（工程热物理专业论文）楼宇式热（冷）电联产系统热经济性研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 利用天然气为能源的楼宇式热( 冷) 电联产系统已在我国开始推广，这 对缓解我国能源结构单一、环境污染严重等能源问题大有裨益。本文选取北 京市某办公型楼宇为目标建筑物，采用热经济学方法分析研究了以燃气内燃 机为前置没备、三能源型溴化锂机组为后置设备的热( 冷) 电三联产系统的 能源利用过程。 首先，利用谐波法及负荷因子法对利用热( 冷) 电联产系统的目标建筑 物进行逐时负荷计算。对于夏季典型供冷日冷负荷及冬季典型采暖日热负荷 的计算，均考虑太阳辐射对目标建筑物围护结构的影响；将目标建筑物房间 按功能分类，把不同功能房间中的各种设备设定为对应的电负荷因子，进而 对目标建筑物的电负荷进行逐时计算。 其次，描述了以燃气内燃机为前置、三能源型溴化锂机组为后置的热 ( 冷) 电联产系统工作原理，给出了系统的物理模型。依据目标建筑物冷、 热及电负荷能流平衡和系统各组成部分之间的能流平衡，利用数学公式描述 了联产系统变工况运行的过程。 再者，对目标建筑物引入了传统分产能量系统。从一次能耗角度分析比 较了热( 冷) 电联产系统及分产系统的供冷典型日、供暖典型日、过渡季节 典型目的一次能耗量以及全年的一次能耗量；以天然气单价及电网电单价为 影响能量系统的敏感变量，分析比较了联产系统及分产系统的年度化费用。 最后，通过对联产系统和传统分产系统的炯分析比较，揭示了联产系 统能量转换的特点。提出了以“产品分级等价法建立决策方程的炯成本 方程法，并利用这种方法计算了联产系统产品的成本，结合计算结果分析了 改进后的火用成本方程法的合理性。 关键词楼宇式热( 冷) 电联产，一次能耗量，年度化费用，火用分析，热经 济 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t d u et oi t se n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yc h a r a c t e r i s t i c s ，b u i l d i n gc o m b i n e d h e a t i n g & p o w e r ( b c h p ) h a s b e e ni n t r o d u c e di n c r e a s i n g l yi nc h i n a i nt h i sp a p e r , a no f f i c eb u i l d i n gi nb e i j i n gw i l lb es e l e c t e dt oc a r r yo u tt h es t u d ya b o u tb c h p s y s t e mw h i c hi n c l u d e s a g a s c o m b u s t i o ne n g i n ea n dal i b ra b s o r p t i o n c h i l l e r h e a t e rd r i v e nb yt h ew a s t eh e a tf r o mt h et u r b i n ee x h a u s t f i r s t n e wc a l c u l a t i n gm e t h o d sw i l lb eu t i l i z e df o rt h el o a do ft h eb u i l d i n g b a s e do nt h ep r o p e r t yo fs o l a ri r r a d i a t i o ni ns u m m e ra n dw i n t e r , t h eh e a ta n dc o l d l o a d i n go ft h eb u i l d i n gw i ub ec a l c u l a t e dh o u r l y b a s e do nt h ef u n c t i o no f t h e b u i l d i n gr o o m sa n dv a r i o u se q u i p m e n t s ，t h e e l e c t r i c a ll o a do ft h eb u i l d i n gw i l lb e c a l c u l a t e dh o u r l y s e c o n d l y , t h ec o m p o n e n t so ft h eb c h ps y s t e ma r er e s e a r c h e d ，a n dt h e p h y s i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ec o n s t r a i n t so fe n e r g y d e m a n d sf o rb u i l d i n ga n dt h ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mi