公共建筑供热空调冷热源方式的多目标分析

公共建筑供热空调冷热源方式的多目标分析

1冷、热、电能源供应需求近年来，北京郊区的几座建筑平均每年超过1000万元，并以每年1000万元以上的速度增加。由于对功能的不同需求，公共建筑也有必要满足冷、热、电能源的要求。目前国内外已有成熟经验并经环保认可的供热空调冷热源方案主要有:电动压缩制冷机+燃气锅炉,电动压缩制冷机+电锅炉,电动热泵,直燃型溴化锂吸收式冷热机,燃气轮机冷热电三联供等,现就以上几种方案进行分析。1.1电厂高效能源量夏季采用电动压缩式制冷机,可选用离心式冷水机组,此类制冷机从电能到制出冷量的能源利用率(COP)可达5,考虑到2001年我国单机6000kW及以上电厂效率仅为35%,即从一次能源到制冷的COP可达1.75;冬季由燃气锅炉供热,其一次能源的利用率约0.9。此方案的电力消耗量很大,且空调制冷用电高峰与城市供电网用电高峰一致,加重了城市峰段供电负荷,一些单位为削峰填谷和降低运行费用,采用蓄冷空调系统,使空调制冷COP略有降低,是一个较好的供冷方法。1.2次能源利用率为5.35冬季由电热锅炉供暖,即使电热锅炉的热效率为100%,其一次能源利用率也只有0.35,因为发电效率约为0.35,所以用电热取暖是很不经济的。夏季采用电动压缩式制冷机组,在前已分析。1.3风冷式热泵供热夏季、冬季共用一套热泵型机组,夏季供冷、冬季供热,这种机组从电能到制冷、制热的COP大致为4,从一次能源到冷量(或热量)的能源利用率约为1.4。由于北京冬季气温较低,最冷时段的热负荷较大,采用风冷式热泵宜同时设置较小容量燃油(气)锅炉,在峰期补充供热。采用水冷式热泵,北京地区本身缺水,地下水位已逐年下降,所以在北京要采用此方案必须首先解决可靠的水源;若用地下水时,必须可靠地解决“回灌”技术,否则不能轻率的采用。采用土气地源热泵,需要根据地质条件有足够的埋设地耦管的土地面积,同时由于土气地源热泵目前机组设备单台容量较小,为直供冷热风,当供热空调面积很大时,必须多台组合分区布置。1.4热水热水直燃型溴化锂吸收式冷热机(简称直燃机)按照双效制冷循环制取冷水,直接利用冷剂蒸汽冷凝制取热水,冷水或热水采用同一回路向建筑提供空调制冷和供热,直燃机亦可增加卫生热水回路,在机组制冷或制热的同时提供卫生热水。夏季制冷运行时的COP为1.2,冬季供热运行时的COP为0.9,全年供冷、供热从一次能源到制得冷量、热量的COP为1.1左右,可见此类机组是节电不节能,对削减夏季空调用电负荷有利。1.5燃气供热发电国际上通常将300kW～20MW的燃气轮机视为小型燃气轮机,小于300kW的为微型燃机。燃气轮机冷热电三联供可以小型燃气轮机为核心,并配以余热锅炉及溴化锂吸收式冷热机组和电动热泵装置的系统。它首先利用天然气燃烧产生的高温燃气在燃汽轮机中做功,将一部分热能转变为高品位的电能,发电可供应电动热泵机组制冷和供热。该发电装置与城市电网的关系是连网但不一定上网,其发电量主要是满足燃气轮机冷热电三联供系统用电,即电动热泵机组及其各类水泵风机用电等。再利用燃汽轮机做功后排出的高温烟气进余热锅炉产生蒸汽,所产生的蒸汽供热或进溴化锂吸收式制冷机产冷水供空调制冷。另外,燃气轮机冷热电三联供是以微型燃机为核心并配以直燃型溴化锂吸收式冷热机组的系统。它首先利用天然气燃烧产生的高温燃气在燃汽轮机中做功,再利用燃汽轮机做功后排出的高温烟气进直燃型溴化锂吸收式冷热机组制冷和供热。燃气轮机冷热电三联供系统使一次能源在使用中完全符合热力学的按质用能、分级利用的原则,并且利用现有的成熟技术,不追求某一种机组的高COP,而是利用各种设备的优点,合理匹配。