分布式能源及微燃机技术在建筑中应用

分布式能源及微燃机技术在建筑中应用作者： 日期：2010-1-14 15:40:00分布式能源是世界能源发展的最新方向，也是与信息时代相伴而生的互联网式的能源系统。它通过分布在用户端的小型、微型智能化能源梯级利用系统，以及与之配合的各种可再生能源就近满足用户对电力、热力、制冷、生活热水、除湿，以及气体肥料等多方面的需求，实现了对资源“吃光用尽”式的深度综合利用，将输送环节的损耗降至最低。而分布能源系统最大的载体是建筑物，它将成为今后建筑物中的一个重要组成设施，并与建筑物本事，以及建筑的智能控制系统完全整合。随着能源技术的发展，特别是天然气的广泛利用，改变了人们对能源转换技术的传统认识的基本观念。与使用传统的煤炭资源不同，在天然气转换中，大、中、小型和微型系统能源转换效率差异甚小，而转换装置越靠近需求侧，不仅损耗越低，可利用的温度区间也越大，对于大型发电设施，150以下的热量几乎完全没有用，而在建筑物中，即使是30以下的温水也有其广泛需求。因此，只有将能源转换装置安装在用户一侧，对于资源的充分利用才可能产生一次质的飞跃。环境是人类关心的另一大问题，至今人类还未发现一种真正对环境完全没有负面影响的能源系统，即便是风能和太阳能。德国大量建造风力发电机组，结果给鸟类带来了厄运，因而不得不增加农药的施放量来减轻虫害的影响；而大量使用太阳能，需要采用铅酸电池蓄能，从而带来更严重的铅和化学物质的污染。因此，解决环境问题的关键在于彻底变革我们基于传统能源利用技术观念、系统和方式，在信息技术的依托下，尽量以较低的代价来满足人类日趋增加的需求。分布能源正是“变革”的关键，它不仅可以将能源利用效率提高到一个空前的水平，还可以充分利用智能建筑系统所提供的信息，与建筑一起对需求实现同步优化。并利用建筑物中污水和垃圾等废弃物产生的沼气、余热来减少对燃料资源的消耗，通过温度对口的梯级利用，尽力实现对资源的全能量利用，再通过较分散的排放，利用周边植被和建筑物中的植物暖棚尽力吸附污染物，并使之资源化。通过相对平衡，以实现绿色循环。建筑是分布能源的主要载体分布式能源可以服务于各种用能项目，例如：工厂、商业、医院、宾馆、学校、办公设施，以及居民住宅等，而建筑是其最主要的载体。在传统能源系统中，能源的供应主要通过大型发电厂、大型供热站来提供，而分布式能源是直接安装在用户端的能源设施，它将最终同暖气空调设备一样成为用户能源设施的一部分。将能源系统与建筑放在一起优化整合，无疑不论对于能源，还是建筑，都将是一次空前的革命。这不仅是建筑业的一个全新选择，对于城市现有的各种能源供应体系，以及城市规划都将是一次划时代的革命，城市将从那些烦乱的缆沟系统中解放出来，使建筑设计师们不在受制于城市综合系统的规划的限制。分布能源与电网可以是一种补充关系，也可以相互独立，从严格意义上，它可以完全不需要电网，但是如若于城市电网协同优化，不仅可以减少建筑的电力系统投资和提高系统安全性，同时也可以改善电网用电结构，使电网和发电厂的经济性得以优化；分布能源与燃气管网最好是一种依存关系，理想的分布能源系统应该是一种网络化能源系统，而这个系统应该建筑在燃气管网系统上，但是它也可以依靠液化天然气和液化石油气，或者沼气等其他燃料资源，当然管道燃气不是唯一的选择；分布能源可以依靠现场控制，也可以进行远程控制，它依靠现有电话网络、有线电视网络、宽带信息网络，或者无线通讯网络，不受制于任何一种通讯系统；但与城市集中热力管网既可以是一种替代关系，也可以是补充关系，每一个项目可以根据自身资源的不同，优化出一种最佳方式。