建筑能源应用技术-课件 韩如冰 第5-10章 风能利用技术 -多能互补能源综合系统

第5章风能利用技术02学习目标1了解风力发电的基本原理和风电转换的原理；2熟悉风力发电机的两种类型及风力发电系统；3掌握建筑风能的利用形式和风电一体化建筑设计要点。第5章风能利用技术03本章主要内容•5.1风力发电的原理概述：基本原理、基本理论与风电转换原理。•5.2风力发电机：分类、独立/并网系统及微小型风力发电系统。•5.3建筑风力发电技术：利用形式、建筑风场、安装类型与一体化设计。第5章风能利用技术04风的形成与风能利用风的定义空气相对于地面的水平运动称为风。形成因素风的大小和方向由水平气压梯度、地转偏向力、惯性离心力和摩擦力共同决定。环流尺度按尺度可分为大气环流、季风环流和局地环流。利用形式风车提水、风帆助航、风力致热和风力发电，都是把风的动能转化为其他能量。先理解风的来源，再讨论风能转换设备。绪论：第5章风能利用技术055.1风力发电的原理概述风力发电机首先把风的动能转化为风轮轴的机械能，再由发电机转化为电能。本节从能量关系、贝茨极限和功率曲线建立基本认识。本节学习路径：基本原理→基本理论→风电转换原理第5章风能利用技术06风力发电的能量转换链风的动能风轮旋转机械能传动与发电机电能输出风轮在风力作用下旋转，把空气的动能转变为风轮轴的机械能；发电机再把机械能转换为电能。这是后续全部设备和公式共同描述的主线。沿箭头说明能量或信息如何逐级转换。第5章风能利用技术5.1.1风力发电的基本原理5.1风力发电的原理概述07风力发电机的基本组成：风轮直接与来流作用，提取风能并产生转矩。发电机把风轮轴的机械能转换成电能。调向器（尾翼）使风轮适应来流方向变化。塔架支承机组并把风轮提升到适宜高度。限速安全机构在不利风况下限制转速，保护机组。储能装置调节风能间歇性带来的供电波动。风力发电机是风电系统的核心。5.1.1风力发电的基本原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术08风的动能、体积与质量E=1/2·m·v²（5.1）V=vA（5.2）m=ρvA（5.3）•E为质量m、风速v的空气所含动能。•时间内通过横截面积A的空气体积与风速成正比。•空气质量由密度ρ、风速v和横截面积A共同决定。把式（5.2）和式（5.3）代入动能关系，就能得到风功率公式。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术09来流中的风功率：P=1/2·ρAv³（5.4）•风功率与空气密度ρ成正比。•风功率与叶轮扫风面积A成正比。•风功率与风速v的三次方成正比，因此风速变化对可利用功率影响最显著。公式描述来流所含功率，不代表风机能够全部提取。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术10风速三次方效应：风速×1风功率为基准值P。风速×2风功率变为2³P，即8P。风速×3风功率变为3³P，即27P。工程含义选址、轮毂高度和建筑导流对发电潜力影响很大。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术11贝茨通道与风机前后流场图5.1贝茨通道（S代表风力发电机的叶轮面）•自由风经过风机后，流体横截面增大，风速降低。•风机前后空气所含能量之差，就是叶轮提取的机械能。•若出口风速降为零，则没有流体通过风机，因此不可能把全部风能提取出来。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术12风机前后的能量与连续关系：P=1/2·ρ(A₁v₁³−A₂v₂³)（5.5）ρA₁v₁=ρA₂v₂（5.6）P=1/2·ρv₁A₁(v₁²−v₂²)（5.7）•v₁、A₁分别表示风机前的风速与横截面积。•v₂、A₂分别表示风机后的风速与横截面积。•连续方程说明稳定流动中质量流率保持一致。结合图5.1：风速降低、流管扩张、风机获得机械能。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术13贝茨定律与贝茨极限：基本结论贝茨定律描述风机能够从风中提取的最大能量。理论上限最大能量为16/27，约59.3%，称为贝茨极限。实际机组考虑叶片外形、装配、变桨和转速等，实际提取量只能达到贝茨极限的75%～80%。理解重点贝茨极限是理想条件下的理论值，不等于实际发电效率。贝茨定律由AlbertBetz于1919年提出。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术14贝茨极限的理想化假设：理想圆盘叶轮面无限薄且不存在轮毂。无限叶片具有无限多叶片且无拖动。轴向流动风吹进和吹出的方向均为风机轴向。不可压缩空气密度恒定，风机与叶轮之间无热量交换。忽略尾流不考虑风机下游尾流效应。适用边界真实风机存在有限叶片、拖动以及机械和电气损失。理想化假设用于建立理论上限，不能直接等同于真实机组。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术15作用力、风轮面风速与机械功率：F=m(v₁−v₂)（5.8）P=Fv′=m(v₁−v₂)v′（5.9）P=1/2·ρA(v₁²−v₂²)(v₁+v₂)（5.10）•F表示风机对风的作用力。•v′表示作用在风机表面的风速，取v′=1/2(v₁+v₂)。•机械功率来自作用力与风轮面风速的乘积。课堂提示：动量变化产生作用力，作用力做功形成风机获得的机械功率。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术16自由风功率与功率系数：P₀=1/2·ρAv₁³（5.11）cP=P/P₀（5.12）•P₀表示相同横截面积下自由风所含功率。•功率系数cP表示风机获得的机械功率占自由风功率的比例。•cP的大小取决于风机进、出口风速的比例关系。功率系数用于衡量风机从来流中提取能量的程度。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术17功率系数与流速比：图5.2风力发电机功率系数与流速比关系图•横轴表示风机出口与入口流速的比例，纵轴表示功率系数cP。•曲线存在最大值，说明既不能让空气毫无减速，也不能让出口风速降为零。•图中最大值与贝茨极限相对应。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术18风电转换的完整过程：轮毂高度处来流风轮提取动能轴系输出机械能发电机输出电能风电机组输出功率主要取决于轮毂高度处的风速。风速进入不同区间时，机组会停机、变功率运行、额定功率运行或安全切出。沿箭头说明能量或信息如何逐级转换。5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术19风机输出功率的分段关系：0，v≤vcik₁v³+k₂，vci<v<vrPwt,0，vr≤v<vco0，v≥vco•式（5.13）把风机功率曲线分为四个运行区间。•低于切入风速时不能发电；达到额定风速后维持额定功率；达到切出风速后停机保护。•k₁=Pwt,0/(vr³−vci³)，k₂=−k₁vci³。Pwt=（5.13）5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术20功率曲线中的四个关键量vci切入风速风机开始并网发电的最低风速。vr额定风速风机达到额定功率所对应的风速。