燃气分布式热电联产机组与空气源热泵复合供能系统研究

宋丹丹

上海舜卓能源科技有限公司

引言

得益于规模经济效益和系统互联带来的可靠性，集中式供能系统在我国一直处于主流地位[1]，但存在污染严重、灵活性差、输配电损耗高、因故障容易大面积停电等问题[2]。伴随着经济的发展，能源需求的增长，为解决传统集中式供能的一些弊端，发展分布式能源已成为我国能源发展的新趋势[3]。

1998年，中国建成第一个分布式能源，2010年后，我国出台针对分布式能源的产业政策，“十二五”后，以天然气和光伏为代表的分布式能源发展迅速，相关产业政策也密集出台。燃料多样性和本地化对分布式能源具有推动作用，政策和技术进步为分布式能源发展创造了新的动力。[1]

分布式能源相对于传统集中式能源具有开放程度高,多能源耦合能力强的特点，以满足用户的多种能量需求和其他性能要求[4]。本文基于天然气分布式热电联产机组与空气源热泵各自的设备特点，提出适用于不同工况需求的分布式复合供能系统，建立热力学模型，对比现有常规分产供能系统对该系统进行能量分析和㶲分析，并讨论不同参数变化对于系统效率的影响，为本复合系统的应用设计作理论参考。

图1 热电联产机组工作原理

如图2所示，热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种制热技术。实质上是一种能源采掘机械，以消耗一部分高质能（机械能、电能或高温热能等）为补偿，通过热力循环，把环境介质（水、空气、土地）中储存的低质能量发掘进行利用。空气源热泵系统通过自然能（空气蓄热）获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取（供）暖和供应热水[5]。目前，热泵机组的供热系数在3～5之间。

1 复合供能系统研究

1.1 主设备介绍

对于一般工业、数据中心、综合商业体、大型医院等用户，这些用户对冷、热、电有较大且较稳定、连续的负荷需求，通常采用燃气轮机和内燃机作为分布式能源的原动机，但对于酒店、游泳池、养老院、健身房等小型用户，能源需求量较小，且随昼夜、季节、营业时间等的变化有较大的波动，可选用微燃机或分布式热电联产设备优化供能系统。

因综合效率高、噪音值低、排放量低，本文选择分布式热电联产机组为主机，其工作原理如图1所示。机组主要包含天然气发动机，通过交流发电机发电，内燃机和发电机产生的废热通过高效热交换器回收并最终以热水的形式提供给客户端，以意大利热电联产机组TOTEM为例，机组噪音为61d B(A)，NOx（5%O2）＜10ppm，综合效率可达97%，具有集成化程度高，占地小，使用灵活方便的特点。

图2 空气源热泵工作原理

2.2 复合供能系统工艺流程

分布式热电联产机组与空气源热泵均为发展已久的成熟产品，但单独应用，前者为固定的热电比输出，后者为单一热能输出，且有低温环境易结霜和运行效率降低等不足，两者相互结合所形成的复合供能系统可以较好地弥补不足，使其具有更广泛的应用。

热电联产机组与空气源热泵有以下三种复合供能方式：

（1）热电联产机组与空气源热泵独立运行

如图3所示，热电联产机组为系统主要供能设备，通过燃烧天然气推动活塞做功，并带动发电机发电，烟气及发电机余热通过换热器回收的热水，为用户提供基本的电力和热水用能负荷并优先予以使用，空气源热泵由市电供电并与市电共同承担调峰及备用的责任，电力不足部分由市电供给，热水不足部分由热泵补给，共同满足用户负荷需求。

图3 热电联产机组与空气源热泵独立运行流程图

图4 热电联产机组与空气源热泵串联运行流程图

热电联产机组与热泵的复合供能与传统市电+燃气锅炉的供能方式相比，具有能源利用效率高，节能减排量大，运行经济效益好等显著优势，当气/电价比大于7.23时（燃气锅炉效率取90%，燃气低位热值取33MJ/Nm3），市电与燃气锅炉的运行经济效益更优。该供能方式相对于单独热电联产设备，可以提供更大的热负荷，适用于热电负荷比较大的用户；另一方面，系统安全性及调节性更高，热电联产机组满足相对稳定的用能负荷，热泵可根据用户的用能波动来作及时的调节输出，同时，热电联产机组和热泵可相互备用，以应对紧急故障等状态。