se x p o u n d e dm a t h e m a t i c a l l y t h i r d l y , t h ep r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g h o u tt h ey e a ro fb c h p s y s t e ma n di 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 & h e a t i n gs y s t e mi sc o m p a r e dw i t h r a t i o n a lm e t h o d t h ea n n u a lc o s to fb c h ps y s t e ma n di n d e p e n d e n te l e c t r i c r e f r i g e r a t i o n & h e a t i n gs y s t e mi sc o m p a r e dw i t ht h es e c o n dl a wa n a l y s i s o f t h e r m a ls y s t e m i nt h el a s ts e c t i o n ，t h r o u g he x e r g yc o m p a r i s o nf o rb c h ps y s t e ma n d i 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 & h e a t i n gs y s t e m ，t h ee s s e n c ep r i n c i p l ef o r1 1 i 曲 p e r f o r m a n c eo ft h eb c h ps y s t e mi si d e n t i f i e d m o r e o v e r , t h ep a p e ri n t r o d u c ea m e t h o do fs h a r et h ec o s to ft h ep r o d u c t se x e r g ya c c o r d i n gt ot h ea b i l i t yc l a s so f t h eb c h ps y s t e mp r o d u c t s ，a n dt h er a t i o n a l i t yo ft h em e t h o di sp r o v e db yt h e a n a l y s i so ft h er e s u l to ft h em e t h o d k e yw o r d s b c h p , p r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n n u a lc o s t ，e x e r g y a n a l y s i s ，t h e r m o e c o n o m i c s 中南大学硕士学位论文 符号表 符号表 英文字母 室外综合温度( ) 第n 阶室外综合温度波幅( ) 面积( m 2 ) 辐射换热量( w ) 电制冷空调主机耗电量( k w ) 分产系统建筑物电负荷( k w l 内燃机发电量( k w ) 向外电网供电量( k w ) 溴化锂机组制热量( k w ) 向外电网供电量( k w ) 溴化锂机组制冷量( k w ) 内燃机耗缸套水热量( k w ) 单位发电量缸套水耗热量 溴化锂机组耗缸套水热量( k w ) 未利用缸套水热量( k w ) 板式换热器耗缸套水热量( 1 ( w ) 年度化费用( 元) 设备残值( 元) 资金回收系数 联产系统年度化能耗量( m j ) 天然气单位热值( m j n m 3 ) 电网电单价( 元k w h r ) 压力( p a ) 熵( k j k ) 高位热值( k j ) 热量火用( k j ) 供给火用( k j ) 有效火用( k j ) 产品火用单价( 元k j ) 摩尔气体常数( j m 0 1 k ) 缈。：第1 3 阶室外综合温度频率 ：耗电指标( k w t r ) 7 7 。：火_ 【| j 效率 希腊字母 v 室外综合温度平均值( ) 传热系数( w m l k ) 对流传热量( w ) 总换热量( w ) 目标建筑物冷负荷( k w ) 联产系统建筑物电负荷( k w ) 外电网购电鼍( k w ) 联产系统建筑物热负荷( k w ) 板式换热器制热量( k w ) 联产系统建筑物热负荷( k w ) 内燃机耗天然气热量( k w ) 内燃机耗烟气热量( k w ) 单位发电量烟气耗热量 溴化锂机组耗烟气热量( k w ) 未利刚烟气热量( k w ) 第m 年运行费片j ( 元) 项目初投资( 元) 现金系数 发电一次煤耗热量( 元) 分产系统年度化能耗量( m j ) 天然气单价( 元m 3 ) 温度( k ) 体积( m ) 热力学能( k j ) 低位热值( k j ) 冷量火用( k j ) 带入火用( k j ) 火用损( k j ) 年度化初投资( 元) 妒。