vco切出风速达到结构或系统安全上限时的最高运行风速。Pwt,0额定功率风机在额定运行区间的输出功率。先认清变量，再判断风机处于哪个运行区间。5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术21额定风速以下的功率表达式：Pwt=k₁v³+k₂（5.14）•当vci<v<vr时，风机功率随风速增大而上升。•当vr≤v<vco时，风机功率达到额定功率Pwt,0。•当v≤vci或v≥vco时，机组停止运转，电能转化率为零。提高可利用风速并达到合理的额定风速，是高效利用风能的关键。5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第5章225.2风力发电机风力发电机按旋转轴方向可分为水平轴和垂直轴两大类；系统按与电网的关系可分为独立运行和并网运行，教材还介绍了微小型风力发电系统。本节学习路径：风机分类→独立/并网系统→微小型系统第5章风能利用技术23风力发电机分类框架水平轴风机旋转轴接近来流方向，通常具有较高功率系数，需要对风。垂直轴风机旋转轴垂直于地面，可接收各方向来风，不需要复杂偏航。叶片数量水平轴风机可分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片。迎风方向水平轴风机还可分为上风向机组和下风向机组。分类依据不同，回答问题时应先说明采用了哪一个分类维度。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术241）水平轴风力发电机图5.3水平轴风力发电机•水平轴风机必须使风轮面向来风方向，通常具有较高功率系数。•当风向变化时，需要机械装置持续调整旋翼方向。•图中可识别叶片、轮毂、机舱和塔架等主要部件。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术25按叶片数量分类图5.4水平轴风机分类•单叶片风机材料少、风阻损失小，但需要配重并存在平衡问题。•双叶片机组也有平衡缺陷；三叶片机组因气动荷载较一致而更稳定。•多叶片叶轮起动较容易，但叶片增多会增加空气动力损失。1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术26叶片数、实度与应用选择实度实际叶片面积与叶轮扫风面积之比称为实度。高实度叶轮多叶片与风作用面积大，起动较容易。低实度叶轮叶片少，可能需要外力起动，但气动损失较小。三叶片机组在稳定性、功率和工程应用之间形成较好的平衡，因此商业应用最多。叶片多并不必然意味着输出功率更大。1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术27上风向与下风向水平轴风机图5.5上风向与下风向水平轴风机•上风向机组的风先经过叶轮再经过塔架，没有塔影效应，但偏航系统很重要。•下风向机组更加灵活，可不设偏航系统。•下风向叶轮位于塔筒下风侧，塔影可能造成叶片荷载分布不均。1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术282）垂直轴风力发电机图5.6小功率的垂直轴风力发电机•旋转轴垂直于地面，能够接收来自各个方向的风。•不需要复杂偏航装置，齿轮箱和发电机可位于底部，维护较方便。•在高湍流环境下适应性较好，低尖速比运行时噪声较小。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术29水平轴与垂直轴风机比较水平轴•通常功率系数较高。•需要面向来风并设置调向装置。•三叶片机组商业应用广泛。垂直轴•可接收各方向来风，维护方便。•高湍流环境适应性较好。•许多机型不能自主起动，效率较低。课堂提示：城市建筑应用中仍需同时评估湍流、噪声、起动与结构条件。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术30风力发电系统的两类运行方式：独立运行系统又称离网运行；通过储能或多能源互补维持稳定供电。并网运行系统风机与电网并联，输出电压和频率受电网约束。共同任务都需要完成发电、控制、功率变换和安全保护。选择依据是否具备电网、负荷可靠性要求、储能条件和系统规模。先判断系统与电网的关系，再分析设备配置。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术31独立运行系统：图5.7独立运行系统框图•风能具有不稳定性，单靠风机难以持续提供可靠电能。•可利用蓄电池稳定输出，或与光伏、柴油发电等互补运行。•系统通过整流、控制、储能和逆变，把不稳定风电转为适合负载的电能。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术32独立运行系统的组成（1）风力发电机组由风力机、发电机和控制部件组成。耗能负载持续大风时消耗机组发出的多余电能。蓄电池组若干蓄电池组成的储能装置，用于储能和稳压。能量关系风机供电优先满足负载，富余电能进入储能或耗能负载。对应图5.7逐项识别设备。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术33独立运行系统的组成（2）控制器控制充电与过放保护，调节、分配输入输出功率并执行监控。逆变器把直流电转换为交流电。整流器把风机产生的交流电转换为直流电，供充电或控制回路使用。系统协同控制器连接发电、储能、负载和保护，是运行协调中心。整流是交流变直流，逆变是直流变交流。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术34独立运行系统的优点与局限优点•不需要燃料，污染少。•结构坚固、扩充灵活。•可自主供电，适合非集中电网。局限•为连续稳定供电需要储能，增加成本。•需要定期维护检修。•系统效率不高，技术相对复杂。离网系统以设备与储能投入换取供电自主性。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术35并网运行系统的基本流程风轮与发电机并网控制电压、频率满足要求接入电网并网风机按风力大小自动输出电能。只有当风力发电机的电压和频率与电网一致时才能并网；风速过低不能输出电能时，系统应从电网解列。课堂提示：沿箭头说明能量或信息如何逐级转换。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术36同步发电机与异步发电机并网同步发电机•可提供自身励磁电流。•可改善电网功率因数。•成本高，并网控制复杂。异步发电机•结构简单、成本低。•并网控制容易。•需要从电网吸收无功功率，可并接电容器改善。课堂提示：两类机组都必须满足并网与解列控制要求。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术37独立运行与并网运行比较独立运行•依靠储能或多能源互补稳定供电。•适合无电网或分散负荷。•系统自治但维护和成本较高。并网运行•电压和频率由电网决定。•低风速时解列，高风速也需安全控制。•在有电网地区通常较合适。系统选择取决于电网条件和供电目标。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术38微小型风力发电系统组成图5.8微小型风力发电系统组成图•直流风力发电机经控制器寻找最佳功率点。•电能可直接经变换器调压，也可先进入储能装置再供给变换器。•输出调整为适合无线传感网络或嵌入式系统负载的电压。