪用能和化石燃料的消耗大幅度增加，如何节约利用能源成为人们要 探索的首要问题。在解决这个问题时，除了要提高单个设备的效率外，由设备组成的系 统总能效率也十分重要，因此探索新的能源利用方式也是摆在面前的首要任务。自2 0 世 纪9 0 年代以来国际上已经出现了能源结构优质化的趋势。天然气是世界上2 0 世纪7 0 年代 基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究 以来发展最快的能源。天然气正继煤炭和石油之后，成为第三大商品能源，目前其年耗 量已接近石油，成为2 l 世纪初、中期世界上最重要的化石能源。由于天然气的主要组分 是甲烷等低碳烷烃，在无碳能源尚未成为大规模商品能源之前，天然气是最清洁的能源。 为了彻底改善我国东部城市的大气环境质量，实施西部大开发的发展战略，我国政府制 定了宏伟的西气东输规划，将西部地区丰富的天然气源源不断地输送到东部地区。由于 种种原因，我国的天然气工业发展滞后，1 9 9 8 年产量只占全国能源总量的2 ，远远低于先 进的工业国家，也低于发展中国家。近年来，我国加大了天然气勘探与开发的力度，特别 是“西气东输 工程的开展，以及从俄罗斯等邻国引进天然气项r 的实施，天然气工业 呈现出蓬勃发展的景象，我国天然气的工业应用时代即将到来。 虽然天然气可用量在高速增长，但目前在能源结构中仍然只占较小的比例，尤其是 在我国，以煤为主的基本能源格局不会有根本的变化。因此，如何高效、合理地使，h 宝 贵的天然气也是我们需要慎重考虑的。 1 2 课题研究的背景和意义 随着人们对气候变暖、环境污染、能源供应安全、能源效率的日益关注，冷热电联 产受到了各界的高度重视。实现能源、环境和经济的协调发展已成为人们共同追求的目 标。冷热电联产系统作为一种能源综合利用技术，在能源转换效率方面所具有的突出优 势，因此在世界各国的能源领域具有显著地位。在我国，中国2 1 世纪议程、中华 人民共和国节约能源法、中华人民共和国大气污染防治法等文件与法规中，都明 确表示鼓励发展热电联产与集中供热，将其作为可持续发展战略的重要组成部分，并在 税收等方面给予优惠政策。 热电冷联产是在热电联产的基础上发展起来的，具有很多优点。总的说来，发展冷 热电联产具有以下几点重要意义【4 ，5 】。 ( 1 ) 缓解夏季电力供需矛盾。随着人民生活水平的提高，人们对居住舒适要求越来越 高，制冷与供热需求也越来越大。夏季，空调器大多数是以电力为动力。在一些大城市， 如上海，北京，武汉，南京等地，夏季负荷中，空调负荷几乎占总用电负荷的1 4 。因此， 降低空调负荷对于缓解夏季供需矛盾很重要。据上海电力工业统计分析，从1 9 8 6 2 0 0 1 年，用电最高负荷出现在7 8 月，这使得电力峰谷差增大。热电冷联产是通过汽轮机的 抽汽或背压排汽供给溴化锂机组进行制冷。利用己建成的热电厂发展溴化锂吸收式制冷 机组，一方面替代电力空调，节约大量电力；另一方面增加热电厂的热负荷，可以使热 电厂的发电量增加，缓解供需矛盾。 ( 2 ) 提高热电厂的设备利用率及经济效益。根据我国电力系统热电厂( 6 m w 以上机组 为主) 经验，其供热节能约为3 0 ，供热成本比单供热低3 0 一4 0 。但是热电联产生 活供热受季节影响太大，使热电机组不能达到预定的负荷而使效率降低。一般来说，冬 季工业生产维持正常工艺参数需求的热量大，居民采暖需求量大，热电厂自身供热损耗 硕f j 学位论文 也较大，所以冬季热电厂的热负荷较大。而夏季，采暖和通风热负荷为零，只有工业生 产和生活热水负荷，夏季出现热负荷低谷。机组在低负荷下运行，设备利用效率低。采 用热电冷联产，即用溴化锂吸收式制冷对于增加供热机组夏季供热量，提高机组热效率 和全厂经济效益是显而易见的。在“三北 地区，冬季采暖时间约为4 5 个月，夏季制 冷时间长2 3 个月，全年在较高负荷运行时问约为6 8 个月；在长江中下游地区，冬季 采暖期约为3 个月，夏季制冷时问约为5 6 个月，这样全年在较高负荷下运行时间也可 达8 9 个月。可见，热电冷联产可增加热电厂的夏季热负荷，平衡冬季和夏季热负荷的 峰谷差，这样就提高了热电厂的设备利用率，相应地提高了热电厂的经济效益。 ( 3 ) 节省能源。传统的动力系统的技术开发主要着眼于单独的设备，例如集巾供热、 直燃式中央空调及发电设备。