中信建筑设计研究总院有限公司 雷建平 陈焰华

摘  要：介绍冷热电三联供系统的原理、技术路径、主要设备性能；结合建筑用能需求，从投资、能源消耗、冷热电三类产品产出的经济性等方面探讨了以楼宇式冷热电三联供系统为核心能源站的配置原则，并给出了国内几个典型楼宇式冷热电三联供系统配置方案。

关键词：能源梯级利用，能源站，发电机组，余热，蓄能

1、概述

近15年来，全国建筑规模呈不断扩大之势，建筑能耗也逐年上升。自1996年至2008年，我国总的建筑商品能耗从2.59亿tce（吨标煤）增长到了6.55亿tce，其中2008年建筑总能耗占社会总能耗的23%。2011年，全国建筑总面积为469亿m²,建筑能耗则为6.87亿tce，占社会总能耗的19.74%；公共建筑面积为80亿m²，不含北方采暖在内的公共建筑能耗为1.71亿tce，占建筑总能耗的24.8%。

普通公共建筑电耗强度在50~70 kWh/m²之间，而设置了集中空调系统、建筑面积超过2万m²大型公共建筑的电耗强度更高，在120~180 kWh/m²之间。我国电力的生产以火电为主，2011年全国平均火电发电煤耗标准为0.308kgce/kWh，发电效率约为40%。公共建筑空调制冷主要消耗电力，这意味着空调用电制冷其一次能源的利用率不到40%；非集中采暖区的供热系统多以燃烧天然气的锅炉为主，虽然其一次能源的利用率超过85%，但仅通过燃烧方式、将清洁、高品位的天然气用作仅有20℃左右低品位需求的室内供暖，没有充分发挥天然气在节能减排中的优势作用，不符合“高质高用”的用能理念。

国家发改委、财政部、住房城乡建设部、能源局4部委在2011年10月发布了“关于发展天然气分布式能源的指导意见”，布置了在“十二五”期间建设1000个天然气分布式能源项目的任务；2012年7月，由住房城乡建设部发布的《全国城镇燃气发展“十二五”规划》提出分布式能源项目的用气量达到120亿立方米；这些政策导向都是为了大幅提高一次能源的利用效率，作为国家节能减排的重要措施之一，同时也为我们在建筑园区的供能系统配置提供了一种新的思路。

2、能源梯级利用原理及技术路径

能源梯级利用的原则是“温度对口，品位对应”，天然气分布式能源利用天然气为燃料，通过冷热电三联供的方式实现能源的梯级利用：高品位的天然气（“1000℃”）首先通过动力设备发电，动力设备排放的烟气为中温余热（“400℃”）可通过余热锅炉产生蒸汽、也可直接驱动LiBr机组制冷，中温余热利用完后成为低温余热，可直接通过换热或热泵吸收作为生活热水的热源；能源利用效率在70%以上，一般可以超过80%。由于分布式能源在负荷中心就近建设，能大大减少能源的输送中的损失，与传统集中设置大型电厂的供能方式相比，天然气分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、良好的经济效益等优点。

以一台Caterpillar发电量为750kW的内燃机为例，其各部分能量占比如下：电能占35%、缸套冷却水占25%、中冷水占5%、可回收的烟气余热占18%、尾气散失占10%（排烟温度120℃）、机体辐射及机械损耗各占2%、润滑油冷却占3%；采用简单的换热回收设备或吸收式LiBr机组就可将一次能源的利用率提高到78%；如果采用对尾气、中冷水的余热深度利用技术，很容易将一次能源利用率提高到85%，节能意义重大。

能源梯级利用围绕电力、烟气与缸套水展开，主要设备有烟气热水型吸收式LiBr机组、烟气热水换热器、LiBr吸收式热泵机组、电动压缩式冷水机组与热泵机组；同时为提高系统的经济效益，在空调冷热源系统的配置上，应重点考虑蓄能系统的配置，而高温相变蓄热会有更好的应用空间；对余热利用而言，空调蓄能系统的作用不亚于困扰分布式能源系统发展的“电力上网”问题。