也许对于某些用户只利用分布能源解决部分安全电力和全年持续需要供应的生活热水是最佳方案，它依然可以使用集中供热系统提供的更廉价的季节性能源。所以分布能源是一种十分灵活，而又非常富有创造性的能源技术。在美国，国务院宣布到2010年将热电联产容量在1998年的基础上翻一番，达到46GW。能源部为实现该计划，2005年建设100个示范工程，联邦政府10建筑建设分布能源系统；2010年25的新建商业和教育建筑、4的已建商业和教育建筑，以及20的联邦建筑物采用该系统；2020年50的新建商业和教育、10的已建商业和学院采用需采用分布能源系统。在欧洲，欧盟决定到2010年将其热电联产的比例增加1倍，提高到总发电比例的18%。而实现这一目标将主要依靠100kW以下的用户能源系统来实现；在日本，截止2000年底，已建热电（冷）系统共1413个，平均容量477kW，主要是小型系统。2001、2002两年仅东京燃气公司一家就安装了超过700套30-60kW的微型燃气热电（冷）系统。为什么发达国家如此重视发展小型、微型热电（冷）系统？根本原因当然是出于节能和环保因素的考虑，同时还有一个至关重要的原因就是这些分布系统将成为建筑物能源保障的一个重要组成部分，为建筑的电力供应安全提供了保证。这是“911恐怖袭击事件”发生以来各国空前重视的一个问题。随着信息社会的发展，人类对电的依存度越来越大，没有电力一切文明将会重归于零。特别是大力发展中的智能建筑，如果没有电力不要说楼上上不去，下下不来，恐怕连门都无法打开。而分布在用户端中的发电机组，可以使建筑物不依赖脆弱的电网系统，提高建筑物自身能源系统的安全系数。专家预测2040年世界能源供应能力将达到顶点，从此能源价格将永远不会下跌，而中国、印度等大国的快速崛起将必然使矛盾加剧和提前。能源资源的争夺将是21世纪最主要的战争导火索。美英攻打伊拉克，其控制世界石油资源的目的路人皆知，而战争将很可能导致全世界能源价格的急速上升，能源利益将会从根本上改变世界国家关系的准则，也会改变我们的行为模式。尽其可能地节约能源，将是维系平衡的关键。建筑作为能源使用的基本单元，也是节能的核心元素。拥有一个安全高效的能源系统，不仅在微观上保证了人们的能源安全，也将在宏观上为国家能源安全和世界的和平做出贡献。对于那些使用建筑物的普通人来说，从长远看，能源的价格势必日益攀升，拥有一个安全高效的能源系统，将为他们节约大量宝贵的金钱，为使用者和拥有者带来直接连续的效益。人类发展的道路可以各不相同，但是人类文明的方向却是一致的。如同电脑、手机、因特网一样，在采用分布能源技术上中国也必将会与发达国家同步齐驱。这不是哪一个利益集团可以阻挡的了的，“人们可以不喜欢它，却不可能回避它。”尤其对于建筑开发商，面对那些能够在不增加或少增加造价而实现廉价热电冷多联供的竞争对手面前，市场这只无形的手将会做出选择。分布能源具有整合的魔力在传统建筑能源系统中，因为每一个系统都是相对孤立的，所以增加功能必定增加投入。但对于分布能源技术而言，它通过有效整合过去相对孤立的电力、热力、燃气等能源系统，实现系统综合优化，从而实现降低总体工程造价和配套费用的目的。分布能源优化整合建筑能源系统如果我们在城市中建设一座大楼，采用传统方式，为了消防等安全要求，我们需要建设两路供电系统。有时为确保楼宇电力系统的供应安全，以满足未来的各类使用者的要求，还不得不采购安装应急柴油发电机和与之配套的系统；为了解决采暖问题，我们需要接入集中供热，或者采用燃气锅炉，也许是电锅炉和相应的电力系统；制冷需要制冷机组，可能是电力离心制冷机、直燃机或单体电空调，也可能是地源或水热泵；解决做饭和生活热水需要接入燃气和购买燃气热水器；如果采用中央空调，也许还要除湿设备；若是智能楼宇还需要一个比较大的UPS电源。