建筑冷热电联产系统与可持续发展

1、第26卷 第1期煤气与热力Vol.26 No.12006年 1月GAS& HEATJan.2006建筑冷热电联产系统与可持续发展兰 丽，张 洽，顾登峰(湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082)摘 要: 分析了分布式能源系统的安全、经济、环保等特点，讨论了作为建筑分布式能源系统主要形式的建筑冷热电联产系统的方案模式，介绍了工程实例，提出了发展分布式能源系统需解决的问题。关键词: 分布式能源系统; 建筑冷热电联产系统; 可持续发展中图分类号:TU995文献标识码:B文章编号:1000-4416(2006)01-0049-05BuildingCooling，HeatandPowerCogene

2、rationSystemandSustainableDevelopmentLANLi， MANGLing， GUDeng-feng(ColegeofCivilEnginering，HunanUniversity,Changsha410082，China)Abstract: Thecharacteristics，suchassafety，economy，environmentprotectionetc.ofdistribu-tedenergysystemareanalyzed，theschememodeofbuildingcooling，heatandpowercogenerationsys-t

3、em usedasamainform ofdistributedenergysystem isdiscussed，theengineeringexampleisintro-duced，andproblemstobesolvedtodevelopthedistributedenergysystemareputforward.Keywords: distributedenergysystem; buildingcooling,heatandpowercogenerationsystem;sustainabledevelopment环境问题与能源危机，迫使人类有了一个全球的几个重要方向，即可再生能源

4、的开发利用与分布,胜的行动纲领 可持续发展。1992年召开的联式能源系统的广泛应用。合国环境与发展会议第一次正式提出了可持续发展1 分布式能源系统与可持续发展的思想，可持续发展的特点是既满足当代人的需求，分布式能源系统是指分布在用户端的能源综合又不危害后代人满足自身需求的能力。 利用系统。一次能源以气体燃料为主，以可再生能为了节约能源，保护环境，实现可持续发展，各 源为辅川。它具有以下特点2-4:个国家都在积极进行第二代能源系统的试点、建设， 分布式能源系统可以满足特殊场合的需进行立法准备以及加快相关配套设备的研发。第二 求，例如在电网覆盖率不高的西部地区或分散的用代能源系统具有6个方面的主要

5、特征:燃料的 户、对供电安全稳定性要求较高的用户、能源需求较多元化;设备的小型化、微型化;冷热电联产化; 为多样化的用户。网络化;智能化控制和信息化管理;高标准的 分布式能源系统可以弥补大电网在安全稳环保水平。其中燃料的多元化，设备的小型化、微型定性方面的不足。直接安置在用户附近的分布式发化，冷热电联产化和环保要求代表着能源技术发展电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在基金项目:国家自然科学基金资助项目(20376019);湖南省建设科技计划项目(200423)49第1期煤气与热力第26卷电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破 的废热则由余热锅炉、吸收式冷温水机、转轮除湿装坏、战

6、争)情况下，可维持重要用户的供电。同时也 置等回收利用，转换成为蒸汽、热水、冷水等，为建筑有助于缓解电力高峰负荷，减轻电网的压力。供冷、供暖和供生活热水，并控制湿度了。与采用 分布式能源系统为能源的综合梯级利用提 电动制冷、利用热源进行供热的冷热分供相比，供热供了可能。分布式能源供应系统通过不同循环的有 装置的冬、夏共用提高了它的全年利用时间，降低了机整合，可以在满足用户需求的同时实现能量的综供热成本;又因分担了单独建设热源以利用热能制合梯级利用，克服了冷能和热能无法远距离传输的冷在热源建设上的投人资金，也能降低供冷成本。困难，并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热这种系统对独立的小区、住宅

7、有相当好的发展前景。电联产或冷热电联产，提高能源利用率。预计到2020年，楼宇能源的主要形式有一半会采用 分布式能源系统有助于环境保护。分布式 冷热电联产的形式，这是21世纪能源的发展方向。能源系统采用先进的能源转换技术，尽力减少污染 2.2 系统方案物的排放，并使排放分散化，便于周边植被的吸收。 燃气轮机具有污染物排放量低、容量范围宽、机同时，分布式能源系统利用其排放量小、排放密度低 械效率高、排气温度高等优点，已成为建筑冷热电联的优势，可以将主要排放物实现资源化再利用。用 产系统供电的主力。与燃气吸收式空调相比，燃气分布式冷热电联供技术每替代10MW的电网用电， 轮机驱动空调即使在不回收余

