分布式供能余热利用技术分析

东刘成

摘要：本文重点分析了分布式供能系统中对余热利用的技术分析，根据对余热的有效利用度，确定一般利用余热的先后顺序为生活热水、采暖和制冷。本文着重分析了三联供系统中生活热水系统的设计，对各种公共建筑中热负荷进行了归纳总结；在综合考虑各单位的负荷基础上，决定采用“以电定热”的方式确定内燃机容量。对三联供系统在我国的不同类型建筑中的选用，具有一定的指导意义。

关键词：分布式供能；热负荷；电负荷；余热利用

中图分类号：TM619文献标识码：A文章编号：1674-3024（2016）13-253-03

1.余热利用和热负荷概念

1.1余热利用

能否有效利用余热的技术，是分布式供能系统的核心。能否抓住这个要点，是决定设计成败的关键所在。在设计系统的时候，最需要注意的是，余热并不是一种在你需要的时候就能供给的能源。余热的热量对于负荷来说，无论是不够还是过剩，都要让系统能够有效率地、低能量损失地运行。

使用余热的地方，主要是生活热水、采暖和制冷。他们各自对于余热的有效利用度有所差异，顺序为生活热水=采暖，制冷。根据热力学第二定律，从高温到低温，按照这样的顺序来利用热量是更加有效率的。生活热水需要的温度比采暖需要的温度要高，并且，生活热水是一年四季都需要的，而采暖负荷只有采暖季才需要，所以一般利用余热的先后顺序，应该是生活热水，采暖，制冷。

1.2热负荷

一般意义上的热负荷指的是燃料在燃烧器中燃烧时单位时间所内释放的热量：而在分布式供能系统中，给排水专业的热负荷概念是日常生活用热水的用热量，一般根据用水人数、水温及用水定额估算。

通常的热源设备都是根据负荷来进行控制的。但是余热回收设备并不能保证想要能源的时候就能有余热提供，所以并不能按照负荷来对余热量进行控制，必须根据余热量来进行控制，并要保证这种控制能让系统效率最大化。

需要注意的点如下：

（1）利用余热的先后顺序

（2）根据余热量，选择适当的（利用余热的）设备容量

（3）和其他热源设备的并联方式（保证余热利用设备的优先使用）

（4）在配管时的一些注意点（保证余热利用设备的优先使用）

2.生活热水系统的设计

2.1设置预热槽的场合

利用余热加热生活热水的情况，都是在储水槽（储水水箱）中进行的。但是一般负荷变动比较大的关系，加设一个预热槽的话，可以更有效地利用余热。这样的话，余热仅加热预热槽，并且注意预热槽的设定温度要比储水槽的设定温度更高一点。由于供水是先在预热槽中被加热之后，再输送至储水槽的，这样便可降低锅炉的加热量。为了让预热槽对负荷变动起到一个缓冲的作用，所以预热槽需要一定程度的容积。一般的做法是将一个整的储水槽分成两个，其中一个作为预热槽使用。（参看图1）

2.2没有设置预热槽的场合

不设置预热槽的场合，供水经过热交换器，使得余热的利用更为便利。并且，余热利用侧的设定温度要比锅炉的设定温度更高，这样是为了避免由锅炉来加热生活热水了。（参看图2）

3.热负荷的估算

3.1民用建筑最大热负荷和全年负荷统计

分布式供能系统中所需要的热负荷（生活热水），需要事先掌握建筑内部热负荷逐时、逐月的变化规律。换而言之，就是要估计热量（生活热水）的最大负荷、全年负荷，以及逐月负荷规律、逐时负荷规律。

表1为最大负荷和全年负荷。与过去发表的数据相比较，热负荷有减少的趋势。

*：由于体育设施的生活热水负荷与建筑规模[m²]的关系不大，所以给出的是总计数值（上段MWh/y，下端Gcal/Y）。

可以看到，在所有建筑类型中，酒店的最大热负荷远远大于其他各类型建筑的最大热负荷，医院次之，办公（标准型和OA型）、店铺以及住宅的最大热负荷数值相近且最小。就全年热负荷而言，酒店和医院的热负荷最大，约为100kw/m²y，店铺和住宅次之，约在25-35 kw/m²y，/之间，办公的两种类型（标准和OA型）全年热负荷最小，不大于5 kw/m²y。