：第n 阶室外综合温度相角 ：板式换热器换热效率 k地地q k心m瓣吣b一蛳k q w q w p t v u q w 唧 k嘶毗q k心m哳吣bh k q q w p t v u q w 唧 bf峨&昆b油h一呦一h r阱k q p s镳：一唯r 、， ( v 3 ( e ( q 沁q _ 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。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：导师签名 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 目前，为了解决煤炭资源紧缺、环境污染严重的问题，天然气逐渐成为我国 乃至世界能源结构中重要组成部分。而众所周知，热( 冷) 电三联产系统是天然 气最为合理的利用方式之一，但是由于热( 冷) 电三联产系统设备能源利用的复 杂性和能量之间的不等价性，致使联产系统在系统选型配置和系统运行策略上存 在诸多缺陷。本章在分析未来能源发展的趋势及我国目前能源利用现状的基础 上，对热( 冷) 电三联产系统研究现状进行了分析，并提出了本文研究的主要目 的和工作。 1 1 我国能源问题现状 进入2 1 世纪以来，我国经济迅速发展，但随之而来的是能源的短缺，并且 由于能源利用不合理带来的环境急剧恶化，能源问题已经成为制约我国发展和进 步的首要问题，当前我国能源问题主要体现在以下几个方面。 首先，我国能源消费总量越来越大导致能源大面积的短缺。众所周知，我国 一次能源总量巨大，但人口众多导致人均一次能源量偏低。煤炭储量虽然占世界 总储量的1 1 ，但人均煤炭储量仅为世界平均水平的4 2 5 ；原油储量占世界总 储量的2 4 ，但人均原油储量仅为世界平均水平的1 7 1 ；天然气总储量占世 界总储量的1 2 ，但人均天然气储量仅为世界平均水平的1 3 2 。同时我国一 次能源开采水平较低，但能源消费水平却很高，2 0 0 6 年的全国范围的能源短缺 导致我国部分主要城市电力紧张已经为我国的能源消费敲了警钟，截至2 0 0 3 年 我国能源消费总量己居世界第二位，能源消费总量已达到1 6 8 亿吨标准煤耗。 因此，加强一次能源开采力度，合理安排能源消费已经成为我国现代化建设的一 个关键所在。 其次，一次能源利用单一，能源结构不合理。我国能源结构以煤炭为主，煤 炭在一次能源消耗中占有不可替代的地位，长期以来，这一比例都维持在7 0 左右，以煤炭为主的能源结构造成了我国能源利用率低、能耗高、环境污染严重 等诸多问题。我国天然气储量丰富，随着“西气东输”工程的完成，我国主要工 业城市已经开始在能源消费结构上做出相应的调整，而利用天然气小型发电机组 发电并作为大电网的补充恰好可以解决电网谷峰差距过大的问题。 再者，能源的大量消耗带来了生态环境恶化的问题。长期以来，我国一直是 世界上最大的煤炭生产国和消费国，而煤炭燃烧所带来的大气污染给我国生态环 境带了前所未有的破坏。由于燃煤带来的二氧化硫污染严重，我国已成为世界三 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大酸南区之一。由于燃煤还带来了大量二氧化碳的排放，这导致了全球范围的气 候变暖，使我国在国际上产生了很多负面影响。 总而言之，经济的发展带来了能源的巨大消耗，而能源利用水平的低下以及 能源结构的不合理又导致了生态环境急剧恶化。因此，如何提高能源消费质量， 并且寻求更加合理的能源消费方式己成为我国的经济发展和社会进步的关键所 在。 1 2 热( 冷) 电三联产系统的研究现状 分布式能源系统( d c h p ) 的主要实现形式是热( 冷) 电三联产( c c h p ) ， 即将高品质的电能与低品质的热量、冷量三种能源有效的结合成一个系统，从而 达到能级的梯度利用，进而大幅度提高能源的利用率。对热( 冷) 电三联产系统 的研究，始终围绕着三个方向：其一是对系统评价准则的研究，其二是对系统的 组成设备的研究，其三是对系统优化设计的研究。其中对评价标准的研究主要为 后两者的发展提供可行性依据，而系统组成设备性能的提高和新设备的引入又促 进了系统优化设计的研究。 1 2 1 系统评价准则的研究现状 对于联产系统的评价准则的研究主要包括寻找最佳评价标准、系统敏感性分 析的研究以及系统成本分摊情况的研究三部分。 吕静等f l 】提出从燃料消耗量、发电效率、总能利用效率、火用效率和经济火用 效率五个角度对联产系统的经济性做出了评价，认为上述五个角度都有局限性， 需要结合几个标准才能对系统经济性做出正确评价。谢英柏等1 2 】在吕静研究的基 础上做出了拓展，提出利用标准气耗、一次能源利用率以及燃料消耗量对三联产 系统和分产系统进行经济性评价。付林等【3 j 提出了当量热力系数的概念，严德隆 等 4 】提出了等效燃料利用率的概念，余敏等【5 1 结合了上述两种评价标准的优点提 出了单位冷量节煤量的概念，并给出了其计算公式。