这些设备的共同问题在于单一目标下的能耗高，尚未达到 有限能源资源的高效和综合利用。热电冷联产系统与集中发电、远程送电比较，可大大 提高能源利刚率。 ( 4 ) 有利于环境保护。以氟利昂( c f c ) 作为制冷剂的空调机组，会引起臭氧层破坏 而导致温室效应；而现在采川的氢氧氟烃( h c f c ) 虽然对环境影响小些，但是仍对臭 氧层有破坏能力。而冷热电联产( c o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t n g & p o w e r ，c c h p ) 在降 低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力。因采用溴化锂吸收式机组，溴化锂作为 吸收剂无毒无害，对环境保护很有利。整个系统基本没有二氧化硫、一氧化碳和粉尘的 污染，氮氧化物为2 5 6 5 p p m ，为燃煤设施的l 1 0 1 2 0 。而且由于用户端的能源利用效率 高，真正减少了二氧化碳等温室气体的排放。另外燃气轮机本身发电基本不需要用水， 所需用水全部是用于供热，节水性能极好。据有关专家估算，如果从2 0 0 0 年起每年有4 的现有建筑的供电、供暖和供冷采用楼宇冷热电联产( b u i l d i n g c o o l i n g ，h e a t i n g & p o w e r ， b c h p ) ，从2 0 0 5 年起2 5 的新建建筑及从2 0 1 0 年起5 0 的新建建筑均采用b c h p 的话， 到2 0 2 0 年的二氧化碳的排放量将减少1 9 。如果将现有建筑实施b c h p 的比例从4 提高 到8 ，到2 0 2 0 年二氧化碳的排放量将减少3 0 1 6 】。 ( 5 ) 小型天然气冷热电联产系统能增强能源供给可靠性，可以弥补大电网在安全稳定 性方面的不足。近年以来，美国和加拿大、英国、澳大利亚等国相继发生的大停电事故， 深刻说明传统能源供应形式存在着严重的技术缺陷。而以天然气冷热电联产系统( 分布 式能源系统) 为核心的新型能源体系具有效率高、灵活性强、分散度高、安全可靠的特 点，可作为传统大电厂、大电网的有益补充，能增强整个国家和地区的能源供给的可靠 性。 由于冷热电联产具有以上优点，受到了国家政府部门、学术界、能源电力公司等的 大力关注，特别是西气东输工程的建设，为燃气一蒸汽联合循环冷热电联供和分布式冷 热电联产( 楼宇冷热电联产) 提供了极好的机遇和市场。对于冷热电三联产的技术经济 性和热经济性分析引起了广大学者的兴趣，有不少前辈做了很多工作【7 - 12 1 。但由于热电 冷联产系统庞大，系统的装置和流程组合方式多样化，对于热电冷联产系统的节能性研 3 基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究 究有一定难度，有些文章对其节能性分析时，是从宏观和经验上描述，有些文章为了简 化，做了不是很符合实际的假设。因而，较深入地研究三联产系统各部分的能耗特点和 系统的节能性，可以为三联产系统设计和优化提供参考，这对于提高能源利用效率，促 进冷热电联产事业的快速发展有很大意义。 随着我国能源结构的调整、人民生活水平的提高、城镇化速度的加快，分布式供能 技术的发展也面临着急迫的市场需求和发展动力【1 3 5 1 。近年来，北京、上海、广州己有 十几个分布式供能工程投入运行【1 5 ，1 6 】。但是，上述有限数量的工程与分布式供能技术在 我国应具有的地位存在着巨大的差距，与国外发达国家乃至世界平均发展水平相比明显 滞后。 可以说，对于发展分布式供能技术我国能源动力界已达到共识。从已经建设和将要 建设的项目、从现实可行的角度( 投资较大) 可以看出，分布式供能技术发展的重点区域 在经济较为发达的城市能源环境中【1 5 1 7 】。现在乃至以后较长的一个阶段内，天然气仍是 分布式供能技术的燃料主体【1 8 ，1 9 】。但是，从大力推进分布式供能技术发展的角度看，以 下的问题仍不清晰： ( 1 ) 在我国，应用分布式供能技术经济可行的主体对象是什么? 其热、冷、电负荷有 何特征? ( 2 ) 何种应用对象应采用何种分布式发电、余热利用以及辅助、配套技术? 