8、热的前提下，其制冷每la可减少排放6.6x104tCO,和330tSOx，大大的能源利用率也比燃气吸收式空调高 30% -减少了对环境的破坏，促进可持续发展。100%，克服了燃气吸收式空调节电不节能的缺 分布式能源系统为可再生能源的利用开辟点“。由于夏季气温很高，导致燃气轮机的功率严了新的发展方向。利用可再生能源是21世纪减少 重不足，效率降低。因此，通过吸收式冷温水机利用环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然 燃气轮机的排气制冷来冷却燃气轮机的进口燃气和要求。相对于化石能源而言，可再生能源能流密度 空气，可以大大提高燃气轮机的功率和效率，目前已较低、分散性强，但目前的可再生能源利用系统

9、规模 被证明是非常有效的节能方式。几种采用燃气轮机小、能源利用率较低，作为集中供能手段是不现实的建筑冷热电联产系统的模式有以下3种几，。的。分布式能源系统为可再生能源利用的发展提供 模式1:燃气轮机+排气回收型嗅化锉吸了最优的匹配规模。随着对可再生能源的能量聚 收式冷温水机。燃气轮机发电后排出的尾气温度一集、转化、储存和利用等方面研究的深人，无论是从环境保护的角度，还是从技术经济、社会发展的角度来看，以可再生能源为基础的分布式能源系统必将成为未来很有发展前景的供能手段之一。综上所述，分布式能源系统具有安全、经济、环保等优点，是促进可持续发展的必然选择。分布式能源系统以建筑物为最大的载体，它将成

10、为今后建筑物的一个重要组成设施，并与建筑物本身以及建筑的智能控制系统完全整合。下面主要介绍作为建筑分布式能源系统的建筑冷热电联产系统的应用情况。2 建筑冷热电联产系统2.1 概述建筑冷热电联产(BuildingColingHeating&Power,BCHP)是为建筑物提供冷、热、电的分布式能源系统。在BCHP系统中，发电装置(如内燃机、燃气轮机、燃料电池等)向建筑供电，发电装置所产生般在400以上，并具有较高的含氧量，可用作嗅化铿吸收式冷温水机的热源来供冷(热)和供生活热水。模式1系统流程见图to电力负荷t，压气机 2.燃烧室 3.燃气轮机 4.发电机5.排气回收型嗅化铿吸收式冷温水机图1

11、模式 1系统流程Fig.1 Flowsheetofmode1 模式2:一体化冷热电联产系统。采用微型燃气轮机+余热利用型嗅化铿吸收式冷温水机，其中冷温水机可采用排气直热单效嗅化铿吸收式冷温水机(型式 1、排气再燃型嗅化铿吸收式冷温水50第 1期兰 丽，等:建筑冷热电联产系统与可持续发展第26卷机(型式2)和排气再燃/热交换澳化铿吸收式冷温水机(型式3)3种型式。型式 1中燃气轮机的排气送人单效嗅化锉吸收式冷温水机，余热用于制冷、供暖和供生活热水。型式2中微型燃气轮机高温富氧排气(温度为250，氧体积分数为18%)进人直燃型嗅化锉吸收式冷温水机(简称直燃机)直接燃烧利用，制冷、供暖和供生活热水。

12、型式3中燃气轮机排气余热一部分用于加热嗅化锉吸收式冷温水机的稀溶液，另一部分进入直燃机的高温发生器参与二次燃烧，对外制冷、供暖和供生活热水。型式3的系统流程见图20力负荷1压气机 2.燃烧室 3.燃气轮机 4.发电机5.排气再燃/热交换嗅化锉吸收式冷温水机图2 模式2型式3系统流程Fig.2 Flowsheetoftype3ofmode2 模式3:燃气轮机前置循环+蒸汽型澳化铿吸收式冷水机。燃气轮机发电后排出的高温烟气通过余热锅炉回收，产生的蒸汽供蒸汽型澳化锉吸收式冷水机制冷，或供工业用户使用，其余通过热交换器供暖和供生活热水。模式3系统流程见图30负荷汽负荷巨口供暖/热水负荷制冷负荷1.燃气