3、动力（发电）设备性能及变工况特性

动力发电设备主要有燃气内燃机、燃气轮机和微燃机（微型燃气轮机），各类机组的容量、发电效率、启动性能、余热特性均有较大的不同，应用于不同需求的分布式能源系统。

3.1燃气内燃机

内燃机燃料燃烧是在产生动力的气缸内完成的，其余热由两部分构成：一部分为作功发电后的排出的废弃烟气，温度在400~600℃之间，占系统总输入燃料能量的28%左右，其中18%为可利用部分（10%一般以120℃的尾气排放，也可采用技术组合方案进行深度利用，将排气温度降至40℃以下）；另一部分为保证内燃机正常工作温度，通过水冷冷却系统带走气缸盖、气缸及气门的热量，称之为缸套水和中冷水余热，温度一般在80~120℃之间，缸套水余热占比约25%，中冷水占比为5%。

燃气内燃机因功率范围适中，发电效率高，启动速度快，部分负荷性能好、余热利用方式简单可靠，是楼宇式天然气冷热电三联供系统中最常用到的发电动力设备。下表为典型1~4MW级别燃气内燃机的性能参数。

机型

品牌

卡特彼勒

GE颜巴赫

单位

G3508LE

G3612SITA

G3616SITA

JMS616

JMS620

JMS624

发电功率

kW

1025

2400

3385

2745

3430

4401

发电效率

%

34.1

36.1

36.5

43.4

44.9

45.4

烟气温度

℃

445

450

446

390

390

368

烟气热量

kW

611

1511

2068

2768

3461

4491

缸套水出口温度

℃

99

88

88

95

95

95

缸套水热量

kW

816

616

829

1437

1797

2332

3.1燃气轮机

燃气轮机由叶轮式空气压缩机（压气机）、燃烧室和燃气涡轮三部分组成。压气机将压缩空气送入燃烧室，同时也将燃气经喷嘴喷入燃烧室内；燃烧室内发生定压燃烧过程所产生高温高压气体进入涡轮膨胀做功，推动涡轮转子旋转发出机械功，其中约2/3的机械功带动压气机叶轮旋转，其余部分用来驱动发电机发电；涡轮的排烟温度在450~650℃之间，为燃气轮机系统的余热部分。

燃气轮机的发电效率在20~34%之间，航改型在26~45%之间，如果采用蒸汽联合循环系统，其发电效率可提高至47~55%。

燃气轮机系统的余热全部为高温烟气，虽然其应用相对简单，便因其单机容量规模较大，而为了提高发电效率，其系统构造也复杂，在楼宇式分布式能源系统中的应用受到一定的限制；因此，近些年来，微燃机（微型燃气轮机）得到了较好的开发，其产品也相当成熟。

3.1微燃机

微燃机是指发电功率在1000kW以下的小型燃气轮机，其功率可以小至几十千瓦。主要特点为燃气轮机与发电机按一体化的原则设计，使整台燃气发电机组的尺寸显著减小、单机效率达25~29%（研制目标40%）、环保性能好，NOx排放浓度可低至9ppm（研制目标7ppm），远小于燃气内燃机45~200ppm和燃气轮机150~300ppm的NOx排放量。

生产厂家

Allied signal

Bowmen

IHI日产

NREC

Honeywell

产品型号

AS75

TG80CG

Dynajet2.6

Power work

Parallon75

发电功率（kw）

75

80

2.6

70

75

发电效率（%）

28.5

27

8～10

33

28.5

转速（RPM）

6500

99750

100000

60000

65000

耗气量（m³/h）

22.2

17.3

1.4

18.4

22.2

排气温度（℃）

250

300

250

200

250

NOx（ppm）

9～25

<9

-

<9

9～25

噪音（10m dB<A>）

65

75

55

-

65

4、能源系统配置原则

于2012年10月正式发布的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）新增的8.9节“燃气冷热电三联供”和8.8节“区域供冷”给出了这两类系统设计原则；对于三联供系统，应按“以冷、热负荷定发电量”的原则确定设备及系统的配置，也就是“以冷（热）定电”；对于区域供冷系统，明确“应优先考虑利用分布式能源、热电厂余热作为制冷能源”。

