冷热电三联供系统在城市综合体中的应用

李炳华 / 王立坤 / 岳云涛 / 杨智勇

（1.CCDI悉地国际，北京100037； 2.北京建筑工程学院，北京100044）

前言

燃气冷热电三联供系统作为一种新型的分布式能源方式逐渐的应用于各类建筑当中，其特点在于能源的梯级利用，发电的同时利用余热为用户提供冷源和热源，合理配置系统容量可以体现出其相对于传统供能方式的高效节能优势[1]。城市综合体的出现为三联供系统的应用提供了广阔的平台，它集多种建筑业态于一体，不同建筑类型的冷热电负荷叠加之后呈现出稳定的冷热需求，这种建筑采用三联供系统比采用传统方式将会更加的节能高效。

1 城市综合体的负荷特征

城市综合体一般都由三种以上不同功能建筑组合而成，如表1列出了国内一些比较典型的综合体规模及业态组成：

表1 城市综合体的规模及组成

通过表1数据可以总结出综合体建筑业态形式复杂多样，面积基本在20万m2以上，且建筑级别较高，对于供电的安全可靠性要求也较高。从冷热电负荷角度分析，多种类型的建筑物呈现出不同的建筑负荷特点，各类建筑物负荷叠加之后可以得到一个冬夏季分别有较大热冷负荷需求，常年有热水需求的用户负荷特征。

三联供系统的初期投资较常规系统更大，用户负荷特点满足发电设备尽量长时间持续运行，才能充分体现系统的节能效果。归纳三联供系统适用的项目特点如下：

（1）建筑类型的使用电价相对较高;

（2）建筑物有较大冷、热负荷需求或有常年热水负荷需求；

（3）用户对电源供应要求较高；

（4）用户需要备用发电机。

可见，三联供系统比较适用于宾馆、综合商业及办公、医院、交通枢纽、娱乐中心和高等院校等有稳定冷热需求的民用建筑和工业企业用户，保证发电设备的长时间运行，从而充分利用联供系统的发电效率和余热利用效率。

综上所述，城市综合体的负荷特征符合三联供系统的适用特点，下面以湖南某城市综合体为例分析三联供系统的应用。

2 项目概况

未来国际中心位于湖南省，该城市综合体集合了商业、餐饮、娱乐、办公、酒店和公寓等多种功能的建筑物于一体，旨在打造城市的新地标，建立一个资源节约型的综合体。与传统的CBD相比具有可持续发展的优势，具体功能分区如表2所示。

表2 建筑功能及建筑面积统计

2.1 用电负荷估算

按照指标法估算整个建筑物的用电负荷，并列于表3。

表3 建筑物的用电负荷估算

表4 室内设计参数

采用传统的单位建筑面积用电指标法，根据《全国民用建筑工程设计技术措施（2009）-电气》[2]表2.7.6 各类建筑物的单位建筑面积用电指标，估算出未来国际中心的总装机容量为：

S为建筑物总装机容量，P为计算功率，K为同时使用系数取0.9，变压器负载率取70%，功率因数取0.9。

2.2 冷热负荷估算

根据建筑物的不同业态类型，设定适当的室内设计参数，如表4所示的室内参数，采用eQuest软件对建筑物进行负荷模拟计算，模拟出建筑物的冷热电逐时负荷。

通过软件模拟出的冷热电负荷如下：

模拟结果：全年最大冷负荷15 200kW，全年用冷量3 180.8万kWh；全年最大热负荷2 448kW，全年用热量1 160.9万kWh。

考虑到精品酒店和酒店公寓用热水，全年最大热水负荷1 511kW，全年用热量407.8万kWh。

全年用电最大负荷7 460kW，最小用电负荷为1 593kW，全年用电量40 193 194kWh。

2.3 变电站容量的估算

根据负荷需求估算出该综合体的基本用电（不包含空调用电）负荷最大值为7 460kW，冷负荷最大值为15 200kW。若按照常规冷热源方案（电制冷+锅炉方案），电制冷COP值(COP值是指能量与冷量的比值，即单位1的能量能产生多少单位的冷量按照5来计算，电制冷的耗电最大值为3 040kW，具体计算如下[3]：