10000m2建筑分布能源设施与其他方式能源供应系统的投资比较 项目小燃机热电冷购电锅炉空调购电集中供热电空调购电集中供热蒸汽空调购电直燃机空调电力增容费62,058 62,058 辅助电力施工费850,000 850,000 850,000 850,000 集中采暖费800,000 800,000 集中制冷设备投资700,000 700,000 700,000 分散制冷设备投资1,000,000 1,000,000 1,000,000 燃气锅炉投资350,000 燃气轮机投资753,005 设备安装费120,000 100,000 100,000 100,000 实际增加投资1,573,005 2,362,058 2,712,058 3,450,000 1,650,000 投资差额0789,054 1,139,054 1,876,995 76,995 注：根据北京某项目条件。所有用单位为人民币元。以北京为例：建筑物电力系统投资100-500元/平方米不等，平均约250元/平方米；集中采暖资源费80-120元/平方米；电空调平均100元/平方米。如果采用分布式能源，也许仅需要一条天然气管道，最多增加一条辅助供电线路，建一套热电冷能源中心就可以完成上述多个系统的功能。如果条件不允许，也可以采用液化天然气/石油气，建立一个独立的“岛”式能源系统。建筑能够在规划阶段就采用这一设计理念，对绝大多数建设项目来说是可以实现降低工程造价的目标。采用分布能源技术不仅仅在工程造价中能得到优化，在系统使用上也可得到长期经济效益。道理很简单，以上海居民公寓为例：1立方米天然气价格为2.1元，采用微燃机热电冷联产可以产生2.472.98元的产值，利用1立方米天然气节约0.370.88元支出；如果是北京的宾馆，天然气价格1.8元/立方米，每利用1立方米天然气可以节约0.761.06元能源支出。各类用户平均节约支出水平在2060%之间，效益非常明显。各种热电冷系统在上海公寓中节约能源费用比较 项目单位小型燃机热电冷微型燃机热电冷燃气内燃机热电冷燃气外燃机热电燃气锅炉蒸汽溴化锂天然气价格元/m32.1发电效率30%28%35%31.50%0.00%单位燃气发电量kWh/m32.93 2.73 3.42 3.08 0.00 电价元/kWh0.61发电收益元/m31.79 1.67 2.09 1.88 0.00 供热效率50%50%40%50%80%单位燃气供热量kWh/m34.88 4.88 3.91 4.88 7.81 热价元/kWh0.27 供热收益元/m31.31 1.31 1.05 1.31 2.10 热电联产收益元/m33.10 2.98 3.14 3.19 2.10 效益差值1.00 0.88 1.04 1.09 0.00 单位燃气制冷量kWh/m34.88 3.66 2.54 8.20 冷价元/kWh0.22 制冷收益元/m31.06 0.80 0.55 1.79 冷电联产收益元/m32.85 2.47 2.64 1.79 效益差值0.75 0.37 0.54 -0.31 注：冷价按照国内分体电空调平均水平COP2.8计算。分布能源的主要技术装备目前世界各国的能源技术研究专家们，正充分发挥想象，利用一切最新科技成果，并竭力挖掘各类传统技术，研制生产了各种各样的分布式能源设备。