与用电负荷匹配也是分布式供能系统设计的一个重要原则，应按以冷（热）定电、冷（热）电相平衡的原则确定，冷（热）及电负荷的特性和大小应合理，机组的发电量宜自发、自用、自平衡。

4.1发电设备容量与台数的确定

根据以冷（热）定电的原则，发电设备的总容量应由空调冷热负荷及其它热负荷共同确定，这里所提到冷、热负荷并不是指设计的冷热负荷值，而应是根据经济技术比较较后所选取相对稳定的基本冷热负荷。

发电机组的最低负荷率一般只能调节到40%附近，以燃气内燃机为例，当机组的发电功率从100%降低到40%时，机组缸套水供热能力从100%降至78%、烟气回收的热量从100%降至48%，因此当发电功率下降60%时，缸套水供热能力仅下降22%，烟气回收的热量则下降了52%。由于烟气的温度超过400℃，而缸套水的温度不超过100℃，两类余热的品位有较大的差距，对于以“双效烟气-热水余热型吸收式LiBr机组”制冷作为余热回收的主流三联供系统来讲，发电机组的变工况运行，除了发电效率下降外，对制冷的影响也很大；也正因为如此，发电设备的单机容量不能只考虑投资而盲目地过大，应结合各类负荷的“耦合与匹配”来确定。

4.2调峰设备

规范要求三联供系统生产的电力以“自发自用”为原则，实现分布式能源的“分布式应用”，能源站内引入了充足的天然气资源，因此调峰设备一般围绕电力与天然气而展开。

电制冷冷水机组因其调节能力强、效率高、投资成本低而作为空调制冷系统的主要调峰设备，为节省配电成本，一般采用大型高电压离心式冷水机组；燃气热水（蒸汽）锅炉房附建于能源站内，在功能布局上较容易处理，投资也较省，是典型的供热调峰设备；另一类重要而极有价值的调峰设备是蓄能系统。

4.3蓄能系统

为保证三联供系统的全年运行的经济性，系统生产的冷热电产能必须与建筑物的需求一致，要高度地吻合；通过精细化的系统方案设计，可以解决系统配置方面的主要矛盾，另一方面又由于建筑物的需求可能随使用方式不同而存在较大的波动，采用蓄能系统可以很好地耦合建筑冷热负荷的变化，可以应对任意复杂冷热负荷的“波动曲线”，实现“静态设计、动态运行、全程高效”；同时蓄能系统还能大幅降低发电系统的装机容量，减少目前依籁进口发电设备的昂贵造价。

蓄能系统按用途分为蓄冷与蓄热，按蓄能介质分为水蓄冷、水蓄热、冰蓄冷、高温相变材料蓄热。

4.3.1水蓄热与水蓄冷系统

典型水蓄热及水蓄冷参数表

类别

蓄能水池水容积

温差(℃)

蓄能温度(℃)

回水温度(℃)

蓄能量

系统运行小时数

削峰能力(kW)

GJ

kWh

6℃冷水蓄冷

1

7

6

13

0.029

8.15

8

1.02

500

7

6

13

14.65

4074

8

509

1000

7

6

13

29.31

8148

8

1018

5000

7

6

13

146.54

40738

8

5092

4℃冷水蓄冷

1

9

4

13

0.038

10.48

8

1.31

500

9

4

13

18.84

5238

8

655

1000

9

4

13

37.68

10475

8

1309

5000

9

4

13

188.41

52377

8

6547

　