5.2.3微小型风力发电系统5.2风力发电39发电机与控制器风力发电机包括风力机和发电机；教材所述系统采用永磁无刷直流发电机。采用原因兼具结构简单、运行可靠、维护方便、动态特性好、质量轻和体积小等特点。控制器保证蓄电池正常充放电，防止过充和过放。最佳功率点控制叶尖速比，使风机尽量工作在最佳功率点。5.8中的前端发电与控制部分。5.2.3微小型风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术40储能、变换器与负载储能装置抑制风能间歇性和不稳定性，提供连续稳定供电；可采用蓄电池或电容。DC-DC变换器把发电或储能输出调节为各传感器节点需要的电压。变换器类型包括降压型、升压型、升降压复合型和库克DC-DC等。负载可以是无线传感网络节点或嵌入式系统芯片，应按负载特性调节发电。储能解决时间波动，变换器解决电压匹配。5.2.3微小型风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术415.3建筑风力发电技术建筑环境中的风能既可通过自然通风和排气被动利用，也可通过风力发电主动利用。建筑形体会改变局部风场，因此风机布置必须与建筑设计协同。本节学习路径：利用形式→建筑风场→安装类型→一体化设计第5章风能利用技术42建筑风能的被动与主动利用被动式利用利用自然通风和排气，使建筑适应地域风环境。主动式利用通过风力发电，把地域风能转换为电能。屋顶布置在建筑楼顶放置风机，利用屋顶较大的风速发电。风力集中器在设计阶段利用建筑形体汇聚和强化风力，再布置风机。两类主动利用形式都要先认识建筑周围的局部风场。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术43气流受到建筑物阻挡后的分布图5.9气流受到建筑物阻挡后的分布情况•迎风面气流一部分越过屋顶，一部分沿墙下沉，另一部分绕过建筑两侧。•背风面形成涡旋；高墙下沉气流在近地面形成回流和角流。•建筑形体使不同部位出现加速、分离和涡旋，风机位置不能只按高度判断。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术44建筑周围的局部大风速区：高低建筑间涡旋区风速约为原盛行风速的1.3倍。高建筑两侧角流区风速约为原盛行风速的2.5倍。高墙下穿流区风速可达原盛行风速的3倍。设计含义加速区有利于能量获取，但也可能带来行人风环境、噪声和结构问题。工程设计仍需针对项目核实这些倍数数据。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术45风能利用建筑的基本形式图5.10风能利用建筑的基本形式•风机通常布置在风阻较小的屋顶，或风力被加强的洞口、夹缝等位置。•建筑形体可作为风力集中器，引导来流进入风机。•布置时还需避开不利涡流区，并校核结构、噪声和维护条件。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术46建筑用风机安装类型：建筑边缘、屋顶、底层地面•建筑边缘可同时利用自由来风和建筑形体引导的风。•屋顶风力较大、环境干扰较少，但应避开檐口涡流，并关注噪声和结构影响。•底层地面风资源通常不丰富，如何提高风机产出更具挑战。5.3.2建筑中风力发电机的安装类型5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术47建筑用风机安装类型：安装于楼身洞口、建筑夹缝安装于楼身洞口建筑中部开口会汇聚和强化风力，产生“穿堂风”，适合安装定向式风力机。安装于建筑夹缝建筑之间的垂直缝隙形成“峡谷风”，可布置垂直轴或水平轴机组。共同优势利用建筑形体形成的加速通道，提高风机处的可利用风速。共同约束必须同时校核空气动力、共振、结构荷载、噪声、安全和维护。五类安装位置共同体现“先分析风场，再选择风机与位置”。5.3.2建筑中风力发电机的安装类型5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术48建筑风电一体化设计要点资源条件充分了解当地平均年风速、风向和风力资源。空气动力使建筑形体有利于风力诱导，并避免不利湍流和涡旋。结构与共振考虑机组荷载、振动、共振及其与建筑之间的相互影响。环境与运维评估气动噪声、景观、安全、检修通道和投资。高层建筑顶部风资源较充足，但“有风”不等于“适合安装”。5.3.2建筑中风力发电机的安装类型5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术49建筑一体化实例：巴林世贸中心图5.12巴林世贸中心•巴林世贸中心建筑一体化风机：两栋建筑之间安装3台水平轴风机。•两栋建筑之间形成风速加速通道，建筑形体与风机位置共同组织来流。•该案例用于理解一体化思路；具体工程性能数据不在本章内容范围内。5.3.2建筑中风力发电机的安装类型5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术50本章总结与思考题•知识主线：风的动能经风轮转为机械能，再经发电机转为电能；风功率与风速三次方成正比，但受贝茨极限约束。•设备与系统：水平轴和垂直轴风机各有特点；独立运行、并网运行和微小型系统的设备配置不同。•建筑应用：应把建筑风场、安装位置、结构、共振、噪声和维护纳入一体化设计。•课后思考题1：简述高层建筑利用风能发电的策略和方法。•课后思考题2：试探讨建筑风力发电机组并网的可行性和要求。回答时沿“资源—原理—设备—系统—建筑约束”组织论述。第5章风能利用技术建筑能源应用技术第六章燃气应用技术燃气分类与输配·燃气供热锅炉·冷热电三联供本章核心本章沿“气源—输配—燃烧换热—梯级利用”展开：先认识燃气类别及质量要求，再理解城镇燃气的分级输配与安全布线，继而学习燃气锅炉的燃烧、传热和热水循环，最后掌握冷热电三联供的组成与负荷匹配。01第6章燃气应用技术02学习目标1了解燃气的分类、性质及城镇燃气输配系统；2熟悉建筑室内燃气输配系统的设计；3掌握燃气锅炉及冷热电三联供的原理和选型要点。03本章主要内容•6.1燃气的分类及性质：四类燃气与质量要求。•6.2城镇燃气输配系统：构成、压力级制、系统选择与管道布线。•6.3燃气供热锅炉：构造、工作过程、燃烧设备和热水锅炉。•6.4燃气应用新技术：冷热电三联供的组成与规划。第6章燃气应用技术04燃气在建筑能源系统中的应用链气源与质量城镇输配燃烧与换热冷、热、电服务天然气具有优质、高效、低碳和清洁等特点。建筑燃气应用从气源性质出发，经过安全输配和燃烧换热，最终满足供暖、热水、制冷和发电等需求。沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术绪论056.1燃气的分类及性质城镇燃气按类别和燃烧特性指标分类。本章从天然气、人工燃气、液化石油气和生物气四类气源入手，并进一步给出主要质量要求。本节学习路径：分类与基本性质→天然气/LPG/人工燃气质量要求第6章燃气应用技术来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第6章06燃气的四类来源天然气天然蕴藏于地层，以甲烷为主的烃类和非烃类混合气。人工燃气固体或液体燃料经过热加工制得的可燃气体。液化石油气以凝析气田气、石油伴生气或炼厂气为原料加工制得。生物气有机物在隔绝空气条件下，经微生物作用产生，也称沼气。课堂提示：天然气、液化石油气和人工燃气可作为城镇气源；生物气主要作为农村能源。