（2）热电联产机组与空气源热泵串联运行

如图4所示，热电联产机组通过燃烧天然气推动活塞做功，并带动发电机发电，烟气及发电机余热通过换热器回收的热水，所产电力接入电网并入市电网满足用户电负荷；所出热水进一步加热空气源热泵出水，提升热品味，适用于有更高热源温度需求的用户。

（3）热电联产机组与空气源热泵并联运行

如图5所示，热电联产机组通过燃烧天然气推动活塞做功，并带动发电机发电。烟气和发电机余热通过换热器回收的热水，所产电力除供给热泵和系统自耗电外其余并入电网，满足用户用电，热电联产机组和热泵满足用户用热。该供能系统在一定范围内有可调的热电比输出，适用性更为广泛，可根据用户不同时间段内的不同负荷及时调整。

图5 热电联产机组与空气源热泵并联运行流程图

2.3 系统热力学模型

将热电联产机组和热泵机组视作黑匣子处理，本复合供能系统的模型能量流程如图6所示。

图6 系统供能流程图

Qf—天然气输入能量；η—热电联产机组热损失率；Qh—热电联产机组热水输出热量；Pe—热电联产机组发电量；α—热电联产机组发电量并网系数；Q0—环境输入热量；Qh—热泵机组输出热量；η3—热泵机组热损失率;T0—环境温度；Tp—排烟温度；Th—热电联产机组产出热水温度；Th—热泵机组产出热水温度。

为方便系统分析，假定系统处于稳定的运行状态，而且设备效率稳定不变。热电联产机组发电量Pe与燃气输入量Qf之间存在关系式：

空气源热泵机组产热量Qh与输入电量之间存在关系式：

COP为空气源热泵机组制热能效比，为设备性能参数。参考文献[6]的动态仿真模拟，上海地区供热COP全年平均可达3.25。

根据燃气冷热电联供工程技术规程，系统的能源利用效率为有效利用的能量与消耗的总能量之比：

系统的㶲分析能将能量中的“质”与“量”有机结合在一起，真实体现能量转化过程中能量的“贬值”过程。因空气源热泵机组是以大气环境为低温热源的，相对于基准环境，环境输入系统的㶲流为0[7]。由图4可知，复合供能系统所含总㶲即为天然气输入㶲，系统对外输出可利用㶲，有热电联产机组的发电量㶲、热水㶲、空气源热泵的热㶲。

电㶲与电能相等，单位时间内系统输出的电㶲Ee=Pe；

热电联产机组所输出的热㶲

空气源热泵机组所输出的热㶲

系统的㶲效率可定义为系统有效输出㶲与输入总㶲之比：

2.4 系统热力学分析

本系统的主要性能参数如表1所示，表2为热电联产机组发电量不同并网比例条件下的能量与㶲分析，总体而言，因有热泵的配置，三个不同系统的能源利用率很高。从㶲的利用角度来看，电能可以完全转换为有用功，电能等于电㶲，发电量可以提高系统的㶲效率，因此对于燃气分布式能源系统，燃气的化学能首先用于制取电力；再者，随着α的减小，即有更多的发电量通过热泵转化为低品位的热能，故㶲效率不断下降，但能源利用产出率不断增加。

因空气源热泵把空气中的热量通过冷媒搬运至水中，是提高能量品味而非能量转换的过程，故配置有热泵的供能系统综合能源利用率均可达到100%以上，同时因热电联产设备对能源进行了高效梯级回收利用，因此复合供能系统的能源利用率大于传统分产供能系统；本系统中热电联产设备机组发电效率低于市电发电效率，热泵机组制热能效高，因而市电使用占比越大的系统电㶲效率越高，热泵使用占比越大的系统热㶲效率越高；但就总㶲效率而言，当α=的供能系统㶲效率最高，究其根本，尽管分产系统供电或供热时单独㶲效率较高，但因其独立性，能源转换过程和运输过程中有大量能量以废热形式排入环境，使之系统㶲效率较低。

