浅谈冷热电联产在民用建筑中的应用

雷 静

(广东深圳华诺建筑规划设计院有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

冷热电联产(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)是将制冷、制热(包括供暖和供热水)及发电过程一体化的总能系统，其最大的特点就是对不同品质的能量进行能源的多级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品质热能则被用来供热或是制冷。这样做不仅提高了能源的利用效率，而且减少了碳化物和有害气体的排放，具有良好的经济效益和社会效益。冷热电联产系统在科学用能和能的梯级利用原理指导下，可以实现能源的更高效利用，符合建设节约型社会的要求，是解决我国能源与环境问题的重要技术途径，是构建新一代能源系统的关键技术。本文结合某项目关于冷热电联产方面的设计，对冷热电联产在民用建筑中的运用进行探讨。

1 工程简介

该项目位于上海市浦东新区，包括住宅、酒店、商业，总建筑约27 万m2；本项目按用地功能和使用单位在地下室设置3 个能源中心，住宅能源中心、酒店能源中心、商业能源中心，能源中心满足夏季供冷、冬季供热；其中酒店能源中心采用了冷热电联产技术，即常规电制冷与热回收发电机组。

2 系统设计

大型冷热电联产系统早在火电厂和工业中得到运用，近些年来逐渐将小型冷热电联产系统也运用到了民用建筑中，小型冷热电联产装置可设置在一个建筑物内，发电可直接供该建筑物的用电负荷，所产生的热(冷)量由建筑物内管网输送至各场所。目前，北京、上海等城市还采取了一些优惠政策鼓励冷热电联产的发展，例如北京燃气大楼、上海浦东国际机场等项目已经采用了冷热电联产并取得了比较好的效果。冷热电联产的优点在于：

1)有较高的能源利用效率，在适当的负荷状态下运行可达到节省能源的效果。

2)采用溴化锂吸收式制冷机，基本上是热交换器的组合体，因此，振动小、噪音低；环保，制冷剂水对环境无污染；运行可靠、费用低。

3)在夏季空调用电高峰季节和冬季供暖用电季节，缓解电网用电压力。

本项目考虑到利用再生能源的节能和环保等因素，选择采用冷热电联产系统。

2.1 系统组成

系统由微型燃气轮机发电机组、烟气补燃型溴化锂冷温空调机组、电气控制屏、并网屏、PLC自控屏等组成。系统发电机组排出的高温烟气进入烟气补燃型溴化锂冷温水空调机组被再次利用，可产生空调冷水或空调热水，通过补燃达到空调的额定制冷(热)量，并入建筑内的空调水总管供末端使用。本工程系统运行后预估能提供AC380V 约400 kW 的工频电力，及空调冷水或热水(如图1 所示)。

图1 冷热电联产系统流程示意图

2.2 如何使用冷热电联产系统所生产的电

在本项目设计中，作为电气专业需要重点考虑的问题之一是如何使用冷热电联产系统所产生的电。

由冷热电联产系统产生的电，有两种方式投入到使用中：

1)独立式，发电机与电网不连接的单独运行方式，此种方式直接分配，将所产生的电供给车库普通照明、公共走道普通照明、泛光照明等一般用电负荷。

2)并网式，通过并网，并入到传统变配电系统中，供给项目中的用电负荷；对于并网又分为并入市政电网和并入用户自身变配电系统两种方式。

独立式结构简单，计量方便，如能确保平稳的用电负荷，且成本较低，但供电可靠性相对偏低，如果冷热电联产系统发生故障，所供给的用电负荷没有电源，无法使用；并网式结构相对独立式较复杂，供电可靠性较高(如表1 所示)。

考虑到供电可靠性的要求，本工程选择并网式，若冷热电联产系统发生故障，所供负荷的电源可由传统变配电系统提供。由于市政电网供电范围广，影响面大，质量高，故并入市政电网要求高，需要达到以下要求才可并到市政电网中：

1)待并冷热电联产系统的交流电与市政电网的交流电相序相同、频率相同、电压波形相同。

2)并联合闸瞬间，待并冷热电联产系统的交流电与电网交流电对应相的电位同相位。

同时，与市政电网并网时，还需考虑设置双向计量的表计，高峰和低谷电价如何计算也需考虑。

另本工程采用的是小型冷热电联产系统，不同于火电厂等使用的大型系统，其生产的电量相对小，本工程的热电联产系统预估能提供AC380 V约400 kW 的电量，因此综合分析后，本工程选择采用将冷热电联产所产生的电并入到用户自身变配电系统中的并网方式。