6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质第6章燃气应用技术071）天然气主要成分以甲烷为主，也含少量二氧化碳、硫化物和氮气等。输送条件地下开采时压力较高，有利于远距离输送。燃烧特性热值高、容易燃烧、燃烧效率高。用途既可作为燃料，也可作为化工原料。天然气是混合气体，质量和燃烧特性需要稳定控制。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质08天然气的进一步分类按矿藏特点气田气、石油伴生气和凝析气田气。按烃类组分干气与湿气、贫气与富气。分类意义不同来源与组分影响处理、输送和利用。课堂抓手回答分类问题时先说明分类依据。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质1）天然气092）人工燃气定义以固体或液体燃料为原料，经热加工制得的可燃气体。干馏煤气煤在焦炉或直立炭化炉中干馏制取，包括焦炉煤气等。气化煤气固体燃料在气化炉中与气化剂高温反应制得。油制气石脑油或重油经热加工制得。人工燃气分类取决于原料、加工方法与设备。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质103）液化石油气原料凝析气田气、石油伴生气或炼厂气。主要成分丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。少量组分还含少量戊烷及其他杂质。质量关注蒸气压、组分、残留物、硫化物、腐蚀与游离水。表6.2进一步给出液化石油气的质量技术要求。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质114）生物气形成条件有机物在隔绝空气条件下发酵。生成机制在微生物作用下发生生化反应。主要成分甲烷和二氧化碳，另有少量氮气和一氧化碳。数据热值约22MJ/m³（标态）。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质12四类燃气的来源比较天然形成•天然气：地层中天然形成。•液化石油气：油气开采或炼制副产物加工。人工转化或生化生成•人工燃气：固体/液体燃料热加工。•生物气：有机物厌氧发酵。比较来源、主要成分和典型用途，不把名称混为一谈。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质13为什么要控制燃气质量?•保证输配、储存和用户使用过程的安全。•减少管道和设备的腐蚀、堵塞与燃气损失。•减少环境污染，并保障系统运行的经济合理性。•不同来源燃气需要采用相应的质量控制指标，并保持质量稳定。质量指标服务于安全、可靠、环保和经济四个目标。第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质14表6.1天然气的技术指标项目一类二类三类高位发热量/(MJ·m⁻³)≥36.031.431.4总硫/(mg·m⁻³)≤60200350硫化氢≤620350二氧化碳/%≤2.03.0—水露点燃气管道交接点处的水露点，应比管道输送条件下的最低环境温度低5℃。（GB50028《城镇燃气设计标准》）一、二类天然气主要用作民用燃料，三类主要用作工业原料或燃料。第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质15表6.2液化石油气的技术要求（详见《液化石油气》GB11174）项目商品丙烷丙丁烷混合物商品丁烷蒸气压(37.8℃)/kPa定烃类组分/%≥959595蒸发残留物/[mL·(100mL)⁻¹]≤0.050.050.05铜片腐蚀(40℃,1h)/级≤111游离水无无无第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质16表6.3人工燃气的技术要求（摘录）项目一类气二类气共同要求低热值/(MJ·m⁻³)>14>10—焦油和灰尘/(mg·m⁻³)——<10硫化氢/(mg·m⁻³)——<20氨/(mg·m⁻³)——<50含氧量/%<2<1—一氧化碳量/%——<10第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质17本节小结：燃气分类与质量的知识闭环先辨气源明确天然气、人工燃气、LPG或生物气。再看组分组分决定热值、燃烧、安全和处理要求。再核质量发热量、硫、杂质、露点和腐蚀等指标需受控。最后匹配用途民用、工业与分布式能源对燃气质量和压力要求不同。下一节进入燃气如何从气源安全输送到用户。第6章燃气应用技术6.1燃气的分类及性质186.2城镇燃气输配系统现代城镇燃气输配系统由门站、管网、储气、调压、管理与监控设施组成，目标是连续、可靠、安全地供气，并便于检修和故障隔离。本节学习路径：系统构成→压力级制→系统选择→管道布线第6章燃气应用技术191）城镇燃气输配系统的构成燃气门站燃气管网储气设施调压设施管理与监控各设施共同保证不间断可靠供气。系统还应能在检修或故障时关断局部管段，而不影响全系统运行。课堂提示：沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统202）城镇燃气管网的压力级制一级系统仅用一种压力级制，通常为低压或中压，适合小城镇。二级系统采用两种压力级制，如中压B—低压或中压A—低压。三级系统采用三种压力级制，如高压—中压—低压。多级系统采用三种以上压力级制，各级管道通过调压装置连接。课堂提示：压力级制越多，输配层次越细，系统也更复杂。第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统213)采用不同压力级制的必要性：高压输送大部分燃气由较高压力管道输送时，管径可减小。允许压降较高压力管道允许较大的单位长度压力损失。节省管材对大流量、远距离输送更经济。专用管线大型工业用户可设置压力较高的专用输气管线。压力选择同时影响管径、材料和输送能力。（1）经济性第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统22（2）用户需求的燃气压力不同居民用户通常需要低压燃气。小型商业用户通常使用低压燃气。大型工业用户可能需要中压或更高压力燃气。调压连接不同级别管网通过调压设施实现压力匹配。3)采用不同压力级制的必要性：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统23（3）消防安全老城区条件建筑密集、街道和人行道狭窄。人口密度人员集中使事故后果更严重。压力限制从安全运行和管理角度，不宜敷设高压或次高压管道。历史因素老城区原有管道设计压力通常低于近期建设管道。压力级制必须与城市空间和风险条件相适应。3)采用不同压力级制的必要性：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统24管网系统选择因素（1）气源情况燃气种类、性质、供气量、供气压力和气源发展规划。城镇规模远景规划、街区道路、建筑特点、人口密度与用户分布。既有设施原有燃气供应设施及其可利用程度。储气设施储气设施的类型与调峰能力。先明确供需和城市条件，再比较管网方案。4）燃气管网系统的选择：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统25管网系统选择因素（2）地形与障碍河流、湖泊、铁路等天然和人工障碍。地下空间既有地下管线与地下建构筑物的现状。改扩建规划未来道路、地下设施和燃气系统扩建条件。