例如：以美国Solar公司为代表的小型燃气轮机；以英国Bowman公司为代表的微型燃气轮机；以美国Cat公司为代表的燃气内燃机；以美国STM公司为代表的燃气外燃机，以及燃料电池、太阳能电池、太阳热发电、余热吸收式制冷机组、楼宇式风力发电、楼宇式抽水蓄能发电、污水热泵能量回收系统、微型污水处理站沼气回收系统、微型垃圾焚化余热利用系统等等。由于大家对与燃气内燃机和小型燃气轮机的技术都已比较熟悉，所以这里我们着重介绍最具有标志性的两种燃气机组热电（冷）系统。微型燃气轮机：中国科学院工程热物理研究所著名分布能源技术专家徐建中院士将微燃机称之为“分布能源的核心技术”。因为微燃机是一种结构简单便于大量工业化生产、余热品质高适合热电冷联产、技术潜力大的能源转换设备。同样是燃气轮机，微燃机将传统燃机的多级空气压缩机叶轮和动力透平叶轮构成的转子一次精密铸造成为一个轮盘转子，一边是空气压缩机，一边是动力叶轮，让转子在滑油或空气轴承上高速旋转，带动永磁发电机产生高频交流电，经过可控硅电子变频控制器进行“交直交”可控变频，自动跟随电网的频率、相位、周波并网发电。这一设计大大简化的发电和控制系统，不仅可以有效降低造价，还可以有效降低运行成本。为了提高效率，微燃机普遍采用了回热循环技术，利用燃机排出的600-700高温烟气，对压缩过的空气进行预热，并使之提高到250以上，使燃烧基温提高，并让燃料能够充分燃烧，实现节能。微燃机转子与永磁电机电子变频控制器微型燃气轮机采用了模块化集成设计，每一个机组就是一个独立的发电单元，可以独立使用，也可以多台机组阵列布置，非常灵活。由于微燃机排烟温度在287-650以上，可以与余热吸收制冷机组实现直接对接，同时因微燃机排烟中含氧超过15%，可以与燃料再燃，能够直接提高直燃机和锅炉的燃烧效率。微燃机还可以使用包括沼气在内的低热值燃料，应用范围非常广泛。Bowman微型燃机40台机组组成的Capaston微燃机阵列微型燃气轮机与余热吸收制冷机组直接对接的实验正在进行，美国马立兰州大学建立了一套测试系统，利用微燃机发电的余热制冷和除湿，该项目已经运行两年。北京燃气集团采用英国Bowman80kWGT80微型燃气轮机为基础组织了一套热电冷联供系统，目前正在安装。上海理工大学一套采用Capaston60kW微燃机组成的热电冷系统也在安装测试之中。与直燃机的直接对接是否适用，还需要进一步研究和通过运行考验。但是利用BowmanGT80微型燃气轮机烟气的余热锅炉能产生140kW高温热水和蒸汽，可以产生8.5-15万大卡的冷量，能满足1500-2500平方米建筑的制冷需要，而蒸汽或热水制冷机组技术十分成熟，价格也更加低廉，运行安全可靠。业主可以根据需要采用不同的技术路线，但该技术的实用性已经确立无疑。Bowman微型燃气轮机发电容量80kW，烟气供热量140kW，另有10kW热量来自滑油冷却水，温度足以供应生活热水。机组自身也采用了模块化组合设计，回热器、余热锅炉、燃气增压机、并网/独立发电双模式模块全部是选装设备，使用非常灵活。该机组采用较为传统的滑油轴承，其噪音明显小于空气轴承，仅77分贝（1米），而且不同于空气轴承不能紧急停机。滑油每年更换一次，油滤半年更换一次，其他基本没有什么大的维护工作，设备大修周期为3-5年。机组长3米，宽0.8米，高1.8米，重1.8吨（含余热锅炉），布置非常灵活。标准型可每小时生产90热水150kW，氮氧化物排放25ppm。设备可在室内布置，也可以放在室外，很灵活。燃气外燃机：对于只使用热水的用户，例如：宾馆饭店、游泳池、洗浴中心和公寓热水系统，外燃机热电联产系统的优越性是无与伦比的。外燃机利用的历史悠久的斯特林循环，如同蒸汽火车头的原理，在热端加热管束中的介质，利用介质膨胀做功推动活塞运行出力产生电流和60的热水。