适宜的规 模、容量是多少? 应当如何运行? ( 3 ) 从全年运行的角度，分布式供能技术的应用能带来多大的经济、环境和能源利用 的效益? ( 4 ) 影响分布式供能技术发展的主要影响因素和障碍有哪些? 外部环境如何改善，技 术本身如何发展才能有利于分布式供能技术的应用和推广? 缺乏这些结论和共识，对我国分布式供能技术的发展潜力、突破点的选取、综合效 益也就不能做出正确的评估和判断。同时，对这些问题认识的不足也会导致对适合我国 国情、地情以至特定应用对象的分布式供能技术的主机类型及其容量、技术方案不能有 一个明确的认识，从而使得分布式供能单项技术的发展缺乏方向和目标。分布式供能单 项技术发展的不力反过来又会影响分布式供能系统的应用和推广，形成恶性循。 楼宇冷热电联产系统有较高的能源效率，但由于系统的复杂性，这种能源系统有多 种构成方式，同时，由于建筑物空调负荷和电力负荷的多变性，多余电力又不能上网， 因此楼宇冷热电联产系统的难点在于确定恰当的热电比，以及最佳的运行控制。从运行 角度考虑，与传统的能源供应方式相比，采用楼宇冷热电联产系统的本质在于回收发电 系统所丢弃的排热、废热或余热，以提高综合能效，即在保证发电效率的前提下充分利 用余热。热电冷联产系统的节能性是一个很值得探讨的问题。国内已有一些文献【2 1 】 对其节能性进行了研究，但由于评价标准和评价对象不一样，得出了不同的结论。 4 硕_ f 学1 1 7 ：论文 1 3 课题相关国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 有关楼宇冷热电联产系统的研究与应用，美国、日本和欧洲等都起步较早。特别是 在欧美等国，由于环境和能源问题，人们越来越关注环境效益和效率高的机械设备研究。 在此情况下，分布式发电、供能方式的热电冷联产发展迅猛【2 2 之4 1 。美国以开发和商业化 为目的，天然气行业、电力行业和暖通空调行业的制造商广泛而深入的参与了该领域的 合作。工业界提出了“c c h p 创意 和“c c h p 2 0 2 0 年纲领”，以支持美国能源部的总体 商用建筑冷热电联供规划，并拟定了明确战略f 1 标：力争在2 0 1 0 年，2 0 的新建商用或 办公建筑使用冷热电联产系统供能模式；对5 现有的商用写字楼改建成冷热电联产的 分布式系统供能模式。2 0 2 0 年在5 0 的新建办公或商用楼群中采用冷热电联产系统，将 1 5 的现有商用、写字楼类建筑的供能系统改造成冷热电联产供能系统1 2 5 之8 1 。规划中倡 导增加综合利用多项技术，包括先进的燃气轮机、微型透平机、先进的内燃机、燃料电 池、吸收式制冷机和热泵、干燥及能源回收系统、引擎驱动及电驱动蒸汽压缩系统，热 储存和输送系统以及控制及系统集成技术，不仅满足建筑物的热和电力负荷的需求，也 从整体上提高了从矿物燃料到能源的转换效率f 2 9 3 0 1 。1 9 3 8 年，美国在哈西杜市某大楼内 建立了第一个冷热电联供系统，该系统采用6 台吸收式制冷机，制冷量为6 0 0 r t 。但是美 国c c h p 真正开始发展是在1 9 7 8 年，从1 9 8 0 年到1 9 9 5 年，美国c c h p 系统的装机容量从 1 2 g w 上升到4 5 g w ，这段时间内，装机容量平均每年增加2 2 g w 【3 l - ”】。目前，美国分布 式能源供应站已达到近6 0 0 0 座，仅大学校园就有2 0 0 多处采用了分布式能源供应站。l9 9 8 年，美国热电联产的发电量就已经达到3 0 6 0 亿千瓦，热电联产发电量约占全美发电量的 9 。分布式供能系统产电量的5 4 为自用电，其余采用经营方式出售给公共电网。如威 斯康星大学冷热电联供系统的电装机容量达到2 8 8 m w ，生产的电力不仪满足学校，还 将剩余电力出售给公共电网【3 4 】。 日本由于资源缺乏，所以对冷热电联产系统十分重视。在8 0 年代后半期，日本对区 域供热和制冷( d h c ) 的需求增长了一倍，每年2 5 0 0 万g j 。其中，东京新宿区的区域供 热和制冷工程最为有名。对于东京市新建的市政厅和1 0 多座摩天大楼，日本东京煤气公 司在1 9 9 1 年初运行了一座高效、高性能的供热制冷中心，其总容量达到1 8 2 8 m w ，1 9 9 3 年扩充至2 0 7 4 m w ，成为世界上最大的区域供热和制冷厂【3 5 ，3 6 1 。 