h a v e l s k yv t 6 j 提出了一次能 量节约率的概念，陈霖新等【_ 7 】计算了不同电厂、不同制冷设备和不同发电效率的 燃机一次能量节约率进而评价了多种联产方案的优劣，并提出一次能量节能率应 按供冷期和供热期分别计算。王静等【8 j 采用“火用分析法”分析了燃气蒸汽联合 循环、燃气轮机余热锅炉系统和燃气轮机直燃式溴化锂吸收式制冷循环系统三 者的火用效率和火用损失。汪海贵【9 j 等采用考虑时问因素的“静态投资回收期”的 改进方法评价了联产系统的经济性。李芳琴等【1 0 】认为在评价三联产系统时应将 资金与能源利用效率综合起来，同时提出热经济系数的概念及其数学表达式，并 用其分别衡量联产系统在不同季节的经济性。汤妙琴等j 引入“层次比较法 将 热( 冷) 电联产系统的溴化锂制冷、锅炉供溴化锂制冷、直燃式溴化锂制冷、离 心式压缩机制冷、活塞式压缩机制冷以及螺杆式压缩机制冷逐个作为分析对象作 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 经济性评价。 热( 冷) 电三联产系统的敏感性分析研究是系统经济性评价的重要组成部分。 在国外，m o n e 眩】分别从燃料价格的波动以及电网价格的波动两方面对联产系统 进行了敏感性分析。j o r g e n l l 3 】引入边际理论分析了天然气价格与分布式能源系统 经济性的关系。在国内，余敏等【5 】针对依托电厂的热( 冷) 电联产系统从供热机 组容量及初参数、电网供电煤耗率、溴化锂制冷系统的制冷系数及压缩式制冷系 统的制冷系数四个方面分析了联产系统的节能与以上四个因素的关系。黄锦涛等 1 4 1 针对以微型燃气轮机、内燃机、小型燃气轮机以及燃料电池为前置的四种联 产系统从天然气价格、电价与热价及年供热天数三方面对上述四种系统进行了敏 感性分析的横向比较，并针对上述各种联产系统的天然气价格、电价与热价三方 面对系统的敏感性影响逐个进行了分析。 当前，热( 冷) 电三联产系统已从理论走向示范性工程阶段，因而探求适合 国内能源政策的楼宇式热( 冷) 电三联产系统的成本分摊方法的研究十分必要。 g a g g i o l ira 【1 5 】在进行热汽电三联产系统热经济学研究时提出了“火用成本方程 法”。刘凤强等【1 6 1 提出了针对楼宇式热( 冷) 电三联产成本分摊的价格系数法。 董军【1 7 】提出了针对燃气蒸汽轮机联产系统的按能级分摊的成本分摊法。 1 2 2 系统组成设备的研究现状 对于联产系统的优化设计的研究主要是进行系统前置和后置的最优匹配，进 而选择适合系统的最佳设备。 对于热( 冷) 电三联产系统前置设备的选择，经历了从蒸汽轮机到内( 外) 燃机、再到燃气轮机和微型燃气轮机的过程。 在蒸汽轮机的应用阶段，顾昌【1 8 】在计算比较热、电、冷分产和热( 冷) 电 联产的燃料绝对节约量的基础上发现：采用背压式机组为前置的联产系统只有在 大机组容量( 大于6 m w ) 且尽量增大热负荷时才比传统分产系统节能；采用抽 汽式机组为前置的联产系统实现热电冷联产的条件不同于背压式机组，无论采用 什么机组为后置，随着制冷量的增加，系统节能效果越好。金晶等【l9 】以燃料的 消耗量为评价标准评估了传统分产系统与利用背压式蒸汽轮机和抽汽式蒸汽轮 机为前置的热电冷三联供系统的优劣，结果发现：1 利用背压式蒸汽轮机为前 置的联供系统由于是用汽轮机排汽供热，所以存在着冷热负荷与电负荷相互制约 的明显缺陷，这就要求夏季和冬季有稳定的冷热负荷；2 背压式机组的负荷适 应性差，在变工况下如果产生空载汽耗，将造成大量能量损失。 随着内燃机及外燃机技术的成熟并开始应用于民用发电，2 0 世纪中后期， 人们开始考虑利用燃机供电，而其废热用于供热制冷，这就形成了以燃机为前置 的热( 冷) 电联产技术。在国外，日本的芝浦地区采用了燃气内燃机为前置的热 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 冷) 电联产技术【2 0 1 ，系统运行多年取得了很好的节能效果。在国内，陆方等f 2 l 】 按燃机不同提出以内燃机( 以燃气为主) 、外燃机为前置的两种三联供系统，其 中燃气内燃机发电机组在发电的同时，将其烟气导入烟气换热器中，并依靠涡轮 增压冷却热水、缸套冷却热水和高温烟气换热器将冷水加热成热水传输给用户； 而对于外燃机，加热空气与天然气燃烧形成的高温烟气流经加热器、空气冷却器、 空气预热器和烟气换热器后排出，同时冷水经烟气换热器和冷却器加热后供热用 户使用。左智剥2 2 j 在研究某一型号内燃机热散耗方式的基础上，详细分析了内 燃机热回收的两种方案，其一是利用板式换热器将缸套水及烟气热量加热热媒 水，再把热媒水通入热水型吸收式机组中制冷，其二是直接将烟气通入烟气型溴 化锂机组中制冷，结果发现前者在运行安全上比后者好，但后者效率比前者高。 韩晓平1 2 3 j 在总结热电冷三联供系统设备选型时指出，燃气内燃机用于三联供系 统的优势在于发电效率高、单位造价低，但劣势也较为明显，主要体现在其热回 收比较麻烦、维修费用高、运行成本也比较高。 随着燃气轮机的快速发展并逐渐替代内燃机应用于居民供电，到本世纪初， 人们又开始考虑利用燃气轮机供电，而其废热用于供热制冷，这就形成了以燃气 轮机为前置的热( 冷) 电三联产技术。