技术经济比较在技术指标与可靠性相同的基础上选择经济合理方案。不能只比较初投资，还要比较可靠性与未来适应性。4）燃气管网系统的选择：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统26管道布线依据（1）燃气压力压力等级影响安全间距和线路选择。地下管线考虑其他管道的密集程度和布置。交通与路面考虑交通量、路面结构及运输干线。含湿量与地形考虑必要坡度与街道地形变化。地下燃气管道宜沿道路、人行便道或绿化带敷设。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统城镇燃气管道的布线是指在原则上选定了城镇燃气管网系统后，进一步确定各燃气管段的具体位置。1）城镇燃气管道的布线依据27管道布线依据（2）用户分布考虑连接用户数量及其用气情况。障碍物识别河流、铁路、道路等穿越条件。土壤条件关注腐蚀性能与冰冻线深度。施工与故障影响评估对交通和居民生活的影响。布线是安全、施工、运行和城市协调的综合决策。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统1）城镇燃气管道的布线依据282）高压燃气管线布线原则地区等级按沿线建筑密集程度划分地区等级并相应设计。敷设方式宜采用埋地敷设；局部架空时必须采取防护措施。避让区域不应通过军事设施、易燃易爆仓库、重点文保区、机场、车站和港口等。受限穿越确需通过受限区域时，必须采取安全防护措施。高压管线以输气为主，并通过调压站向较低压力环网配气。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统293）次高压、中压及低压管道布线建筑避让地下燃气管道不得从建构筑物下方穿越。低压环网每环边长一般控制为300～600m。最小覆土机动车道0.9m、非机动车道0.6m、车辆不到达处0.3m。湿燃气应位于冰冻线以下，坡向凝水缸的坡度不宜小于0.003。交叉穿越穿越其他管沟需征得相关部门同意并设套管；穿越交通干线宜垂直。河流穿越可采用河底穿越、管桥或利用道路桥梁跨越。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统30本节小结：从气源到用户的压力与设施链门站接收高/中压输送调压与储气低压配气用户用气输配系统的核心是用合适压力经济输送，再通过调压、储气和监控实现安全、可靠、连续供气。沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统316.3燃气供热锅炉燃气锅炉通过燃烧把燃料化学能转化为热能，再经受热面把热量传给水或蒸汽。本节依次讲构造、工作过程、锅炉房设备、燃烧设备和热水锅炉。本节学习路径：基本知识→燃烧设备→热水锅炉第6章燃气应用技术32基本知识：•锅炉利用燃料燃烧释放的热能或其他热源，加热水或其他工质，获得规定参数和品质的蒸汽、热水或其他热介质。•在供热和制冷系统中，锅炉是供热之源。•民用建筑一般采用中小型锅炉：单台额定出力不大于14MW，额定工作压力0.1～1.6MPa。•本节重点是民用建筑常用的燃气供热锅炉。第6章燃气应用技术6.3燃气供热锅炉33（1）锅炉的基本构造图6.1WNS型燃气（油）锅炉示意图•锅炉由汽锅（锅筒）和炉子两大部分组成。•炉子完成燃料燃烧，把化学能转化为高温烟气的热能。•汽锅金属受热面把烟气热量传给水，使水升温并产生热水或蒸汽。第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程34（2）锅炉的工作过程燃料燃烧烟气向工质传热水受热升温或汽化三个过程在锅炉中同时发生：（1）燃烧决定热量来源；（2）传热决定热量如何进入工质；（3）水的升温或汽化决定最终供热介质。沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程35燃料的燃烧过程•燃气和空气的混合物由燃烧器喷入火筒并燃烧生成烟气。•良好燃烧需要高温环境、必要空气量以及燃料与空气充分混合。•还需连续供应燃料和空气，并及时排出烟气。•燃烧完善是锅炉正常工作的根本条件。燃烧器承担配比、混合、喷射与稳定火焰的任务。（2）锅炉的工作过程第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程36烟气向水或蒸汽的传热过程•燃烧产生高温烟气，首先通过辐射和对流向受热面传热。•烟气沿流程冲刷水冷壁、过热器、对流管束及尾部受热面，温度逐步降低。•省煤器预热给水，空气预热器预热助燃空气。•目标是在安全条件下尽可能回收烟气热量，并以经济的排烟温度排出。沿烟气路径识别受热面及其作用。（2）锅炉的工作过程第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程37水的受热、汽化与循环•受热面中的水吸收烟气热量，温度升高。•上升管中受热较强的汽水混合物向上流动，下降管中密度较大的水向下流动。•汽水混合物在锅筒上部经过汽水分离。•蒸汽由顶部引出送往用户，分离水继续循环蒸发。此详细过程为蒸汽锅炉的水循环与汽水分离过程。（2）锅炉的工作过程第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程382）锅炉房设备的组成锅炉本体完成燃烧、传热和工质加热。燃气输送把燃气安全送至燃烧器。送引风供应燃烧空气并组织烟气排放。水、汽系统完成水处理、给水；蒸汽或热水输送。污染控制控制排放并保障环境要求。仪表控制监测流量、压力和运行状态，执行自动调节。锅炉本体与辅助设备共同构成锅炉房设备。第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉39（1）锅炉本体的主要部分汽锅水冷壁管、上下锅筒和对流管束组成，承担蒸发作用。炉子燃气锅炉中由燃烧器、炉胆和火管组成。辅助受热面：过热器把饱和蒸汽进一步加热为过热蒸汽。辅助受热面：省煤器与空预器分别预热给水和助燃空气，利用尾部烟气余热。用“燃烧空间—受热面—辅助受热面”理解锅炉本体。2）锅炉房设备的组成第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉40燃气供应系统图6.2典型的燃气供应系统示意图•系统主要由煤气表、过滤器、调压器和压力表等组成。•锅炉燃气输送还包括输气管道、调压装置、吹扫和放散设备等。•燃气锅炉不产生灰渣，因此无须设置排渣出灰装置。（2）

锅炉房辅助设备2）锅炉房设备的组成第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉41送引风系统、水汽系统与仪表控制送引风系统WNS型锅炉微正压燃烧且烟道阻力小，可不设引风机。给水系统水处理设备、水箱和给水泵持续提供合格给水。蒸汽系统蒸汽通常先进入分汽缸，再分送至用户。仪表控制监测蒸汽量、水量、压力、燃气和风压，并实施自动控制。辅助系统保障锅炉安全、经济、连续运行。（2）