冷热电联产系统在英国的应用发展非常迅速。特别使9 11 事件以后，他们加速了分 布式能源站建设的步伐，以保证供电安全。在过去的2 0 年中，英国国内己安装1 0 0 0 多个 小型成套的分布式供能系统设备，遍布英国的饭店、休闲中心、医院、大学校区、机场、 公共部门建筑、写字楼、购物商城等。比如英国女王的白金汉宫，首相的唐宁街官邸， 而其中曼彻斯特机场是其比较有代表性的一个工程。l9 8 9 年决定建设发电功率6 4 m w 的 三联供系统，向原有的两个候机楼和1 9 9 3 年4 月投入的新候机楼供电和热水。系统实现 基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究 冬季采暖，夏季将多余的回收热量用于吸收式制冷。机场用电7 m w ，新候机楼投运后 共需电1 5 1 8 m w ，原来两个候机楼的热需求为2 m w ( 夏季) 和6 m w ( 冬季) 。系统选 用两台往复式发动机，燃料为重油或天然气。设备还包括5 9 m w 的两台余热锅炉( 可供 应1 4 0 热水) ，以及两台4 m w 的双燃料常规锅炉。设备使用寿命超过2 0 年。整个联供 工程合同额为6 9 0 万英镑。该联供系统一年约发电7 2 0 0 0 m w h ，而供应的热量则相当于 购置1 7 8 5 t j 的天然气。系统年总产值约为1 8 0 万英镑，吸收式制冷每年可节电价值5 万英 镑。实行冷热电联供系统后，系统每年可减少c 0 2 排放物5 万吨，s 0 2 排放物l0 0 0 吨，其 经济效益和环保效益都十分显著【3 列。 热电联产在欧洲各国发展是不一样的，图1 1 是根据欧盟1 5 国热电联产发电量在电 力市场中各自所占有的百分比绘制的，从图中可以看出：它们的平均百分比是l o 1 ， 芬兰、丹麦、荷兰等国其热电联产百分比已经超过3 0 。 图卜1 欧盟1 5 国热电联产发电量在电力市场中占有的百分比 欧盟委员会确信，冷热电联供是能够为欧洲气候目标创造单项最大贡献的能源使用 6 硕：1 ：学位论文 方式。1 9 9 5 年欧洲已有6 6 g w 的联供容量，占电力生产9 的份额；2 0 1 0 年市场份额预 计将达到1 8 1 3 7 1 。日本1 9 9 7 年冷热电联供的容量为4 3 g w ，预计2 0 i o 年将达到 1 0 0 2 g w 【3 8 】( 日本热电中心在热电统计时不包括汽轮机和燃料电池在内) 。由于冷热联产 系统的诸多优点，近年来，美国、欧洲和日本都分别制定了一系列鼓励政策，促使联供 在有章可循的基础上迅速发展。如：日本规定热电联供的上网电价高于火力发电，法国 对热电联供投资给予1 5 的政策补贴，丹麦对热网投资给予5 0 的政策补贴，欧洲委员 会已经批准了强制购买热电联供和可再生能源发电的政策等p 引。美国能源部的统计资料 1 4 0 】显示，2 0 0 0 年美国的建筑耗能已占到全部一次能耗的3 7 ( 其中民用建筑耗能为2 0 ， 商业建筑为1 7 ) ，而且这种状况在今后2 0 年内估计不会有太大的变化。由于建筑耗能 所占的份额，其能源利用率受到了广泛的关注。在美国计划增加的4 6 g w 负荷中，1 7 g w 为各种建筑、市政设施负荷；到2 0 2 0 年，用于建筑的新增的热电联供容量预计将达到 3 5 g w 【4 1 1 。 1 3 2 国内研究现状 针对分布式供能系统在我国发展过程巾存在的上述疑问，国内已有不少学者试图从 不同的角度去回答： a 、在适宜发展的地区上：最适宜发展、应用分布式供能系统的地区是经济发展速度较快 的地区，如珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区等，以及在天然气产地附近、天然气 价格特别便宜的地方i l7 。 b 、在适合的应用对象上：或定性地认为是冷热负荷比例大的用户【4 2 】；或定量地认为合 适的小型分布式热电联供的电热比应在l ：3 5 以上【4 3 】。发展潜力最大的应用场所有的认为 是商场、宾馆饭店、医院、综合办公楼和大学1 4 4 】等分散式对象；有的认为是工业园区及 集中的商业民居建筑等多用户集成对象1 4 5 。 