并且，随着燃气轮机技术的发展，微型燃 气轮机又被引进作为热( 冷) 电三联产系统的前置。对于联产系统中微型燃气轮 机与燃气轮机前置设备的区别，韩晓平1 2 3 j 指出：微型机是将传统燃气轮机与回 热、永磁发电、电力变频及智能控制技术相结合，并将其微型化、简单化的产物。 联产系统在以传统燃气轮机为前置时，通常将其烟气导入余热锅炉中进行补燃处 理并结合燃油锅炉产生的饱和蒸汽驱动吸收式制冷机组产生冷( 热) 量，进而将 冷( 热) 量输送给冷( 热) 用户。这种系统结构略显复杂，但比较可靠，且已应 用于我国上海黄浦区中心医院。刘凤强等【2 4 】针对这一系统进行了变工况下的能 源效率和火用效率的计算。三联供系统在以微型燃气轮机为前置时，通常将其烟 气直接导入余热吸收式制冷机组中进行补燃处理，进而将得到的冷( 热) 量输送 给冷( 热) 用户。韩晓平1 2 3 】认为这一系统可以使系统组成设备简单化，并且可 以节约机房建筑面积。 随着燃料电池、可再生能源技术以及蓄冷技术的发展，分布式能源系统又有 了新的拓展。在国外，哈特科普夫v 等【2 5 】阐述了燃料电池的优缺点，并介绍了 s o f c 燃料电池在美国某大学分布式能源系统的工程应用。c o s t a m a g n ap 【2 6 】介绍 了高温燃料电池和微型燃气轮机组成的三联供系统，认为这种系统在提高系统效 率和降低污染物排放方面有很大的发展潜力。w i l l i a m smc 1 2 7 】研究了以高温燃料 电池为前置设备的“混合装置系统”，认为这一系统可以大幅度提高燃料电池的 性能。在国内，陆方等1 2 l j 提出了利用燃料电池为前置的三联供系统，认为可以 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 将熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池的高温排烟提供给热用户。郭烈锦 等【2 8 】探讨了燃料电池、太阳能光伏发电、太阳能高温集热发电及风力发电等几 种可再生能源应用于分布式能源系统的可行性，提出在可再生式分布式能源系统 中加入蓄能装置可以克服可再生能源不连续、不稳定、且随时间和季节等变化而 变化的缺点，并进一步指出了目前可以利用的几种蓄能方式。方宏等【2 圳通过对 小区燃气轮机变工况运行的计算，认为随着冷暖空调负荷变动系统在很长时间将 处于低负荷情况下运转，因此系统采取必要的蓄能措施是有必要的。冯志兵等p o j 在对单轴恒速燃气轮机进行变工况分析的基础上，提出了把蓄冷技术引入到三联 供系统中以改善其性能并对这一系统进行了性能评估。 对于热( 冷) 电三联产系统后置设备的选择主要集中在电制冷设备、蒸汽( 热 水) 吸收式制冷设备及余热吸收式制冷设备三者的选择中。 孙志高【3 l l 以当量热力系数为标准评估了采用压缩式制冷机、单效、双效吸 收式制冷机作为联产系统后置的优劣，发现以蒸汽轮机为前置的三联供系统采用 吸收式制冷机比压缩式制冷机当量热力系数大，而双效吸收式制冷机比单效吸收 式制冷机当量热力系数更大。在美国，通常利用余热锅炉的蒸汽为能源，驱动小 型蒸汽轮机并直接驱动离心机制冷1 2 3 】。 对于以内燃机及燃气轮机为前置的联产系统，江丽霞等【3 2 】分析比较了单纯 采用压缩式制冷机组和单纯采用吸收式制冷机组两种方案的火用效率和经济火用 效率，认为后者火用效率较之前者高，但前者的经济火用效率较之后者要高。陈霖 新等【7 】提出了采用燃气轮机+ 压缩式制冷+ 余热吸收式制冷机+ 燃气锅炉四种设备 的联产系统，并计算比较了供冷期压缩式制冷与吸收式制冷承担不同供冷比例时 的一次能源节约率，结果指出供冷期完全采用燃机余热制冷是不节能的，同时建 议采用压缩式制冷机组作为联产系统的后置。忻奇峰【3 3 】结合我国上海市浦东国 际机场工程分析了燃气轮机+ 压缩式制冷机组的联产系统运行原理，并总结了这 一系统的优势。暖通空调手册【”】较为完整的概括了现存的热( 冷) 电联产系统。 1 2 3 系统优化设计及运行策略的研究现状 对于热( 冷) 电三联产系统优化设计及运行策略的研究主要包括四个步骤： 确定系统优化设计及运行策略目标对象；确定系统优化设计及运行策略目标函 数；确定系统优化设计及运行策略约束条件；确定系统优化设计及运行策略方法。 1 2 3 1 确定优化设计系统及运行策略的目标对象 现在新能源的利用日新月异，这对热( 冷) 电三联产系统的发展也有很大促 进。早期，h o r l o c k l 3 5 】研究了以蒸汽轮机为前置、吸收式制冷机组为后置的某热 电厂变工况运行时保持电厂经济性的运行策略，近年来对联产系统优化设计及运 行策略的目标对象主要是增加蓄热装置的联产系统，ki t o l 3 6 儿3 7 j 等对以燃气轮机 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为前置的联产系统增加蓄热装置的节能性进行了分析，z h a o 3 8 】研究了内燃机为 前置的联产系统增加蓄热( 冷) 装置的可行性，m r v o ns p a k o v s k y 3 9 】研究发现， 以燃气透平发动机为前置的联产系统在增加蓄热装置后比不增加蓄热装置的联 产系统经济效益要好，m a r t i nlb a u g h m a n 4 0 1 的研究成果也表明了这一点，并指 出联产系统增加蓄能装置后可以使系统运行策略更加灵活。 