3.2不同建筑类型的逐月热负荷

表2反应的是不同类型建筑中在一年中其热负荷的逐月变化规律，表格中数字为每月的热负荷量在全年热负荷中所占比重（%）。同时，将全年月份按照其后划分成几个部分，十二月、一月一三月为冬季，六月一九月为夏季，四月、五月和十月、十一月为春秋季。

由图中所示，不同类型建筑在一年中随季节变化，不同月份所需热负荷亦不相同。办公（OA型）全年的热负荷逐月变化最大，因建筑性质和气候影响，每年二至三月间，其热负荷最大；在每年七、八、九三个夏季月份，其热负荷量最小，且其占全年的总负荷率稳定在4%左右。店铺的全年热负荷变化在所有的建筑类型中最为平缓，因其建筑性质，所需要的热水量随气候变化不大，每月的热负荷占全年比重稳定在8%-10%之间。酒店、医院、办公（标准型）、体育设施和住宅的全年热负荷变化相对典型（但是其变化率小于办公（oA型）），即冬春两季（一月至五月间）较高，其月热负荷占全年总负荷的比例居于8%-12%之间；夏季较低，其月热负荷占全年总负荷负荷的比例居于4%-6%之间。

3.3不同建筑类型的逐时热负荷

表3、表4为酒店、医院、店铺、办公（标准型）、办公（OA型，电气化）、体育设施、住宅的逐时负荷规律。与过去发表的数据相比，热负荷（除了医院）的制冷期延长，采暖期缩短了。并且，制冷、制热同时发生的月份也增加了。

办公大楼和工厂等，由于有双休日和节假日，需要考虑每月实际的运行时间。

根据表格3、4可以得出不同建筑类型（以10000m²的大楼为例），热负荷的逐时负荷规律，分析如图4所示。

对于不同建筑类型的逐时热负荷，特选取一月（冬季）、四月（春季）和八月（夏季），三个分别代表典型季节的月份观察其逐时热负荷。

酒店部分，因其带有居住性质，因此其热负荷逐时变化在所有建筑类型中相对平缓，高分期出现在午后（14时-15时）以及晚饭后（20时-21时），凌晨（3时-4时）为波谷。就三个不同季节而言，八月（夏季）的热负荷最高，春季和冬季热负荷量相近。

店铺、办公（标准型和OA型）部分，因其有工作时和非工作时之分，因此其热负荷逐时变化呈现山峰形，非工作时（0-7时、20-24时）其热负荷几乎为0，工作时达到波峰：值得一提的是，店铺的热负荷在午后（14时-15时）达到高峰，此时也是客流高峰：办公（标准型）的热负荷在工作时段都相对较为平均；而办公（0A型）建筑则是在上班后8时-9时达到一个较为尖锐的波峰，其后变化相对平缓。对于不同季节的热负荷变化，店铺和办公（标准型）建筑都是八月（夏季）的热负荷量较大，而办公（OA）型则是一月（冬季）的热负荷量较大。

医院部分，其逐时热负荷在0时-5时几乎为0，其峰值出现在10时-18时的就诊高峰期，晚间（18时-24时），不同于办公和店铺等建筑的非工作时热负荷下降较快，其有住院部和值班人员等，其热负荷较工作时降低，但是有一定的热负荷需求，且随着时间减小，直到午夜（24时）左右降至最低点。医院的季节热负荷变化与酒店类似，八月（夏季）热负荷较高，一月（冬季）和四月（春季）热负荷较小。

4.结论

有效利用余热的技术，是分布式供能系统的核心。

使用余热的地方，主要是生活热水、采暖和制冷。他们各自对于余热的有效利用度有所差异，顺序为生活热水=采暖，制冷。生活热水需要的温度比采暖需要的温度要高，并且，生活热水是一年四季都需要的，而采暖负荷只有采暖季才需要，所以一般利用余热的先后顺序，应该是生活热水，采暖，制冷。在综合考虑各单位的负荷基础上，决定采用“以电定热”的方式确定内燃机容量。对三联供系统在我国的不同类型建筑中的选用，具有一定的指导意义。