武汉市某园区冷热电三联供方案的能效分析

熊 瑶 符永正

武汉市某园区冷热电三联供方案的能效分析

熊 瑶 符永正

武汉科技大学城市建设学院

本文以武汉某园区为例，针对常见的几种冷热电联产系统进行能效计算和分析。结果表明，冷热电联产系统的能效明显高于分产系统，节能率在7%到39%之间。结合几种联产方案的特点、能效以及初投资，针对该园区给出了推荐方案，并分析了提高联产系统能效的途径。

联产系统分产系统一次能源利用率火用效率

0 引言

冷热电三联产（CCHP）系统是以天然气为一次能源，在发电的同时将发电余热进行充分利用的冷热电联产联供系统。该系统能够实现能源的梯级、循环、高效利用并且避免能量在传输过程中的多次转换和传输损失。本文以武汉市某园区为例，用一次能源利用率和火用效率作为能效指标，对目前常见的几种联产系统进行能效计算和对比分析。

1 能效计算方法

针对能源需求侧相同的总供电量Qe、总供冷量Qc、总供热量Qh，以一次能源利用率和火用效率为评价标准，对冷热电三联产系统和三分产系统进行能效计算和对比分析。

1.1 一次能源利用率的计算方法

一次能源效率是将输入能量追溯到一次能源之后，系统终端得到的能量与一次能源消耗量之比，应当说是将能量的生产和输送环节包括在内，对热力学第一定律的应用。

冷热电联产系统采用燃气轮机或内燃机发电，并利用余热装置进行供热和制冷，其一次能源利用率为：

式中：Qe为项目所需供电量、Qc为所需制冷量、Qh为所需供热量，Ql为冷热电联产系统一次能源消耗量。

传统的冷热电分产系统由电网供电，电制冷，锅炉或者热泵供热，一次能源消耗量为：

冷热电分产系统的一次能源利用率为：

式中：ηf为电厂的发电效率；ηw为电网的输送效率；COP为电制冷系统性能系数；PERfh为制热性能系数。

1.2 火用效率的计算方法

火用效率则是系统中作为收益的火用与作为代价的火用之比，是基于热力学第二定律的能够反应过程或系统热力学完善性的指标。

式中：ηe为火用效率；Ee为系统总供电量；Ec为系统输出的冷量所含火用值；Eh为系统输出的热量所含火用值；Ez为燃料的总火用值。

式中：Tc为冷源温度；Th为高温热源温度；T0为制冷季节环境温度；T0'为制热季节环境温度。

冷热电分产系统的火用效率：

冷热电联产系统的火用效率：

1.3 节能率的计算方法

节能率ζ定义为在生产相同的电量、冷量和热量的情况下的联产系统相对于分产系统的节能量与分产系统一次能源消耗量的比值。

当ζ大于0时，说明冷热电联产系统相对于分产系统节能，反之则不节能。ζ的大小反映出联产系统的节能效果。

2 武汉市某园区的冷热电三联供的能效计算与分析

2.1 项目介绍

该园区总建筑面积31.3万m2（不含地下车库），工程净用地面积为19.4万m2，总占地面积23.2万m2，包括酒店、剧场、商业中心、艺术交流中心以及高层办公楼等。项目设计冷负荷为24.5MW，设计热负荷为19.6MW，设计电力负荷16.77MW。

武汉的夏季空调室外计算温度T0=35.3℃，冬季空调室外计算温度T0'=-2.4℃，室内设计温度t=18℃。

2.2 联产方案和分产方案

对于联产系统，本文选取四种常见方案。方案一、二、三采取“以电定热”的原则选取设备，所选发电机组排气量均能满足溴化锂机组要求。方案四采取“以热定电”的原则选取设备，所选发电设备不能满足设计电

荷要求，不足部分通过城市电网获得。

方案一：小型燃气轮机+余热/直燃溴化锂机组。选择5台Solar-Centaur 40燃气轮机，发电功率3.52MW，效率27.3%，排气量65.8t/h[1]；12台远大ZE600烟气溴化锂直燃机，制冷量6978kW，制热量85kW，烟气消耗量13.807t/h（单独采用烟气作为能，制冷量、制热量为额定的30%）。

方案二：燃气轮机+余热锅炉+蒸汽溴化锂机组制冷+板式换热器制热。选择5台Solar-Centaur 50燃气轮机，发电功率4.23MW，效率28.7%，排气量7.2t/h[1]；3台10.6t/h的余热锅炉，余热利用率72.5%；台远大BS600蒸汽溴化锂直燃机，制冷量6978kW，汽消耗量7.743t/h。

方案三：内燃机+余热/直燃溴化锂机组。选择五台GE-JMS624内燃机，发电功率3.832MW，效率6.1%，排气量53.4t/h；12台远大BZE600烟气溴化锂直燃机。

方案四：城市电网+小型燃气轮机+余热/直燃溴化锂机组。4台Solar-Centaur 40燃气轮机，发电功率3.52MW，效率27.3%，排气量65.8t/h[1]；12台远大BZE600烟气溴化锂直燃机。

表1 各方案系统形式

对于分产系统，电力均来自城市电网，方案五采用螺杆式冷水机组+燃气锅炉作为冷热源，方案六采用地源热泵系统，方案七采用分体空调。电厂发电效率为0.35，输配电效率为0.92[2]。螺杆式冷水机组性能系数为4.6，燃气锅炉效率89%，地源热泵机组制冷性能系数为5.0，制热COP为4.5，分体空调制冷能效系数为3.2，制热COP为2.4[3]。