对于将冷热电联产所产生的电并入到用户自身变配电系统中的并网式，待并发电机组也要达到并列条件才可并入；为了使待并发电机组满足并列条件，需设置控制单元：

1)频率差控制单元，检测发电机侧电源与系统侧电源间的滑差角频率，且调节发电机转速，使发电机电源的频率接近系统频率。

2)电压控制单元，检测发电机侧电源与系统侧电源间的电压差，且调节发电机电压，使电压差值小于规定的允许值。

3)合闸信号控制单元，待并机组的频率和电压都满足并列条件时，合闸控制单元在相角差等于零的时刻，发出合闸信号(如图2、3 所示)。

2.3 关于投入使用问题和计量问题

由于本工程中，是将冷热电联产所产生的电直接并入到项目自身变配电系统中，与自身变配电系统形成了一体，直接供整个项目的负荷用电，同时通过系统所带的电气控制装置，让整个变配电系统优先使用冷热电联产系统所提供的电量，工程所需要的剩余电量再由自身传统变配电系统提供，这样的并网形式结构相对简单可靠，且节能环保。

表1 独立式和并网式的特点

图2 控制单元的原理

图3 冷热电联产所产生的电与用户自身变配电系统的并网原理

因为涉及到电量计费问题，计量在冷热电联产系统并网方式中需考虑到位；在冷热电联产的发电机侧设有计量仪表，计量由发电机组所产生的电量，则供电部门收取的用电费用为整个项目用电电量除去冷热电联产系统生产的电量，这为项目建设方节约了成本。

3 冷热电联产的现状和方向

虽然冷热电联产系统在西方国家已得到较为广泛的应用，在我国一些火电厂和工业项目中也有较为广泛的应用，而且构成冷热电联产系统的各主要设备的产品也已经非常成熟和完善，但是由于我国在能源结构、价格、管理体制以及冷、热、电负荷等外部条件，造成了冷热电联产系统在我国大中城市的推广应用中，仍需要努力并需要研究和解决一些技术方面的重要问题。

1)优化冷热电联产系统配置，包括组成冷热电联产系统的主要部件，例如热电机组、制冷机组、热泵机组以及蓄电装置等。

2)完善民用建筑中小型冷热电联产系统，由于民用建筑具有独立的热、电、冷负荷以及系统规模小等特点，热电联产系统的配置和运行问题很重要，需要考虑热电机组容量、型式，制冷机、余热锅炉的搭配，蓄能装置的利用，热电冷装置与电网的接入与协调等问题。

3)冷热电联产系统协调控制的问题，由于一天中不同时段的电价以及电力、热冷负荷的变化，需要对系统进行优化控制，以实现合理的冷热电联产系统的运行方式，从而使其达到最佳的经济效益。

4)蓄能系统的问题，为了协调冷热负荷与电负荷的关系，会在冷热电联产系统中设置蓄冷蓄热系统，对蓄冷蓄热装置的型式、结构以及在整个系统的运行需要全面考虑。

5)研究电能质量和运行可靠性，包括电压调整、电压闪变、电压不平衡、谐波畸变等几方面。

6)短路电流保护问题，当配电系统发生故障时，冷热电联产系统电流注入电网，增加了配电网开关的短路电流水平，可能使配电网的开关短路电流超标，故需要研究冷热电联产的接入容量、位置对配电网保护配合的影响。

4 结语

与传统的变配电系统相比，冷热电联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，改善系统的热经济性，冷热电联产逐渐成为一个发展方向。本文结合某工程，浅谈了冷热电联产在民用建筑中的具体应用，旨在抛砖引玉，与大家共同探讨如何更好的将热电联产系统应用到民用建筑中，建设节约型和绿色型建筑，提高经济效益和社会效益。

[1]严俊杰,黄锦涛,何茂刚.冷热电联产技术[M].北京：化工工业出版社,2006：140-162.

[2]殷桂,杨丽君,王珺.分布式发电技术[M].北京：机械工业出版社,2008.

[3]王涛,宋巍.冷热电联产技术的探讨[J].应用能源技术,2010,03：35-38.

[4]魏会东,吴静怡,王如竹,吴大为.建筑冷热电联产系统方案分析[J].重庆建筑大学学报,2008,30(01)：136-139.