1 2 3 2 确定系统优化设计及运行策略目标函数 傅秦生【4 l j 指出，进行能量系统的优化时，“节能”与“省钱”可能会产生矛 盾，在选取能量系统目标函数时要对两者进行兼顾。ry o k o y a m a 4 2 】基于“节能” 与“省钱”两个目标函数研究了联产系统的优化匹配问题。张蓓红1 4 3 j 在研究系 统的优化配置时，将“节能”与“省钱”统一为一个目标函数，并对两者增加了权 重系数以体现其相对关系。a l ia t 4 4 】研究美国亚特兰大市某办公型建筑物联产系 统时指出，为了避免不合理的价格因素对联产系统目标函数的影响，在很多情况 下“节能”将作为联产系统优化及运行策略的主要目标函数。 1 2 3 3 确定系统优化设计及运行策略约束条件 热( 冷) 电三联产系统的优化设计的约束条件主要有三个方面，其一是利用 联产系统建筑物本身的特性参数，其二是联产系统组成设备的性能特性，其三是 建筑物与系统组成设备相互之间形成的能流平衡。 在对利用联产系统建筑物本身的特性参数研究中，s a t o s h ig a m o u l 4 5 】将负荷 需求看作是连续的随机变量，这样就可以对利用联产系统的目标建筑物负荷计算 时的一些不确定因素予以考虑，“负荷因子法”【4 6 j 就是基于这个思想提出来的。 组成联产系统的设备性能特性的改进主要依赖于各生产厂商及科研院所。近 年来，国内外为了推动分布式能源系统的发展，相继建设了很多试验平台，例如 国内的上海理工大学和上海交通大学都建立了热( 冷) 电联产系统试验平刨4 ， 这些试验平台不仅可以对系统的设备特性进行分析试验，同时也可将新设备加入 到系统中并对联产系统进行优化分析研究，崔晓钰【4 8 】利用上海理工大学的试验 平台提出了利用回热技术可以提高联产系统的能源利用率。 联产系统能流平衡还依赖于系统后期的运行策略，ry o k o y a m a 4 9 】提出在研 究联产系统运行策略时必须考虑机组启停机对整个机组运行费用的影响。 1 2 3 4 确定系统优化设计及运行策略的计算方法 热( 冷) 电三联产系统是一个多目标多约束条件的能源梯级利用系统，傅秦 生 4 1 】提出了热经济学分析法分析研究热( 冷) 电三联产系统。在对系统进行热 经济学分析过程中，可以通过建立其线性模型并利用线性规划来求解其最优化目 标函数。 对于线形规划的概念和方法，孙文瑜【5 0 】、施光燕【5 1 1 以及何坚勇【5 2 】都作过详 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 细的介绍，指出当前线性规划问题的求解方式主要有两种：单纯型法和内点算法， 其中前者为经典算法，但对于大规模的线性规划问题的求解现在主要采用后者。 在分布式能源系统相关领域问题的解决大多依靠单纯型算法，例如，朱儿等1 5 3 j 采用线性规划思想解决了宝钢热力系统中的“节能”与“省钱 的矛盾，付林【5 4 j 以清华大学的热电联产系统为例，利用线性规划思想分析了系统运行经济性的相 关问题。对于带蓄能系统的分布式能源系统，张蓓红1 4 3 j 运用了分层次的线性规 划法求解蓄能型热电联产系统的最优化问题。 1 3 本课题的提出 1 3 1 国内热( 冷) 电三联产项目推广中存在的问题 刘凤强【2 4 】研究发现，早在1 9 9 8 年投产的上海浦东中心医院的燃气轮机热 ( 冷) 电联产系统采取了“以电定热 的原则，但是在运行中出现了实际发电负 荷不足设计值4 0 的情况，根据我国现有政策，自发电不能与大电网并网，这样 就造成了大量余电、余热的浪费。2 0 0 0 年投产使用的浦东国际机场热电( 冷) 联产项引3 2 】采取了“以热定电”的原则，虽然情况较之上海浦东中心医院稍好， 但是同样出现了平时电负荷的供需不平衡，目标建筑物仅在夏季高峰电负荷需求 时才能与联产系统供电量的平衡。h a r v e ys t ”】研究了联产系统的前置设备燃气轮 机在部分工况下的工作特性，指出考虑部分负荷下联产系统的工作情况对联产系 统的优化设计以及运行策略的确定是必要的。 因此，我国热( 冷) 电三联产系统的研究工作还任重道远，在以下方面是国 内热( 冷) 电三联产系统研究急需改进的： 首先，从以上案例看出，设计热( 冷) 电联产系统时采取的原则不论是“以 电定热”还是“以热定电 均未能达到预期效果，这一方面是由于国内热电政策 的不足，另一方面设计人员在设计中缺乏对利用联产项目的建筑物的准确全年负 荷分析，进而导致系统设备的参数的选取在设计时缺乏合理性，同时现有的联产 系统缺乏灵活性也是无法满足联产系统设计要求的重要方面，利用最新设备构建 合理的热( 冷) 电联产系统的研究迫在眉睫。 其次，由于国内缺乏对热电( 冷) 系统变工况运行的模拟，导致现行联产系 统运行策略不合理。由于建筑物的热、电( 冷) 负荷是在全年不断变动的，合理 的选取运行策略并将其融入到前期的设计工作中是十分必要的。 