锅炉房辅助设备2）锅炉房设备的组成第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉42燃烧设备是指通过燃烧反应，将储存在煤、油、气及其他如生物质等燃料中的化学能转化为热能的装置，燃烧装置中产生的热量被锅炉换热面吸收，从而生产出蒸汽或者热水。稳定着火燃料能够及时、连续、稳定地着火。高燃烧效率尽可能实现充分、完全燃烧。高热负荷单位炉排面积或炉膛容积内经济燃烧更多燃料。安全可靠低负荷稳定、调节灵敏，具有良好燃料适应性。结构经济减小锅炉尺寸与钢材消耗。自动化满足机械化和自动控制要求。第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉1）燃烧设备的基本要求432）室燃炉基本形式不设炉排，燃料悬浮在炉室空间中燃烧。适用燃料可燃用粉状固体、液体或气体燃料。燃烧器按比例、速度和方向把燃料与空气喷入炉内。炉膛提供燃烧空间；燃烧强度越高，所需空间和燃尽时间越小。民用建筑燃气供热锅炉多采用室燃炉。第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉44燃气燃烧设备的特点（1）单相反应气体燃料容易着火和燃烧，没有煤粉挥发与焦炭燃烧过程。无需雾化与燃油不同，燃气燃烧器不需要雾化装置。混合决定燃烧燃气与空气混合越好，燃烧越快、越完全，火焰越短。无灰渣炉内不设炉排，也不需要排渣出口和除渣设备。燃烧器性能直接影响燃气锅炉运行工况。3）燃气燃烧设备第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉45爆炸风险突然熄火或燃气与空气形成一定比例混合物时，可能形成爆炸性气体。自动保护应设置火焰监测、燃烧调节、熄火保护和防爆设施。结构紧凑燃烧过程简单、时间短，炉膛容积可减小。严密性微正压燃烧要求炉膛可靠严密，避免造成人员和设备损害。燃气燃烧设备的特点（2）3）燃气燃烧设备第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉46热水锅炉的特点•与蒸汽相比，热水泄漏量小、管路损失少，便于调温，运行安全，房间温度波动小。•热水供暖可节约燃料20%～30%。•民用建筑单纯供暖时，供热介质应采用热水。•热水锅炉工质不发生相变，传热温差大，水质要求低，结构较简单，操作较方便，安全可靠性较高。第6章燃气应用技术6.3.3热水锅炉6.3燃气供热锅炉在供热工程中，热媒有热水和蒸汽两种。来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第6章47强制流动与自然循环热水锅炉强制流动•循环水泵提供动力。•通常不设锅筒，受热面由管排和集箱组成。•结构紧凑，制造安装方便，钢耗量少。自然循环•依靠下降管与上升管水温差产生的密度差驱动。•循环压头较小，水循环可靠性是关键。•需优化循环回路、锅内装置和截面比。区分锅内流动动力来源。第6章燃气应用技术6.3.3热水锅炉6.3燃气供热锅炉48自然循环锅炉——WNS型卧式烟管热水锅炉图6.3WNS型燃油（气）卧式烟管热水锅炉•烟气采用三回程流程：炉胆内由前向后为第一回程，后向前为第二回程，再由前向后为第三回程。•第二回程烟气温度高、体积流量大，因此烟管直径较大。•回水经入口引射装置与热水混合，并进入锅内自然循环。第6章燃气应用技术6.3.3热水锅炉6.3燃气供热锅炉496.4燃气应用新技术——冷热电三联供冷热电三联供利用一种一次能源，同时生产冷、热、电三种能量。系统在用户处生产并实施能量梯级利用，以减少输送损失并提高一次能源利用率。本节学习路径：概念与梯级利用→系统组成→系统规划第6章燃气应用技术50CCHP（冷热电三联供）的基本知识英文名称CombinedCooling,HeatingandPower，简称CCHP。又称分布式能源技术。产品形式同时生产冷、热、电三种能量。位置特点在用户处生产，可避免长距离输送损耗。系统适用于同时具有电力需求和热负荷的场合。第6章燃气应用技术6.4燃气应用新技术——冷热电三联供51CCHP能源梯级利用图6.4CCHP能源梯级利用图•高品质天然气首先在原动机中做功并发电。•原动机排出的余热继续用于供热、制冷或其他热利用。•“先功后热”按照能量品位逐级利用，可提高一次能源利用率。第6章燃气应用技术6.4燃气应用新技术——冷热电三联供52CCHP系统图6.5CCHP系统示意图•系统包括原动机、发电机、余热利用系统和制冷系统等部分。•原动机把燃料化学能转化为机械功，通常驱动发电机。•余热可直接供热、驱动吸收式制冷，或供热泵使用。第6章燃气应用技术6.4.1CCHP系统的组成6.4燃气应用新技术——冷热电三联供53原动机与发电原动机作用把天然气化学能转化为机械功。设备类型燃气轮机、微型燃气轮机、燃料电池、斯特林发动机等。主要用途绝大部分系统用于驱动发电机发电。直接驱动也可直接驱动制冷或制热设备，如发动机制冷机和燃气热泵。原动机功率范围可从1kW到几百MW。第6章燃气应用技术6.4.1CCHP系统的组成6.4燃气应用新技术——冷热电三联供54余热利用系统产生动力高温余热可用于联合循环中的蒸汽轮机。直接利用可驱动吸收式制冷或通过余热锅炉供暖。供热泵使用较低温度余热可作为热泵热源。补充与备用余热不足时需补充供冷或供热；余热利用方案决定CCHP应用效果。按余热温度水平选择合适的利用途径。第6章燃气应用技术6.4.1CCHP系统的组成6.4燃气应用新技术——冷热电三联供55CCHP系统规划的三类输入1）负荷特性掌握电力、蒸汽、热水、采暖和空调负荷的最大值、年变化、逐月和逐时变化。2）外部因素能源与环保政策、并网条件、富余电力上网及上网电价。3）运行方式两大设计准则和对应的运行方式：以电定热或以热定电。方案确定与应用效果评价结合原动机、余热利用、制冷和备用设备确定方案，从节能、环保和经济三方面评价应用效果。容量配置必须依据实际负荷，而不是只看设备额定效率。第6章燃气应用技术6.4.2CCHP的系统规划6.4燃气应用新技术——冷热电三联供56两种设计准则与运行方式以电定热•按电力负荷选择设备。•发电机组可按较大出力运行。•余热可能不足，也可能需要排散。以热定电•按热量或冷量需求配置和调节。•不产生过量余热，综合效率较高。•需要处理富余电力上网问题。关键是电、热负荷在时间上的匹配关系。第6章燃气应用技术6.4.2CCHP的系统规划6.4燃气应用新技术——冷热电三联供57CCHP适用场景与选型要点典型建筑办公、商业、学校、医院、宾馆、剧院和高档公寓等。有利条件既有稳定电力需求，又有一定热负荷。特殊场景偏远地区、重要军事建筑或需要备用电源的场合。选型要点负荷匹配、余热利用、并网政策、能源价格及节能环保经济评价。CCHP应用很大程度取决于余热利用方案和设备。第6章燃气应用技术6.4燃气应用新技术——冷热电三联供58本章总结与思考题本章总结：•燃气分类与质量决定其输配、燃烧和利用条件。•城镇输配系统通过分级压力、调压、储气和监控，实现经济而安全的连续供气。•燃气锅炉同时完成燃烧、烟气传热和工质加热；燃烧器与自动保护是安全运行关键。•CCHP通过“先功后热”实现能量梯级利用，规划核心是电、热、冷负荷匹配。思考题：•1.简述燃气锅炉能量调节方式。•2.试探讨建筑燃气的利用方法。回答时沿“气源—输配—设备—系统—安全与经济”组织论述。第6章燃气应用技术第7章电能应用技术建筑供电特点·新型电力系统·光储直柔本章核心通过电气化、分布式发电、余热利用、储能、直流配电与柔性控制，可逐步成为能够与电网双向互动的能源节点。01第7章电能应用技术｜课程导入学习目标1了解建筑供配电特点及方式；2熟悉建筑新型电力系统，特别是空调系统供电的特点及作用；3掌握建筑光储直柔的系统设计原理。02本章主要内容7.1建筑供电的特点①建筑电气化、

②建筑负荷规律

③建筑与电动车用电协同

7.2建筑新型电力系统①新型电力系统特征

②建筑冷热电联产

③吸收式制冷调峰03第7章电能应用技术｜课程导入7.3建筑光储直柔技术①定义与价值

②系统设计原理