STM外燃机热电系统外燃机内部结构示意图STM外燃机作为一个独立模块，将发电、冷却、供热、控制等各种功能全部集成于一身，每一模块就是一个独立发电单元。因而组成的发电系统不论是单台，还是多台机组阵列，既不需要厂房，也不需要现场控制室，完全实现现场无人职守。每台机组都可通过普通网线或电话线进行远控，而遥控控制端，仅需要一台使用Win95视窗的普通PC机即可。因此，系统造价大大低于其他技术，且使用极为灵活方便。8台机组组成的阵列发电系统STM外燃机发电出力55kW，效率31.5%，噪音68分贝（1米），氮氧化物排放8ppm，一氧化碳为1ppm，是目前世界上最环保的热发电机组。设备震动非常小，运行时可将一枚1元硬币直立在机壳上不倒。体积为长2.59m、宽0.86m、高1.1m（不含散热器）。该设备供电同时可供热90kW，相当每日供应60热水50吨，综合热电联产效率为82%。由于外燃机的独特设计，对于燃料的热值和成分要求较低，热值2670大卡/立方米以上的燃气，无论是天然气、煤气、煤层气，还是沼气、生物质热解气、氢气等都可使用。进气压力仅为0.0170.136kg/cm在城市低压和次中压管道上即可使用。STM外燃机是一种长寿命、低维护机组，因零件仅为内燃机的50%，所以性能可靠，维护简单，大修周期5万小时。通常耗材只有机油、冷却液、去离子水和火花塞。机油为普通汽车机油，2年更换一次；冷却液为汽车防冻剂；用于制造功质的去离子水，每年填加一次；火花塞因不同于燃气内燃机需频繁工作，所以没有使用更换寿命限制，只需要定期检查。运行不足成本内燃机的1/10。STM外燃机的供电系统非常简单，采用异步发电机，由电网的电力启动系统，随电网的周波、频率和相位运行，在电力达到输出能量时自动并网供电。电力380V输出，在用户端低压系统供电，减少不必要的投资和损耗。设备有完善的保护系统，电力出现不正常波动和电网断电，可以迅速反映，完全确保用户电力系统和电网的安全。中国第一套20kW外燃机热电联产示范验证项目由清华大学、北京燃气集团和中国能源网，在新加坡STK公司资助下正在北京进行测试，该系统将为清华每日提供480kWh电力并为北区学生浴室提供24吨洗澡水，解决约500名学生的洗澡需求。分布能源系统设计应用的一些问题设计应用分布能源系统一要摆脱传统能源系统设计理念的惯性思维，二要用于创新。当一件新生事物出现时，在我们还不能完全理解和清楚认识的时候，一定不要预先设置立场。分布能源是一种基于需求的能源系统，一切应该实事求是，从用户的实际需要出发，同时尽力在适用性和经济性中寻求平衡。“岛网”之异：对于发展分布能源国内外专家一直存在是建立“能源岛”还是建立“能源网”的不同看法。所谓“岛”就是系统完全独立，自给自足，完全不依靠电网供电，甚至燃气也采用双燃料，不受制于任何人。而“网”则强调于电力和燃气系统的积极融合，追求设备利用的最大化和能源供应的安全性。很多能源岛是被电力垄断逼出来得，发展岛式能源系统，出于电器设备启动要求，装机容量需要的比较大，投资比较浪费，同时因为完全不需要电网，电网一分钱也赚不到，对谁都没有好处，是一种极端的做法。随着电力垄断被逐步打破，电力改革进一步深入，电力部门和用户都应该选择投资更少，使用效率更高的能源网系统。日本的经验是分布能源系统的发电容量最好在25-35%之间，不足部分由电网补充，友好供电，相互依存。“以热定电”还是“以电定热”：在确定分布能源系统设计原则时，设计人员往往困惑于上述问题。如果按照国家四部委联合颁布的（计基础）1268号关