蓄热能力

1

35

90

55

0.147

40.74

8

5.09

500

35

90

55

73.27

20369

8

2546

1000

35

90

55

146.54

40738

8

5092

5000

35

90

55

732.69

203688

8

25461

由上表可知，水蓄热系统有较大的潜力与削峰能力，1m³水蓄热的削峰能力可以达到5kW，具有明显的应用价值；与水蓄热系统相比，水蓄冷系统的削峰能力只有蓄热系统的20%：1m³水蓄冷的削峰能力为1kW。由于蓄能系统的目的是储存发电机组的低品位余热，而余热制冷的极限温度不能低于5℃，这是限制水蓄冷能力的主要原因。系统配置上，原则不主张用电制冷机组来制备更低的冷冻水来蓄冷，只有在余热被全部利用完，电力无法利用或不能上网的前提下，才可以考虑用电制冷来蓄冷。利用烟气余热制冷的大规模水蓄系统需要设体积巨大的水箱，但当有条件设置时，对整个系统的优化作用相当大，上海国院旅游度假区核心区（上海迪斯尼）的分布式三联供系统在设计上采用两个直径20米，净高19米的水罐蓄冷，总的水蓄冷积容达12000m³、蓄冷量达128MWH，蓄冷系统负担的冷负荷为15.2MW，占84MW总冷负荷的18.1%，需要特别指出的是，水蓄冷系统。

4.3.2冰蓄冷

在三联供系统中，冰蓄冷系统只用在电力有富裕、电力不能上网或者因上网电价过低而经济性不好时。目前电力上网的价格不是很高，要发电不亏损基本靠政府补贴，从能源管理公司的角度分析，在保证经济性最好的前提下，冰蓄冷系统还是有可行之处。

下表为在天然气价格3元/ Nm³、每Nm³天然气发电量为4.1kWh（发电效率45%）、可售电量3.772 kWh（LiBr系统消耗电力的8%）、上网电价0.636元/kWh、冷热价格按0.53元/kWh的条件下计算的不同售电模式下，能源站的销售与收入对比。

三联供系统在不同售电模式下经济性分析

 

运行模式

卖电收益(元)

余热制冷量(kWh)

冷价(武汉0.48～0.6)

余热冷量收益(元)

用电制冷量[电冷系统COP：3.5,蓄冰系统COP：2.2](kWh)

电制冷量收益
(元)

总收益(元)

益利(元)

与卖电比较增收率

卖电

2.40

5.28

0.53

2.80

　

　

5.20

2.20

　

用电制冷

　

5.28

0.53

2.80

13.20

7.00

9.80

6.80

88%

用电制冰

　

5.28

0.53

2.80

8.30

4.40

7.20

4.20

38%

4.4余热深度回收系统

天然气的主要成分是甲烷，燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸汽，水蒸汽的气化潜热占天然气高位发热量的比例达到10~11%。《燃气冷热电三联供工程技术规程》确定的烟气最高排放温度为120℃，在这一工况下，余热利用的方式最简洁，但烟气中水蒸汽潜热无法得到应用；有效利用水蒸汽的潜热，将大幅提高三联供系统一次能源的利用效率。

余热深度利用的技术路线有两大类，一类是采用间壁式换热器与烟气换热间接换热，降低烟气的排烟温度，并直接将热媒介质水进行加热，排烟温度受热媒介质水温度的限制而不会低于60℃。

另一类是首先采用直接接触式冷凝换热设备，利用吸收能力很强的盐溶液（如LiBr溶液）或水与高温烟气换热，可以将排烟温度降到40℃以下，甚至更低；然后利用第一类吸收式热泵、第二类吸收式热泵（升温型）或水源热泵机组吸收溶液或水中的低品热能，第一类双效吸收式热泵的温升上限可达到84℃，第二类吸收式热泵的温升上限可达到135℃。文献5介绍了“一种天然气冷热电联供的烟气低温端热利用系统及其操作方法”的专利，该专利所介绍的装置让天燃气在燃烧前先经过液化处理，再用生活冷水喷淋冷却烟气，直接吸收烟气的余热；文献6介绍了用填料塔式、液柱式及液膜式冷凝换热器用水直接与烟气接触换热。

5、楼宇式冷热电三联供系统案例简介

5.1上海国际旅游度假区核心区（上海迪斯尼）

上海国际旅游度假区核心区占地为7.0km²，一期建设用地为3.9 km²，为主题乐园、两座酒店及零售餐饮娱乐区；一期集中空调冷热负荷由用户提供的逐月负荷曲线确定，并按两个阶段实施，第一阶段供冷系统规模为60MW，供热规模为30MW，到第二阶段，供冷系统规模扩大到84MW，供热规模扩大到45MW。