③系统运行与控制2.17.1建筑供电的特点建筑电气化持续提高，但建筑用电仍具有设计容量大、实际负荷率低、季节波动明显等特征，这些特征也为接入电动车、储能配置和需求响应提供了调节空间。04第7章电能应用技术学习路径：建筑电气化→负荷规律→建筑与电动车协同05建筑电气化的含义•建筑领域实现碳中和包括降低直接碳排放和减少间接碳排放两个维度。•降低直接排放可通过调整用能结构，以电替代煤、油和气，提高电力在建筑总能耗中的占比。•我国建筑电气化率为58.3%，仍有提升空间。•推进炊事、生活热水和供暖电气化时，还应推广高能效建筑用电设备和产品。7.1.1建筑电气化第7章电能应用技术06建筑用能电力替代行动目标减少建筑温室气体直接排放。替代方向积极推动以电代气、以电代油。重点终端炊事、生活热水、供暖等。效率要求同步推广高能效建筑用电设备和产品。7.1.1建筑电气化第7章电能应用技术07设计容量为何常大于实际负荷•机电系统设计通常按最不利末端、最不利工况和最大负荷确定容量。•配电系统为保障供电，还会设置安全余量。•多数建筑机电系统的容量不直接决定结构安全，却会影响能源节约和经济运行。•实际工程中容量选择过大的现象较常见，因此必须区分设计容量、最大负荷和实际运行负荷。7.1.2建筑负荷规律1）建筑设计容量大，实际负荷率低，季节性变化大第7章电能应用技术08等效利用小时与平均负荷率•建筑年用电量与入口配电功率的比值一般为500～1800h。•建筑变压器年平均负荷率仅为6%～20%。•较低平均负荷率意味着配电容量在许多时段没有充分利用。•这一现象虽然不利于经济运行，却为充电桩接入创造了容量条件。7.1.2建筑负荷规律第7章电能应用技术1）建筑设计容量大，实际负荷率低，季节性变化大09办公与住宅负荷曲线为何不同图7.1建筑用电负荷曲线示意图•办公建筑用电主要集中在工作时段，节假日全天用电较少。•住宅建筑负荷随居家活动变化，用电高峰多出现在晚上。•工作日住宅晚高峰通常早于节假日。•负荷曲线的形状反映建筑功能、人员活动和设备使用时序。7.1.2建筑负荷规律2）周期波动明显，

蓄能和调整用能时段均可形成负荷调节潜力第7章电能应用技术10建筑负荷具有多周期波动日周期白天与夜晚负荷不同。周周期工作日与节假日负荷不同。季节周期空调与采暖使四季负荷发生变化。调节含义波动越明显，越需要判断可转移和可削减的负荷。7.1.2建筑负荷规律2）周期波动明显，

蓄能和调整用能时段均可形成负荷调节潜力第7章电能应用技术11建筑与交通用电增长趋势•未来建筑领域用电将达到4万亿kW·h，当前约为2万亿kW·h。•预计2030年我国纯电动车保有量达到5000万辆，2050年突破3亿辆。•未来交通领域用电将达到2万亿kW·h，当前约为0.1万亿kW·h。•建筑与交通的增量和总量在电力系统中占重要位置，可再生能源消纳必须考虑两类负荷。7.1.3建筑与电动车用电协同1）建筑和交通领域的整体发展趋势第7章电能应用技术12为什么建筑能够接入大量充电桩？•建筑变压器平均负荷率仅为20%～40%，为充电桩接入创造条件。•利用既有建筑配电容量，基本可以满足相当部分电动车充电需求。•电动车停靠车位多位于住宅、办公和商业建筑周边。•车辆与建筑可能共用同一变电站甚至同一配电网，因而充放电行为与建筑负荷高度耦合。7.1.3建筑与电动车用电协同2）建筑和电动车的使用互动关系第7章电能应用技术13车辆行驶与停放决定充放电时机图7.2私家车行驶与停放规律•现阶段，电动车可能夜间在住宅区充电以消纳低谷电，白天在工作地放电参与削峰。•随着光伏快速发展，未来可能白天在工作地充光伏电，晚上在住宅区放电。•因此充放电策略必须同时考虑车辆出行、建筑负荷和可再生能源发电时序。7.1.3建筑与电动车用电协同2）建筑和电动车的使用互动关系第7章电能应用技术14BVB：建筑—车辆—建筑低谷或光伏富余时充电车辆电池储能建筑高峰时放电削峰并减少配网增容建筑电动车交互（BVB）通过有序充电和双向充放电，使车辆储能与建筑负荷协同。7.1.3建筑与电动车用电协同3）建筑与电动车的技术融合方式第7章电能应用技术15需求响应进一步提高建筑柔性空调负荷利用热惰性和设定值调整进行短时响应。建筑储能通过充放电改变建筑对电网的取电功率。电动车利用有序充电和双向互动参与削峰填谷。综合效果提高供电安全、减少配网增容并提升设备利用效率。7.1.3建筑与电动车用电协同3）建筑与电动车的技术融合方式第7章电能应用技术2.17.2建筑新型电力系统新能源、电力电子设备和柔性负荷大量接入后，电源、负荷、电网形态与运行逻辑都发生变化。建筑冷热电联产则通过现场发电和余热回收实现能源梯级利用。16学习路径：系统内涵与四类转变→CCHP组成与设备→余热利用与调峰第7章电能应用技术171）新型电力系统的内涵•以新能源为供给主体，以确保能源电力安全为基本前提。•以满足经济社会发展电力需求为首要目标，以智能电网为枢纽平台。•以“源网荷储”互动与多能互补为支撑。•基本特征包括清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好和开放互动。7.2.1新型电力系统的特征第7章电能应用技术182）新型电力系统的特征电源结构煤电主导转向新能源装机占主导。负荷特性刚性消费负荷转向柔性、产消兼具。电网形态单向逐级输电转向交直流混联、微网和多向配置。运行特性“源随荷动”转向“源荷互动”。7.2.1新型电力系统的特征第7章电能应用技术19电源结构的转变•传统系统以可控、连续出力的煤电装机为主。•新型系统逐步转向强不确定性、弱可控性的新能源发电装机占主导。•表面特征是新能源占比提高，本质还包括零碳或近零碳与新技术特性。•系统必须提高预测、调节和安全控制能力，以适应新能源出力波动。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术20负荷特性的转变•负荷由传统刚性、纯消费性向柔性、生产与消费兼具转变。•高比例可再生能源与高比例电力电子设备形成“双高”特征。•供给侧随机性与需求侧随机性形成“双随机”特性。•双随机要求系统具备恢复力和弹性，建筑柔性负荷由此成为重要资源。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术21电网形态的转变•传统电力系统以单向、逐级输电为主。•新型系统包括交直流混联大电网、微电网、局部直流电网和可调节负荷能源互联网。•电能配置由单向转变为双向、多向和多能配置。•发电、输电、配电、用电等环节之间的边界逐步融合。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术22运行特性的转变•传统电网采用“源随荷动”的实时平衡模式和大电网一体化控制。•新型系统运行逻辑转向“源荷互动”。•源荷互动并不取消电力系统安全稳定的物理约束。•电源、网络、负荷和储能需要共同承担平衡与调节任务。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术23•冷热电三联供通过集成现场发电与暖通空调系统，实现能源梯级利用。•该类系统也称集成式能源系统（IES）。•系统可节约化石能源消耗、减少二氧化碳排放，并提高电力系统可靠性。•有助于改善室内空气品质与舒适性。7.2.2建筑冷热电联产系统1）建筑冷热电三联供系统第7章电能应用技术24图7.3建筑冷热电联产系统的流程图•分布式发电系统包括发电装置、控制装置及与当地电网的连接装置。•发电装置把燃料化学能转化为电能。•控制装置完成电流、电压或频率转换，使输出满足用户要求。•热回收系统回收发电废热，为建筑供冷、供热、生活热水或干燥空气。