13、轮机 2.发电机 3.余热锅炉 4.热交换器5.蒸汽型澳化铿吸收式冷水机图3 模式3系统流程Fig.3 Flowsheetofmode3对于通过热交换器向热水网提供热量的冷热电联产系统，热水由循环水泵驱动在热网中循环，不断将热量输送至各用户，用于供暖或提供生活热水。一般地，生活热水所要求的热网供水温度比吸收式冷温水机低，冷热电联产将使生活热水的一次能耗增加。因此，相对生活热水负荷来讲，当供冷负荷较小时，不利于冷热电联产系统能耗的降低。为使冷热电联产系统的总能耗达到最低，热网供、回水温度应有最优值。BCHP系统设计通常依据下述原则:一种是以电定冷(热)，即根据楼宇配电负荷来确定发电机功率，根据发

14、电机尾气余热来配套制冷和制热设备，这种方式注重了余热回收效率，再考虑楼宇冷热负荷要求;另一种方式是兼顾冷热电负荷，这种方式是根据楼宇冷热电负荷来成套 BCHP系统，兼顾余热利用效率和楼宇能源负荷，综合性能好。2.3 工程实例许多文献分析了天然气冷热电联产系统的经济性。一，。下面主要介绍美国马里兰大学楼宇冷热电联产(BCHP)项目”。BCHP系统采用嗅化锉吸收式冷温水机和微型涡轮机。额定工况下，冷温水机制冷量为220kW，制冷性能系数为 1，制热量为90kW，涡轮机发电量为75kW，发电效率为30%,与嗅化锉吸收式冷温水机联供后总效率为80%o涡轮机自备可选择电池包，在外部电网出现异常时能确保系

15、统不间断供电，实现其独立和并网运行的稳定性和可靠性。将发电机260的尾气导人吸收式冷温水机制取冷冻水(或供暖热水)送人屋顶机，也可同时制取生活热水。经屋顶机处理好的空气被输送到建筑物以满足建筑物的冷热负荷。另外冷温水机制取的冷冻水一部分用来将涡轮机的进口燃气和空气冷却到 15.6，以保证涡轮机的恒定发电量。马里兰大学 BCHP系统是典型的以电定冷(热)的项目，但其可以提供学院综合楼的冷热电能源，同时满足了科研要求。BCHP发电装置在工作日每天工作12h，而制冷系统的运行时间和负荷是根据美国BIN(BioenergyInformationNetwork)气象数据确定的。本项目系统流程见图4020

16、01年6月，马里兰大学 BCHP系统成功投人试运行。马里兰大学能源与环境技术中心及机械工程系等研究机构对BCHP系统进行了一次全面详细付林等分析了在夏季具有冷负荷和生活热水负 的测试，包括发电量、制冷量、发电效率、性能系数、荷时，供回水温度对冷热电联产系统一次能耗的影供热效率、冷温水和冷却水进出口温度和流量、尾气响。结果表明，对于给定的热负荷，热网泵耗取决于 温度、系统电耗等技术指标，测试结果完全达到了设热网供回水温差。供回水温差越小，热网泵耗越大。 计目标值。第1期煤气与热力第26卷用于冷却涡轮机天然气(95k助 要看到冷热电联产系统的局限性，即需要进气的冷水(10 kW)同时具有冷、热、电

17、负荷，因此要分析其适用场合。天然气另外冷热电联产系统还需要外部大电网为其供电提260排气供安全保障，在冷热电联产系统出现故障停止运行(250k助 i$fJli (125 kW)处理好的空气到建筑物时建筑物还需要由电网来提供电力。电力到建筑物(75kW)图4 马里兰大学BCHP项目系统流程4 结语与传统能源供给系统相比，分布式能源系统具Fig.4 FlowsheetofBCHPprojectofMarylandUniversity有诸多优越性，是未来世界能源技术的重要发展方3 发展分布式能源系统需解决的问题向，也是节约能源、保护环境、实现可持续发展的一发展分布式能源系统需要解决以下技术及政策种有