综合体变压器容量=（基本用电负荷最大值+电制冷耗电最大值）/变压器的负载率=（7 460+3 040）/0.7=15 000kW

若功率因数取0.9，即可计算出变压器的装机容量为16 667kVA。由此可见经过模拟软件的负荷估算和从电气角度利用指标法计算的变压器装机容量基本相符合。

3 系统设备的选型

传统的三联供系统设备配置多，按照“以热定电”或“以电定热”的规则来选择发电机的容量。本文提出了一种新型的配置方式，利用应急用电量的大小来选择发电机的容量，并以此系统替代柴油发电机来作为应急电源使用，减少应急柴油发电机的设备投资。

考虑到电网的安全可靠性，一旦电网发生大面积停电，会对社会和人类带来巨大的经济损失，甚至人身伤亡。为了降低这种影响，要加强对电网的运行管理，增强电网的抗干扰能力，但是对于特别重要的电力负荷，设置自备应急电源也是对电力事故的重要补充，因此在机场、车站、医院、学校、剧场和展览馆等重要场所，尤其是高层建筑配备应急电源是十分必要的。

未来国际中心包含了精品酒店和写字楼等多种建筑业态，且都属于超高层建筑物，根据《民用建筑电气设计规范》[4]中对于民用建筑中各类建筑物的主要用电负荷分级的规定，精品酒店中所包含的一部分一级负荷中的特别重要负荷，应设置应急电源；同时建筑物的消防负荷和应急照明等也应自备应急电源。通常在设计初期应急电源的大小都是按照变电器总容量的10%～20%进行估算[4]，因此得出：

应急用电负荷=变压器容量×10%=15 000×10%=15 00kW

通过以上计算，得出应急电源的容量应为1 500kW，利用此结果来选择三联供系统的发电机容量即为1 500kW，按照计算出的应急用电负荷选择发电机的容量为1 500kW。可以选择两台容量为834kW的内燃机发电机JMS 316。

4 系统运行

4.1 能源站配置

能源站的配置采用的是燃气内燃机+烟气热水型吸收式冷热水机组+电制冷+燃气锅炉的组合方式，由燃气发电机发电，在发电的同时将余热中缸套水和烟气余热通过溴冷机为夏季供冷、冬季供暖。夏季不足的冷量由电制冷补充；冬季不足热量通过补燃锅炉解决。其原理示意图如图4所示。

4.2 电力系统运行

系统运行方式分为孤网运行、并网运行和上网运行三种[5]。

图4 三联供系统示意图

该系统方案考虑三联供系统作为应急电源使用，应急电源回路不应同时给其他回路供电，因此选用上网运行方式。系统所发电量全部输送给电网，用户的电力都从电网接入。这种方式在国外已经得到成功应用，在发电机有剩余时可以向公共电网送电，从而最大限度地提高发电机利用率，提高发电效率。此种方式系统配置更加灵活、节能效果更明显，成为三联供系统发展的必然趋势。本项目按照上网运行方式设计，连接方式如图5所示。

未来国际中心园区建筑物的用电负荷通过市电引入两路10kV市电源供电。燃气内燃机发电首先通过上网控制柜在市电两端与市电连接向电网送电，在市电发生故障时，立即停止送电，接通Q4切换至为相应母线段上的应急负荷供电。为保证替代应急电源的可靠性，系统采用全年均运行方式，确保三联供系统发电量随时可以满足全部应急负荷的供电需要。

5 结论

图5 电力系统连接示意图

冷热电三联供系统将天然气的发电、采暖和制冷技术融合一体，提高了资源利用率。它是我国发展分布式能源的一种重要途径，符合目前提倡节能减排的环保要求。综合体的负荷特征适合应用三联供系统，且针对综合体的建筑等级和应急负荷的大小来选择三联供系统的设备容量，不仅利用了三联供的优势，同时减少了常规柴油发电机的投资，是一种更好的解决方案。

[1]P.J.Mago，L.M.Chamra.Analysis and optimization of CCHP systems based on energy,economical, and environmental considerations.[J]. Energy and Buildings，2009，41:1099-1006.

[2]住房和城乡建设部工程质量安全监管司,中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施[S].北京:中国计划出版社，2009.12:15-16.

[3]肖荪.上海某能源中心三联供方案及运行方式的系统优化[D].上海：东华大学，2010:25-92.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ16-2008民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ145-2012燃气冷热电三联供工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.