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术25分布式发电系统的定义与设备•分布式发电系统配置在用户现场或邻近区域，规模一般低于30MW。•系统通过冷热电联供实现能源梯级利用。•主要发电设备包括微型燃气轮机、燃料电池和往复式内燃机。•设备选择需要比较功率范围、效率、排放、成本、维护和余热条件。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术26微型燃气轮机概览功率范围单机功率约30～400kW。循环与组成采用布雷顿循环，包括压气机、燃烧室、燃气轮机、回热器、发电机和控制装置。主要燃料天然气、甲烷、汽油、柴油等。特点回热效率高、维修率低、寿命长、安装成本较低，但存在高频噪声。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术27微型燃气轮机的能量路径图7.4微型燃气轮机系统的结构流程图•压气机提高空气压力，燃烧室完成燃料燃烧。•高温燃气推动燃气轮机做功并带动发电机。•回热器利用排气余热预热压缩空气，提高循环效率。•排气仍具有利用价值，可继续进入热回收系统。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术28燃料电池：不经燃烧的电化学转换•燃料电池直接把燃料化学能转换为电能和热能，不经过化学燃烧。•气体燃料连续从负极供入，空气或氧气从正极供入。•正、负极发生电化学反应，电子经外电路流动并形成电能。•以氢氧燃料电池为例，氢离子与氧气在正极反应生成水。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术29燃料电池的工作原理图7.5燃料电池的工作原理•负极发生燃料氧化并释放电子。•电子通过外电路流向正极，对外输出电能。•离子通过电解质迁移，在正极与氧气反应。•不同燃料电池的电解质、温度和反应条件不同。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术30燃料电池系统的六个部分图7.6燃料电池系统的结构流程图•系统包括燃料电池堆、燃料处理器、电力调节器、空气输送系统、水管理系统和热管理系统。•发电效率范围为40%～57%。•燃料电池具有发电效率高、运行维护费用低和环保性能较好的特点。•“产物只有水蒸气、几乎零排放”需结合燃料制取和系统边界理解。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术31往复式内燃机•往复式内燃机是成熟的现场发电技术，也常用作备用电源。•发电效率约为30%～40%，教材以低位热值为计算基础。•燃料可采用汽油、柴油或天然气等，分布式发电设备成本较低。•其运动部件较多，维修费用和污染排放较高，并存在低频噪声。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术32表7.1三种分布式发电技术比较（性能）比较内容微型燃气轮机燃料电池往复式内燃机设定功率30～400kW1～250kW100kW～6MW设备成本450～1000美元/kW3750～5000美元/kW200～350美元/kW运行维修费0.005～0.0065美元/kW0.0017美元/kW0.01美元/kWNO₂排放＜10ppm＜1ppm15～20ppm7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术33表7.1三种分布式发电技术比较（应用）比较内容微型燃气轮机燃料电池往复式内燃机排气温度232～260℃随类型不同427～649℃技术现状较大容量已商业化尚未成熟，少量示范技术成熟，已商业化主要优势寿命长、运维较低效率高、环保较好初装成本最低主要约束高频噪声价格较高维护、排放、低频噪声7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术34热回收系统的作用•分布式发电设备排气温度较高，仍包含大量可利用热能。•回收热量可用于建筑供暖、空调或湿度控制。•热回收决定系统能否真正实现能源梯级利用。•教材重点介绍吸收式制冷和干燥剂除湿两种热驱动路径。7.2.2建筑冷热电联产系统2）

建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术35余热驱动吸收式制冷图7.7发电尾气驱动的吸收式制冷原理示意图•电制冷依靠电机驱动压缩机提高制冷剂蒸气压力。•吸收式制冷利用热能，通过发生器完成相应的制冷剂增压过程。•除溶液泵消耗少量电能外，主要能源为热能。•因此发电尾气可作为驱动热源并构成联产系统。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术36干燥剂除湿与再生•潮湿空气通过干燥剂，水蒸气被吸收或吸附，空气湿度降低。•干燥剂吸湿后逐渐失去除湿能力，必须进行再生。•再生过程使用干燥热空气带走干燥剂中的水分，因此需要消耗热能。•固体干燥剂包括硅胶、活性炭、氯化钙等；液体干燥剂可采用氯化锂或氯化钙溶液。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术37形式1：蒸汽轮机＋吸收式制冷机图7.8蒸汽轮机＋吸收式制冷机系统流程示意图•锅炉产生高温高压蒸汽，进入蒸汽轮机推动涡轮发电。•乏汽或抽汽的一部分进入换热器供暖或提供卫生热水。•另一部分进入溴化锂吸收式制冷机制冷。•可依据蒸汽品质选择单效或双效吸收式制冷机。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术38形式2：燃气轮机＋排气回收型冷温水机图7.9燃气轮机＋排气回收型冷温水机系统流程图•燃气轮机排气通常仍在400℃以上，并具有较高含氧量。•排气余热可被溴化锂制冷机直接回收用于制冷。•也可把排气作为助燃空气进行二次燃烧。•二次燃烧回收热效率可达95%以上。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术39形式3A：微型燃气轮机＋排气直热型单效冷温水机图7.10微型燃气轮机＋排气直热型单效冷温水机系统流程图•微型燃气轮机首先发电。•高温排气直接送入单效冷温水机。•排气余热用于制冷或供暖。•该路线流程较直接，关键是排气条件与机组需求相匹配。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术40形式3B：微型燃气轮机＋排气再燃型冷温水机图7.11微型燃气轮机＋排气再燃型冷温水机系统流程图•微型燃气轮机排气温度约250℃，含氧量约18%。•富氧排气进入冷温水机并直接参与燃烧。•系统可提供制冷、供暖和卫生热水。•再燃提高了排气能量的进一步利用程度。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术41形式3C：排气再燃／热交换并联型冷温水机图7.12微型燃气轮机＋排气再燃／热交换并联型冷温水机系统流程图•排气余热一部分被溴化锂制冷机稀溶液回收。•另一部分参与二次燃烧。•系统对外提供制冷、供暖和卫生热水。•并联路线同时利用显热回收与燃烧增焓。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术42形式4：燃气轮机前置循环＋吸收式制冷机图7.13燃气轮机、余热锅炉＋吸收式制冷机系统流程图•燃气轮机发电后排出高温烟气。•余热锅炉回收烟气热量并产生蒸汽。•蒸汽供吸收式制冷机制冷。•其