表1 系统主要参数表

表2 系统能量和㶲利用率

假定用户端所需电量负荷为25kW，热负荷为131.45kW，传统分产供能方式以常规的市电+燃气锅炉、市电+燃气热泵为代表（取市电发电效率为40%，线路损失率6.4%，燃气锅炉效率90%，热泵COP3.25），与不同并网电力系数下的复合供能方式作分析，对能量与㶲利用方面进行对比，当0≤α＜1时，热电联产机组所发电力部分驱动热泵，不足的电力则由市电供给，当α=时，热电联产机组热水产量不足以满足热需求，则由热泵机组满足。对比结果见图7。

2.5 复合供能系统效率影响因素分析

复合供能系统对于能源利用效率主要取决于设备性能及运行工况，对于设备固有性能可变性较小，故从环境温度、电力分配比例、热水出水温度三个变化因素对复合供能系统的能量利用和㶲效率进行分析。

以α=0.5系统为例，当环境温度变化时，热电联产机组发电量变化忽略不计，此时，系统电㶲效率不变，热㶲效率随着环境温度的升高而降低，总㶲效率亦随环境温度的升高而降低；热泵机组COP随环境温度降低而降低，故能源利用效率与环境温度成正比，但COP并非线性变化，所以热泵的热㶲和热输出功率亦非线性，最终表现曲线的能源利用率和㶲效率，详见图8。

图7 不同供能方式能量与㶲效率对比

图8 环境温度对系统效率影响图

在一定的环境条件下，当发电量并网系数α减小时，热电联产机组发电量更多部分用于驱动热泵获取热能，系统的能源利用率得到提高，推导可知能源利用率变化曲线斜率为，但随着高品位电能转化为低品位热能，㶲效率不断下降，变化斜率为，并网系数与系统效率曲线详见图9。

图9 电力并网系数对系统效率影响

当提高设备热水出水温度时，也即采用上文所阐述的复合供能系统方式三，热电联产机组与空气源热泵机组串联运行。此时，出水温度的变化对于换热器换热效率影响很小，故系统能源利用率可认为保持不变；但是热水温度的提高实质是提高热能的品味，因此，系统的㶲利用率得到提高，㶲效率随着出水温度的上升而变大，因出水温度取值间隔较大，㶲效率曲线近似为直线显示，如图10所示。

图10 热水出水温度对系统效率影响

3 小结

本文提出了天然气分布式热电联产机组与空气源热泵结合使用的复合供能系统，阐述了在不同负荷需求下符合供能系统的应用：

（1）当用户端热负荷与电负荷需求均大于热电联产机组产出，建议采用方式一，热电联产机组尽量全负荷运行供应基本负荷部分，波动部分由市电与热泵来调节以满足热电需求；（2）当用户端热电负荷随昼夜、季节等时间波动较大，可选用方式三，热电比可调范围大，动态特性好，匹配度较高；（3）若用户端热水温度要求高，可采用方式二热电联产机组与热泵串联，提高空气源热泵出水温度，提升热品味。

由热力学分析得知不同因素的变化对复合系统的能源利用率与㶲效率产生不同的影响：

（1）与传统分产供能系统相比，复合供能系统具有较高的综合能源利用率及㶲效率；（2）热电联产机组电力并网系数α固定，当环境温度升高时，系统综合能源利用率提高，㶲效率下降；（3）在一定的运行工况环境下，当热电联产机组电力并网系数α变大时，系统能源利用率线性下降，㶲效率线性增长；（4）当系统热水出水温度提高时，系统能源利用率保持不变，但㶲效率随之提升。

实际工程运用中，应具体分析用户特定的用能需求，结合各不同系统的特点，以优化供能方式，充分发挥设备特性，提高能源有效利用率。