分布式能源系统拟配置8台JMS624GS-N.L型内燃机发电机组，单台发电量为4401kW，发电效率为45.4%；集中空调采用四管制设计，能源站内冷冻水供回水温度为6/15.6℃,热水供回水温度为90/65.5℃。

冷源系统采用8台烟气热水型LiBr吸收式冷热水机组回收烟气及钢套水的余热（单机制冷量为3.68MW，制热量为4MW），同时配置5台单机制冷量为6.33MW和2台单机制冷量为3.17MW的高电压离心式冷水机组作为制冷设备，另设两个直径20米，净高19米的水罐蓄冷（总蓄冷积容12000m³，蓄冷量128MWH），蓄冷水温为6℃，负担冷负荷为15.2MW，占84MW总冷负荷的18.1%。

热源系统主系统为8台烟气热水型LiBr吸收式冷热水机组，设2台产热量为8.4MW的热水锅炉用为调峰设备，并另设直径9米，净高19米的水罐蓄热（总蓄热积容1000m³，蓄冷量29MWH），蓄热水温为90℃，负担热负荷3.6MW，约占总热负荷的8%左右。

冷冻水及热水循环系统采用二级泵系统，由于蓄能系统采用LiBr机组的直接出水蓄存，中间不设板式换热器，系统定压由蓄能水箱兼用，建筑园区内除一幢建筑的高度高于蓄能水箱外，其余均低于蓄能水箱的高度，因此设水位自控装置来控制蓄能水箱的液面高度，这也是为充分利用低品位余热而出现的一个新课题。

5.2 武汉创意天地分布式能源站

“华电集团湖北武汉创意天地分布式能源站项目”在国家发改委国家“发改能源[2012]1571号文”公布的“首批国家天然气分布式能源示范项目”的4个中是规模最大，发电设备总容量为19.16MW；由于武汉地处“西气东输”管线的中心位置，创意天地分布式能源站的成果建设具有重要示范作用。

创意天地建筑园区内容包括10幢办公楼、11幢创意公坊、6幢艺术家工作室及6幢小型商业，另设一座特色酒店、美术馆及小型剧场各一座，总建筑面积约28.8万m²，空调系统设计装机总冷负荷为29.4MW，总热负荷为17.5MW。

发电动力设备采用GE-JMS624型燃气内燃机4台（另预留一台设备安装位置），单机出力为4MW；空调冷源系统初步设计采用了4台单机制冷量为3.6MW的烟气型LiBr吸收式冷热水机组与4台单机制冷量为3.5MW的高电压离心式冷水机组，另设500m³蓄冷水箱可负担约500kW的制冷量；空调热源由三部分构成：4台烟气型LiBr吸收式冷热水机组负担7.2MW、板式换热器回收发电机组缸套水余热7.8MW、500m³蓄热水箱负担2.5MW。该项目最大的挑战在于在项目投入运营的初期及低负荷时段内，制冷系统的需求与发电系统的调节是否能满足经济性的要求；本项目发电设备前期按安装2台建设，二期发电机组的容量与台数可能会根据实际运行的需求及政策变动而有所调整。

 

参考文献

[1]城市建设研究院、北京市煤气热力工程设计院有限公司.《燃气冷热电三联供系统工程技术规程》（CJJ145-2010）北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]上海市电力公司、上海市燃气(集团)公司.《分布式供能系统工程技术规程》（DG/TJ08-115-2008）上海：2008

[3]中国建筑科学研究院.《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）北京：中国建筑工业出版社，2012

[4]金红光等.《分布式冷热电联产系统装置及其应用》北京：中国电力出版社，2010

[5]华贲.《天然气冷热电联供能源系统》北京: 中国建筑工业出版社，2010

[6]车得福.《烟气热能梯级利用》 北京:化学工业出版社，2006

[7]江亿.《天然气热电冷联供技术及其应用》北京：中国建筑工业出版社，2008

 

雷建平，男，1971年2月生，工学学士，正高职高级工程师、高级程序员

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