小型燃机的发电效率30%,其供热效率50%,合计热电综合效率80%。微型燃机的发电效率26%,其供热效率50%,合计热电综合效率78%。2冷源选择的因素2.1方案经济性分析全年总费用是将工程方案从开始实施到竣工年份的投资折算到竣工年份,然后将折算后的投资平均分摊到方案服务年限内的每一年,再和年运行费用(主要是能源费用,公共建筑中能源费用一般占运行费70%左右)相加,得到全年总费用。进行方案比较时全年总费用最低的方案经济性最好。在计算燃气轮机冷热电三联供机组方案中,年运行费用中将发电效益作收入冲减费用。2.2煤粉使用对煤的自然清除效果的性质研究从热力学的角度对环境影响定义如下:环境影响是由于自然因素或人类行为导致环境化学热力学参数偏离了期望环境值,从而引起一系列物理化学变化过程,并最终达到与期望值平衡。环境影响的大小,就是偏离状态下的环境物质成分相当于期望环境值体现未来的火用,以及恢复期望环境值时所消耗的其他资源火用价值。火用是工质相对于环境的做功能力,如果工质和参考环境处于同样状态,则火用为0,这个时候工质对环境的危害或影响也是0,可见,火用是一个相对概念,同样环境影响也是相对于参考环境的,从这个角度说,火用能很好地表达环境影响本质,避免了通常环境影响中许多不确定因素和主观因素。1kg煤燃烧后其污染物在自然清除过程中导致的火用损失为4515.93kJ,占其所能提供能量的20.16%,而1m3天然气燃烧后污染物导致的火用损失为763.39kJ,占其所能提供能量的2.32%。按2001年我国单机6000kW及以上发电机组的平均供电煤耗385gce/kWh计算,电网供1kWh电力其污染物在自然清除过程中导致的火用损失为2434.09kJ。2.3从一次能源转换成热量制冷机的能量性能指标是指在耗用单位能量时可产生的多少制冷量的指标,对于压缩式制冷机常称为制冷系数,对于吸收式制机有时称为热力制冷系数,仅表明为产生一定的冷量时需要消耗多少热量,它没有反映这些热量是怎样来的,产生这些热量的过程的效率怎样。实际上,目前公共建筑利用的热能都来自于一次能源,而电能绝大部分是由燃煤电厂产生,也由一次能源转换得来的。因而生产一定量的冷量时,研究它从一次能源转换为电能或可利用热能,再产生成转换为一定量的冷量,才是一种合理的评价方法。或者说以消耗一定量的一次能源后产生多少冷量来作为制冷机的能量性能指标,称之为从一次能源到冷量(或热量)的一次能源利用率(COP)。前述几种冷热源方案的从一次能源到冷量(或热量)的一次能源利用率(COP)见表1。2.4北京天然气季调峰面临的主要问题北京为解决环境问题,1997年底将陕甘宁天然气引入北京,由于对天然气合理资源配置问题认识不足,截止2001年底购入天然气17.9亿m3,其中51%是采暖用气量,将大量高品质的天然气资源用于烧锅炉采暖,从能源利用的角度来说是不尽合理的。同时单一的采暖用气比例过大,导致季节用气不平衡,2002年冬季最大日用气量1606万m3,12月份的平均日用气量超过1500万m3,而夏季日用气量约为230～260万m3,冬夏季用气量比约6∶1。造成北京天然气季调峰负担很重,管网输送的经济性很差,使输送成本高居不下。从长远来看,这种局面对推动天然气的应用是不利的,亟待发展冬夏平衡的负荷,直燃型溴化锂吸收式冷热机技术、燃气轮机冷热电三联供技术是冬夏季负荷平衡的冷热源方案,同时燃气轮机冷热电三联供技术的应用既满足了冷热负荷需求,又提供了高品位的电能,充分发挥天然气作为高品质清洁能源的效能。北京市的供电主要依赖外埠,目前每年从外埠购电量接近70%。