c 、从装机规模和容量上：上海市政府对于分布式供能的定义是功率小于4 0 m w m 】，并 专门发文鼓励单机规模1 0 m w 及以下的分布式供能系统项目并给予补贴【4 6 】：而有的学者 认为5 0 3 0 0 m w 的发电装机规模应是中国发展分布式供能的重点【4 5 】。 d 、从设计原则和运行方式上：有的学者认为应“以热冷定电【4 2 ，4 刀；有的学者则认为 应“以基荷电力定容量，不足电力从电网补充，不足热量补燃解决”【4 3 4 8 】以及“并网不 上网售电【4 3 1 。如果春秋季无冷热负荷，系统应停机，全部电负荷由外电力网供应【4 3 】。 e 、在发展障碍上：大多数学者认为分布式供能目前发展的障碍集中在燃料价格体系不 合理、造价高、电力并网问题、法律法规、政策等方面【47 ，4 引。 f 、在经济、能源利用和排放性能上：多数研究集中于个案分析【4 钆5 2 1 。对于有的案例， 具有明显的经济效益【4 9 ，5 0 1 ；对于有的案例，则需要一定的政策上的扶持和补贴【5 0 ，5 1 1 。 从总体上看，对于分布式供能技术发展相关问题的研究，目前仍以定性的居多，定 量的居少；宏观论断多，支持论据少，结论粗放；个案研究多，系统性的研究少；发展 7 基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究 障碍提得多，有针对性的解决措施提得少。这些都削弱了上述结论的可靠性以及对于我 国发展分布式供能技术的借鉴意义。但是，考虑到分布式供能技术应用对象应用环境、 技术组合上的多样和复杂性，初期的认识不足并不偶然。 从应用对象上看，我国地域广阔，不同地域、不同类型的用户对热电冷负荷总量及 其搭配的需求千差万别。对于靠近用户侧、系统产出必须和用户需求紧密耦合的分布式 供能系统而言，对其发展有关问题的准确认识和判断的首要前提是对我国不同地域、不 同类型建筑物负荷总体需求信息的准确、全面的掌握。 上世纪8 0 9 0 年代，我国的有关科研院所和高校曾经进行过一系列城市能耗分析及 其用能形式的研究，如1 9 8 5 年建设部支持的“民用建筑能耗现状的调查、实测与分析研 究”1 5 3 】、1 9 8 7 年国家计委支持的“高层建筑采暖空调现状调查及解决存在问题途径的研 究”【5 4 桶】、1 9 5 9 年国家计委支持的“旅游旅馆能耗调查测试 【5 7 - 5 8 】等课题。通过这些研 究基本上查清了当年城市许多功能区的能耗情况，例如民用建筑、高层建筑、旅游宾馆 等。清华大学【5 9 ，6 0 1 、同济大学【6 ，6 2 1 等通过学生暑假实习等进行了建筑物能耗方面的调查 和分析。但是，随着时间的推移和城市的飞速发展，以上调查分析的很多数据日前已不 适用。除了现场的测试和调研，还有一批研究者在建筑物的模拟能耗分析上做了大量的 研究，其中有代表性的有国内有d e s t 【6 3 ，州，国外的建筑模拟软件例如e n e r g y p l u s 、d o e 等。这些建筑负荷模拟软件使用能减少实际测量的工作量，但是边界条件的设定对最后 的模拟建筑能耗的结果影响较大。由于研究日的的不同( 分布式以整幢建筑物为目标而 不关心单个房间的能耗) 以及专业领域和行业的限制，对分布式供能系统的应用研究而 言，以上调查的调查数据和模拟分析也不全面，涵盖的城市功能区，分布式应，h 环境( 如 能源价格体系) ，以及各类负荷随时间的变化等有所缺欠。 另一方面，从技术的应用角度看，由于热、电、冷负荷的强烈时间相关性和同步问 题，以及不同地域、不同类型用户热电冷负荷需求及其比值的差异性，以平均负荷为基 准的“以热定电、“以电定热”的设计思想己不能满足现实的需求，以设计和满负荷 效率来评价系统优劣、以一种类型的设计方案来满足不同电热冷负荷的组合的做法已失 去价值。系统不是孤立地存在，除了自身的优化，分布式供能系统还必须与用户需求、 应用环境很好地协调。燃料价格、负荷特性、税费、投资、运行维护、电价等的变化都 会影响优化的方案、规模容量、主机选型以及相应的运行策略。因此，必须对各类应用 环境下的典型用户的分布式供能系统进行优化综合研究：只有系统地从微观的角度研究 各种应用环境下的典型用户的优化配置问题，才能在宏观上对分布式供能技术的发展有