各方案系统形式如表1所示。

2.3 各方案的能效及联产系统节能率

根据机组性能参数，计算出各方案的制冷和供暖工况下一次能源利用率以及火用效率，结果如表2所示。

表2 各方案能源利用率

根据上述结果，对四种联产系统制冷和供暖工况的节能率进行了计算，结果如表3所示。

表3 各联产方案相对于分产方案的节能率

表2及表3数据说明，对于相同的冷热电负荷，无论是一次能源利用率还是火用效率，联产系统都明显高于分产系统，节能率在7%到39%之间。节能比例与联产具体方案以及分产系统冷热源设备能效系数有关，当分产系统冷热源能效系数提高，节能的比例呈下降趋势。

方案一是最普通的联产方案。使用燃气轮机发电，然后将发电余热利用溴化锂吸收式空调机组制冷供暖，减少了分产系统中能量的多次转换以及传输损失，并且实现了能量的梯级利用。

方案二与方案一相比，选择了机组容量较大的燃气轮机，发电效率较高，但两种方案能效值相差不大。因为方案二系统较为复杂，在余热锅炉及换热器等环节有较大热损失。此方案适合于蒸汽需求量比较大，蒸汽品质要求比较高的项目，例如医院、药厂等，还特别适合已经购买蒸汽锅炉和蒸汽溴化锂吸收式空调机的单位进行技术改造。

方案三与方案一类似，不同的是选择了效率更高的内燃机发电，能效值也远高于方案一。

方案四与方案一相比，采用“以热定电”的原则选取机组，将城市电网与联产系统匹配使用，系统能效值比方案一更高。一方面是因为城市电网发电效率高于方案一燃气轮机的发电效率，另一方面是因为方案一没有对发电余热进行充分利用，浪费了部分发电余热。

2.4 各方案的初投资比较

经济性是能源系统的一个重要指标，初投资是经济性的一个重要方面。联产系统的初投资包含发电机组和冷热源系统，分产系统的初投资则主要是冷热源系统。按照Solar-Centaur燃气轮机2700元/kW，余热锅炉300元/kW，电制冷机970元/kW，换热器200元/ kW[4]，吸收式制冷机组价格根据产品样本确定，来计算各方案的初投资，结果如表4所示。

表4 各系统方案初投资

2.5 结果分析

方案一在联产系统中能效最低，初投资又较高，不建议采用。方案二能效较高，初投资最低，但方案二燃气轮机不运行时，蒸汽溴化锂机组没有能量来源，无法运行，此方案只适用于有大量蒸汽需求的项目。方案三能效最高，初投资也远高于其他方案。方案四能效高于方案一，初投资又较小。结合各方案特点、能效及初投资，推荐该园区采用方案四。

3 提高联产系统能效的途径

方案一、二、三、四的余热利用率分别为50.4%，60%，62.1%，62.9%，溴化锂机组只利用了部分发电余热。而发电余热利用率可以达到70%[5]，这说明有一部分余热被浪费了，如果充分利用这部分余热，将能很大程度地提高联产系统的能效。

多余的余热通过余热锅炉转化成蒸汽，然后通过蒸汽轮机发电，这样不仅可以充分利用发电余热，而且将多余电量上网，对缓解用电高峰也有一定作用。也可以将多出部分的余热用于制冷、制热外销，在将能源充分利用的同时也可以提高收益。以本项目为例，在满足项目所需冷热负荷后，多出部分余热通过烟气溴化锂直燃机制冷供热外销，可以得到各联产系统能效，结果见表5。

表5 各联产方案优化后能源利用率

对比表2和表5中联产方案的能效值，可以看出充分利用余热能很大程度地提高系统的一次能源利用率。但是火用效率却增幅不大，仍然不高，这说明联产系统仍然有很大的优化空间，对系统每一个环节进行火用分析，找出火用损最大的部分进行优化，可以进一步提高联产的能效。

4 结论

1）对于相同的冷热电负荷，无论是一次能源利用率还是火用效率，冷热电联产系统都明显高于分产系统，节能率在7%到39%之间。

2）相比于最普通的联产系统方案一，方案二系统更为复杂，适用于有蒸汽需求的项目；方案三能效更高，同时初投资也非常高；方案四能效高于方案一，初投资又远低于方案一。通过对能效和初投资的比较，对于该园区，推荐使用城市电网+小型燃气轮机+余热/直燃溴化锂机组的系统形式。

3）充分利用发电余热，可以大幅度提高联产系统能源的利用效率，但是火用效率仍然不高，只有40%左右。计算系统每一个环节的火用效率，找出火用损最大的部分进行优化，可以进一步提高联产系统的能效。

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Ene rgy-e ffic ie nc y Ana lys is of CCHP Sc he m e s for a Pa rk in Wuha n

XIONG Yao,FU Yong-zheng
College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology

The energy efficiency of several common CCHP systems for a park in Wuhan were calculated and analyzed in this paper.The results show that the energy efficiency of CCHP systems are significantly higher than the Separate Cooling,Heating and Power systems,and its energy-saving rate is between 7%and 39%.Combined with the characteristics,energy efficiency,as well as initial investment of some CCHP schemes,recommended scheme is given to the park,and the ways to improve the energy efficiency of CCHP are analyzed.

CCHP,SCHP,PER,exergy-efficiency

1003-0344（2014）04-100-4

2013-5-10

熊瑶（1988～），男，硕士研究生；湖北省武汉市洪山区雄楚大道199号武汉科技大学洪山校区（430070）；E-mail:bearyaoyao@163.com