某楼宇三联供的节能减排及经济分析

杨洪海 周倩倩 吴利辉 吴植华

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

楼宇冷、热、电三联供系统是城市最有发展潜力的能源供应模式之一，可削电峰、填气谷，促进能源结构合理分布[1]。同时，三联供系统又是一个复杂的能源系统，存在冷、热、电多种能量输出，受到天然气价格、电价、建筑负荷波动等多种因素影响，不同的容量配置和运行方式会直接影响系统的经济性[2，3]。本文以上海市某能源中心为例，根据冷、热、电负荷特征，对三联供系统提出不同的配置及运行方式，并计算比较。

1 项目概况

项目位于上海市杨浦区，由六栋办公楼组成，南北朝向，总建筑面积193700m2，处于规划阶段。建筑冷、热负荷采用DeST[4]模拟软件计算，基本用电和生活热水负荷采用指标估算法估算，全年能耗分析结果见表1。全年冷、热负荷分布见图1。

表1能源中心的负荷

图1 能源中心的全年逐时冷、热负荷

2 系统配置及运行方式

三联供系统由燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机组、电制冷机组和辅助锅炉等组成，如图2所示。在总发电量不变的情况下，提高单台燃气轮机的发电量，可减少机组台数，减少发电机房的总占地面积和初投资及维护费用；采用相同容量的燃气轮机组比较好控制，可互为备用。据此，拟采用2台相同容量的燃气轮机。

图2 三联供系统图

现阶段，在美国及国内一些三联供项目多采用“以冷（或热）定电”[5～7]的原则配置发电机容量，即按照夏季空调尖峰冷负荷的30%、50%或者按照冬季空调尖峰热负荷的60%、100%确定发电机容量[6～8]。在日本，倾向于“基载三联供”模式，即三联供自发电量占项目总用电规模的10%～20%[8]。考虑到本项目为高档写字楼，设计时要求配备应急电源。据此，提出了一种新的配置方式，即“以应急电源的大小确定发电机容量，并替代应急电源”。这样，既可以节省应急电源的设备投资和用房，还可以节省其日常维护及检验费用。

可供考虑的发电机容量配置有以下四种：

1）根据“以冷定电”原则，按夏季空调尖峰冷负荷的0%～100%确定发电机容量。

2）根据“以热定电”原则，按冬季空调尖峰热负荷的0%～100%确定发电机容量。

3）根据“基载三联供”原则确定发电机容量。项目总用电规模约11930kW（包括基本用电及尖峰冷负荷对应的电量），取其20%，则发电机容量约2400kW。

4）按“应急电源大小确定发电机容量，并替代应急电源”。项目需配置变压器容量约24000kW，按10%～20%得到应急电源容量[9]。现取10%，则应急电源容量约2400kW。与“基载三联供”原则确定的发电机容量相同，但可节省应急电源设备的投资约340万元。

燃气机组运行方式有三种：

1）全年工作日时间满负荷运行；

2）过渡季节运行一台，供暖及空调季工作日时间满负荷运行；

3）过渡季节不运行，供暖及空调季工作日时间满负荷运行。

3 技术经济分析

以常规冷、热源方案（电制冷+锅炉）作为基准点，把三联供方案的初投资、运行费用等与之比较，计算动态投资回收期。根据上海市的优惠政策，采用三联供后天然气价格是2.05元/Nm3。计算表明：

1）燃气机组在全年工作日时间满负荷运行方式下，按“替代应急电源”确定的系统投资回收期最短，约6年，其次是“基载三联供”（相当于“以冷定电”35%负荷或“以热定电”60%负荷）确定的系统，投资回收期约8.2年。

2）燃气机组在过渡季节运行一台，供暖及空调季工作日时间满负荷运行方式下，按“替代应急电源”确定的系统投资回收期最短，约7.8年，其次是“基载三联供”（相当于“以冷定电”35%负荷或“以热定电”60%负荷）确定的系统，投资回收期约11.2年。

3）燃气机组在过渡季节不运行，供暖及空调季工作日时间满负荷运行方式下，不利于发挥三联供系统的经济性，应尽量避免。

4 节能减排分析

在分产系统中，全年生活热水及冬季供暖由燃气锅炉供应；夏季制冷采用电压缩式制冷机；项目总耗电包括建筑物及制冷机两部分，且全部来自外电网。燃料能耗及二氧化碳排放量参考文献[10～12]计算，结果见表2。

?

在三联供系统中，夏季制冷采用余热型溴化锂吸收式制冷机。项目总耗热量除了全年生活热水耗热量、冬季供暖耗热量外，还包括制冷机耗热量；项目总耗电即为建筑物基本耗电量。在“以热定电”方式下，三联供机组提供全部或部分热负荷，不足部分由燃气锅炉供应；三联供机组按其供热量大小去发电，不足部分由外电网供应。在“应急电源”配置方式下，三联供机组按应急电量发电，并提供相应余热量；不足的电量和热量分别由外电网及燃气锅炉供应。燃料能耗及二氧化碳排放量参考文献[10～12]计算，结果见表2。

从节能减排效果看，按“以热定电”（100%）方式配置三联供系统最好，其次是“应急电源”方式较好，而“以热定电”（60%）方式则较差。另外，计算发现，若按“应急电源”方式配置三联供系统，则燃气轮机提供的余热量超过项目实际所需的热负荷（富裕度为7.14%），造成能源浪费，影响节能效果。

5 结论

1）楼宇三联供的配置与运行方式的优化是紧密联系的，两者必须统筹兼顾。不管实际条件，一味的“以冷定电”、“以热定电”都是不足取的，应根据项目的冷、热及电负荷情况、能源价格等条件来确定三联供方案，以达到较好的经济性及节能、减排效果。

2）本文提出的新配置方式，即“以应急电源大小确定发电机容量，并替代应急电源”可以节省投资和占地面积，是一种经济性最优的设计方案，且具有较好的节能减排效果。

[1] 龙惟定.冷联供技术及政策建议[J].电力需求侧管理,2010,12(4):1-4

[2] 张蓓红,龙惟定.热电（冷）联产系统运行调节的双目标规划[J].暖通空调,2005,35(10):1-4

[3] 张蓓红,龙惟定.热电（冷）联产系统优化配置研究[J].暖通空调,2005,35(4):1-4

[4] 燕达,谢晓娜,宋芳婷,等.建筑模拟技术与DeST发展简介[J].暖通空调,2004,34(7):48-52

[5] 王明辉.引入最佳冷化系数优化设计建筑楼宇冷热电系统[J].能源工程,2006,61(5):61-65

[6] 罗勇,尤占平,胡定科.楼宇级冷热电联产的技术经济分析[J].暖通空调,2005,35(7):47-49

[7] 马静波.北京南站三联供系统的电气设计[J].电力/电气化,2009,105(4):105-108

[8] 张海梁,范焱,张军.北京首都国际机场扩建工程冷、热、电三联供系统方案探讨[A].见:全国节约能源与热电联产分布式能源的发展学术交流会论文集[C].西安:2005,352-355

[9] 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-电气[M].北京:中国计划出版社,2003

[10]刘青荣,阮应君,任建兴,等.冷热电三联产系统节能减排效果的理论分析[J].华东电力,2010,38(2):267-270

[11]孙志高,郭开华.天然气型冷热电联供系统应用分析[J].建筑热能通风空调,2006,25(2):70-73

[12]张君瑛,吴喜平,沈凯,等.冷热电三联供供能系统的清洁发展机制项目分析[J].上海海事大学学报,2008,29(4):60-64