18、效手段。我们也应看到，发展分布式能源系统问题仁14一，:还需解决许多技术难题，制定相应的政策法规和发 要合理制定天然气与电力的比价，鼓励使展策略。用清洁能源。 要研制高性能的冷热电联产装置。对于发电装置，主要是完善传统技术，发展新技术，研制新型的、低噪声、高效率的发电装置。对于制冷装置，主要是改进制冷循环系统的性能。 要研究建筑冷热电联产系统并人电网的技术措施和经济措施，并制定有利于建筑冷热电联产系统发展的政策法规。 要建立分布式能源系统的服务公司，可以承担设计、施工、运行、维护，这是因为冷热电联产装置要比电力空调、电锅炉等复杂得多。 发展软件技术。一类是分布式能源系统的集成设计。要建立包括所

19、有模块的系统综合集成模型，同时建立一个计算机平台并在其上开发出一个并行优化设计和辅助决策软件，以便能够针对不同的需求设计出最优的、柔性的分布式能源系统，使它在不同的条件下都能获得最大的能源效率和经济效益，而且分布式能源系统集成优化设计软件同建筑物节能优化设计的软件必须密切联系和相互集成。如果没有这样的系统综合技术，即使有先进的设备，建成的分布式能源系统也不可能有很好的经济效果。这方面的软件应该尽快地开发和成熟地运用。第二类软件技术是已经建成的分布式能源系统的运营管理和控制技术。当气候条件、其他人为条件造成冷、热负荷变化，或者电、天然气以及其他能源价格发生改变时，运营软件都能使这个系统始终在高效

20、率下运行。这样，系统即使在需求状况突然发生变化时，也能够得到很好的控制，并在付出最小的经济代价下，满足舒适度和其他方面的需求。这方面的软件极需要在发展中去加快开发和完善。参考文献:1l IbrahimD.Energy,environmentandsustainabledevel-opmentJ.AppliedEnergy,1999，(64):427一440.2 徐建中.分布式供电和冷热电联产的前景J.节能与环保，2002，(3):10一14.3张洪伟，龙妍，黄素逸.分布式能源系统的方案选择及性能分析仁J.暖通空调，2004,34(5):47一51.4 薛梅，董华.天然气冷热电联供系统的效益分析

21、【J.煤气与热力，2003,23(5):309一311.5哈特科普夫 V，潘毅群，吴刚，等.固体氧化物燃料电池在建筑冷热电联产中的应用J.暖通空调，2003,33(1):47一52.6 钟怡.燃气发动机驱动空调的原理及应用J.煤气与热力，2005,25(2):68一717张万坤，陆震，天然气热、电、冷联产系统及其在国内外的应用现状【J.流体机械，2002,30(12):50一53.8段洁仪，冯继蓓，梁永建.楼宇式天然气热电冷联供技术及应用J.煤气与热力，2003,23(6):337一341.9付林，江亿.热电冷三联供系统中热水网参数的选择J.煤气与热力，2000,20(2):119一122.1

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23、.14李先瑞.燃气空调的现状与展望【J.北京节能，2000,(3):8一11.52第1期兰 丽，等:建筑冷热电联产系统与可持续发展第26卷15 MarantanA.Optimizationofintegratedmicroturbineand 18 胡文斌，华责 建筑物小型热电联供技术的研究展望absorptionchilersystemsinCHPforbuildingsapplica- J.煤气与热力，2002,22(2);147一150. tions(Ph.D.thesis)仁D.ColegePark(USA):Uni- 19 盛凯夫，饶如鳞.燃气机驱动冷热电联供系统的发展versity

24、ofMaryland,2002.前景J.煤气与热力，2003,23(6):510一514.仁16 AlanneK,SaariA.Sustainablesmal-scaleCHPtech-nologiesforbuildings:thebasisformulti-perspectivede-作者简介:兰丽(1980一 )，女，湖北黄冈人，硕cision-makingtJ.RenewableandSustainableEnergy士生，研究方向为燃气空调。Reviews，2004，(8):401一431.电话:(0731)864223517 华责.我国分布式能源发展战略探讨J.科学管理E一mail;研究，2004，(1);3一5.收稿日期:2005-03一17(上接第42页)(五)太阳能、地热等可再生能源应用技术及设备;(六)建筑照明节能技术与产品;(七)空调制冷节能技术与产品;(八)其他技术成熟、效果显著的节能技术和节能管理技术。鼓励推广应用和淘汰的建筑节能部品及技术的目录，由国务院建设行政主管部门制定;省、自治区、直辖市建设行政主管部门可以结合该目录，制定