北京的输电走廊集中在西部,同跨一个地震断裂带和相同的气候区域,一场大地震或大雾,就可能造成北京供电系统的破坏,这使北京供电系统抵御意外灾害的能力很差。2001年北京电网的用电负荷达到705万kW,峰谷负荷差超过250万kW。2002年负荷增加17%,达到824万kW,其中不正常窜生主要是电力空调造成的,电力空调负荷已经达到电力负荷的40%,对电网的安全运行、电网及电厂的利用效率和经济效益造成了严重问题。急需削减电力空调负荷,直燃型溴化锂吸收式冷热机技术、燃气轮机冷热电三联供技术是削减电力空调负荷的冷热源方案,同时,燃气轮机冷热电三联供也是高效能的分布式供电方案之一。分布式供电系统可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足。3采用多目标决策分析方法的冷热源方案选择公共建筑供热空调冷热源方案的选择涉及全年总费用、能源利用、能源配置与安全、环境影响等多种因素,有的因素难以定量分析,因此必须寻找一种能将定量分析和定性分析相结合,简单有效又可靠的综合方法。系统工程中著名的层次分析法可以用于供热空调的冷热源方案选择的决策,它是一种实用多目标决策分析方法,它将定性和定量指标统一在一个模型中,既能进行定量分析又能进行定性分析的功能评价,首先根据问题的性质和要达到的总目标,将问题分解为不同的组成要素,然后按照要素间的相互关系影响和隶属关系将其按不同层次聚集组合,形成一个多层次的分析结构模型,属于同一级的要素以上一级要素为准则,进行两两比较,根据评价指标确定其相对重要性,并以此建立判断矩阵,再通过计算,确定各级要素的相对重要度,最后通过综合重要度计算,对各种方案进行排序,从而为决策提供依据。利用层次分析法选择供热空调冷热源方案的分层结构图如图1:4判断矩阵的确定以一个30000m2的公共建筑选择供热空调冷热源为例,相关指标见表2。方案中一些数据的取值和模型来源如下:单位面积的消耗指标以耗冷量93W/m2,耗热量70W/m2计。本算例估算中按北京市的气象资料中各个月份的平均温度计算出冬季采暖期的负荷系数为0.67;夏季空调供冷期的负荷系数为0.4。燃气轮机冷热电三联供天然气价格按1.4元/m3,燃气锅炉、直燃机则按1.8元/m3计,市电按0.6元/kWh,设备折旧期按20年计。全年总费用分5个等级,211.5万元为1级,则110.6万元为5级,143.1万元为3.712级,148.7万元为3.490级,195.6万元为1.630级,对于一次能源利用率(COP)、对环境影响的火用损失也按类似的方法。根据上表可构造各个判断矩阵,层次总排序结果见表3:所设相容性指标C.I.均小于0.1,可认为所构造判断矩阵有相容性,据此计算出的相对重要度值可以接受。最后结论燃气轮机冷热电三联供方案最合理。5北京市天然气管网和供热空调冷热源北京市的环保要求及相关规划限制了燃煤的使用,引入天然气后,为各类建筑合理选择供热空调冷热源提供了多种选择机会,结合层次分析法,将定量分析和定性分析相结合,可得到合理的供热空调冷热源方案。燃气轮机冷热电三联供符合按质用能、分级利用的原则,对削减夏季空调电力负荷,发展均衡的冬夏季天然气负荷,合理配置天然气资源十分有力。北京市2008年将举办奥运会,这使北京市解决环保问题的要求更加迫切。据有关规划:2005年北京市煤炭消费量将控制在2000万t左右,其中发电800万t,城近郊200万t,远郊1000万t;2008年北京市煤炭消费量将控制在1500万t左右,其中发电800万t,远郊700万t,煤炭消费量在北京