再者，国内对于热( 冷) 电三联产技术理论研究大多仅仅局限于对其设计方 案的比较和讨论上，对于热( 冷) 电三联产系统缺乏多角度深入的研究。 1 3 2 本课题的提出及研究思路的确立 本课题以北京市某办公大楼作为目标建筑物，运用热经济学方法对以燃气内 燃机为前置、三能源型机组为后置的新型楼宇式热( 冷) 电联产系统进行分析研 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 究，本文开展了以下工作： 第二章引入热负荷、冷负荷及电负荷计算方法，并利用上述方法对利用热 ( 冷) 电三联产系统的目标建筑物进行负荷计算。 第三章阐述燃气内燃机为前置、三能源型溴化锂机组为后置的联产系统工作 流程，描述其物理模型，明确其运行参数，并在此基础上建立其数学模型。 第四章引入一次能耗量和年度化费用的概念，对目标建筑物能量系统分别进 行一次能耗量和年度化费用的计算和分析。 第五章对目标建筑物联产系统各组成设备进行火用分析，提出基于火用成本方 程法的改进方法，并利用这种方法对多能源、多产品的目标建筑物联产系统进行 火用成本的计算分析。 8 中南大学硕士学位论文 第二章目标建筑物热、冷及电负荷计算 2 1引言 第二章目标建筑物热、冷及电负荷计算 对于利用热( 冷) 电三联产系统建筑物的电负荷计算方法，段洁仪 4 6 】提出 了“无因次系数法 ，本文所针对的目标建筑物电负荷就是在此基础上计算的； 建筑物空调房间的热、冷负荷主要由围护结构得( 耗) 热、照明散热、人体散热 以及设备散热组成，本文采用谐波法1 5 6 1 计算了目标建筑物围护结构得热量形成 的热、冷负荷，并利用经验公式计算了室内热源形成的热、冷负荷【5 7 】【5 8 1 ，进而 得到了目标建筑物的总热、冷负荷。 2 2目标建筑物热、冷负荷计算 目标建筑物为北京某办公型建筑物，总建筑面积为1 2 ，0 5 9 m 2 。目标建筑物 空调设计性质为舒适性空调，故而，各空调房间的热、冷负荷均由人体散热量、 工艺设备散热量、照明散热量以及围护结构得热量四部分组成。 2 2 1 谐波法计算围护结构热、冷负荷 对于通过围护结构得( 耗) 热量的计算，1 9 8 2 年我国原城乡环境保护部提 出了谐波法和冷负荷系数法【5 6 1 ，本文采用谐波法对围护结构热、冷负荷进行计 算。谐波法的计算过程分为两个步骤，首先，在室# 1 - # 1 - 扰的作用下形成建筑物围 护结构的得热量，其次，围护结构的得热量再形成室内热、冷负荷。 围护结构的得热量主要是在室外综合温度的作用下产生的，而室外综合温度 呈周期性变化，可以将其展开为傅立叶级数的形式。 t z ，= a 。+ a 。c o s ( 乃9 。r - c p 。) ( 2 1 ) n ：l 式中t ，为室外综合温度； a 。为室外综合温度平均值； a 。为第n 阶室外综合温度变化波幅； 万。为第n 阶室外综合温度变化频率； 缈。为第n 阶室外综合温度变化相角。 这样，在室外综合温度周期性作用下的室外外扰形成的得热量就包括两部 分： 9 中南大学硕士学位论文第二章目标建筑物热、冷及电负荷计算 其一是由室外综合温度平均值a 。与室内空气温度t n 形成的定常稳定传热形 成的得热量石，可由式2 - 2 表述。 q = k f ( a o t n ) ( 2 2 ) 式中k 为围护结构传热系数，w m 2 k ； f 为室外综合温度，墙体或屋顶的面积，m 2 。 其二是由外扰波动引起的围护结构内表面温度波动，从而产生的不稳定附加 得热量迂，可由式2 3 表述。 迂= a n f a 。c o s ( 刁r 。r - c p 。) ( 2 3 ) n = l 式中a 为围护结构内表面放热系数，w m 2 k ； f 为室外综合温度，墙体或屋顶的面积，m 2 。 对于r 时刻，经过围护结构的总得热量q ，就可由式2 4 表述。 q ，= q + q ( 2 4 ) 值得注意的是，在计算不稳定附加得热量时，必须考虑到围护结构的传热衰 减度以及传热延迟时间，围护结构的传热衰减度以及传热延迟时间与建筑物本身 材料特性有关【5 7 】。 在计算得到通过围护结构得热量后，便可以计算空调房间的冷、热负荷。通 过围护结构热传递方式有两种，对流换热和辐射换热，其中对流换热得热量可以 直接转化为瞬时冷负荷，辐射换热得热量需要先转化为对流换热量，然后才可以 转化为房间冷、热负荷。 对于对流换热形成的冷( 热) 负荷c l q 。可以由式2 5 表述。 c l q d = q d + q d ( 2 5 ) 式中一q d 为对流得热量中稳定部分； q 。为对流得热量中不稳定部分。 对于辐射换热形成的冷( 热) 负荷c l q ，可以表示为： c l q f = q f + q f ( 2 6 ) 式中_ f 为辐射得热量中稳定部分； 迂，为辐射得热量中不稳定部分。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章目标建筑物热、冷及电负荷计算 其中，在计算辐射得热量中的稳定部分过程中需要考虑两种情况：情况一， 向邻室传出热量又从邻室传入相同的热量；情况二，只向邻室传出热量而不从邻 室传入热量。辐射得热量中的不稳定部分计算时需考虑房间各表面的蓄热作用。 这样，对于r 时刻的经过围护结构的冷( 热) 负荷c l q ，就可由式2 7 表述。 c l q ，= c l q d + c l q f ( 2 7 ) 为简便起见，本文对目标建筑物全年冷、热负荷的计算按供暖期，供冷期和 过渡季节期划分成三个时间段。供暖期空调室外计算温度采用历年不保证l 天的 日平均温度作为室外设计计算温度；空调期室外干球温度的选取采用历年平均不 保证5 0 小时的干球温度为室外设计计算温度，室外日平均温度采用历年不保证 5 天的日平均温度作为室外日平均温度设计计算温度；过渡季节不考虑空调。 目标建筑物房间按功能划分包括办公室和会议室，其中办公室的夏季室内设 计温度取2 5 ，冬季室内设计温度取2 0 ，会议室的夏季室内设计温度取2 6 ， 冬季室内设计温度取2 0 。c f 5 8 】。目标建筑物典型供冷同室外计算干球温度取2 8 6 ，典型采暖日室外计算干球温度取9o c l 5 8 】，将上述数据带入式2 一l 式2 7 即可 计算得经过目标建筑物围护结构的冷、热负荷。 2 2 2 热、冷负荷计算结果 目标建筑物室内热源形成的热、冷负荷可由下列经验公式计算获得【5 6 】。 办公型空调房问的设备散热量分为电子设备散热和电热设备散热q 由，其值 可由式2 8 计算。 o 电= 1 0 0 0 n l 胛2 聆3 刀4 ( 2 8 ) 式中惕表示利用系数，根据目标建筑物安装功率的利用程度取o 8 ； 疗：表示同时使用系数，根据目标建筑物设备使用情况取o 7 ； 胛，表示负荷系数，根据目标建筑物设备负荷达到最大负荷的程度取0 5 ； 刀。表示排风带走热量系数，计算时取值为o 5 ； i ，表示电子、电热设备安装功率【5 9 1 。 办公型空调房问的照明得热量q 照可由式2 - 9 计算。 o 照= 1 0 0 0 n 5 ”6 n 照 ( 2 9 ) 式中疗。表示镇流器消耗功率系数，计算时取值为1 0 ； ，z 。表示灯罩隔热系数，计算时取o 6 ； 中南大学硕士学位论文 第二章目标建筑物热、冷及电负荷计算 阳表示照明设备安装功率【5 9 1 。 办公型空调房间人体散热量q 人可由式2 1 0 计算。 q 人= 7 s 7 , 1 8 q ( 2 1 0 ) 式中, ，表示室内人员密度，对于办公室计算时取值为4 m 2 人，对于会议室计算 时取值为2 5 m 2 人f 5 8 j ： 墨表示计算空调房间面积，计算时取值为1 0 ； 以。表示群集系数，计算时取值为1 0 ； g 表示不同室温和劳动性质时成年男子的散热量【5 8 】。 将式2 7 式2 1 0 的计算结果相加即可得目标建筑物供冷期典型日和供暖期 典型日逐时冷、热负荷如图2 1 和2 。2 ： 芒 耀 佥 图2 1 目标建筑物供冷期逐时冷负荷曲线图 图2 - 2 目标建筑物供暖期逐时热负荷曲线图 1 2 中南大学硕士学位论文第二章目标建筑物热、冷及电负荷计算 由图2 1 可以发现，目标建筑物冷负荷波谷值出现在8 点左右，波峰值出现 在1 4 点左右，目标建筑物典型日的冷负荷波谷值为6 6 3 k w ，目标建筑物典型日 的冷负荷波峰值为l1 0 4 k w ，冷负荷波谷值仅为波峰值的6 0 o 。考虑到目标建 筑物总面积为1 2 ，0 5 9 m 2 ，则目标建筑物单位建筑面积最大冷负荷指标为 9 1 5 w m 2 。 由图2 2 可以发现，目标建筑物热负荷波谷值出现在1 4 点左右，热负荷波 峰值出现在8 点左右，目标建筑物总热负荷波谷值为6 8 6 k w ，目标建筑物总热 负荷波峰值为8 8 5 k w ，热负荷波谷值仅为波峰值的7 7 5 。考虑到目标建筑物总 面积为1 2 ，0 5 9 m 2 ，则目标建筑物单位面积最大热负荷指标为7 3 o w m 2 。 2 3目标建筑物电负荷计算 对于建筑物逐时电负荷的计算，必须建立在对目标建筑物类型及功能分析的 基础上，同时还应考虑到建筑中各设备的运行策略，“负荷因子法”就是基于上 述理论所提出的建筑物电负荷计算方法【4 6 】。 2 3 1 负荷因子法计算电负荷 为了确立电负荷的逐时变化特性，需要明确各类型电负荷的运行策略，将这 些运行信息用0 l 之间的无量纲系数来表述，同时将目标建筑物基本电负荷与其 对应的无量纲系数相耦合，就可以求解目标建筑物的逐时电负荷。这就是“负荷 因子法”，其计算公式如式2 8 。 e ( t ) = 占( t ) e = a 。丁j ( t ) k j e j ( 2 8 ) 式中e ( t ) 为逐时总电负荷，k w ； e 为电负荷设计指标，k w ； e ；为各种设备类型电负荷设计指标，k w ； 占( t ) 为“负荷因子 ； a 。为各功能区面积比； r j ( t ) 为各设备投入使用系数； k ；为各设备的实际功耗性能。 对于办公型建筑物，其基本电负荷可以划分为以下几类： ( 1 ) ，照明电负荷：包括各功能房间的照明及楼梯间过道照明、立面照明、 安全和疏散照明等。其安装功率取决于建筑物面积及房间功能，其负荷因子取决 于人员作息时问。对于办公型建筑各详细计算指标见表2 1 ，2 2 ，2 3 【5 9 1