冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)特性分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

楊曉龍 張林林 王娟麗 王亮

摘 要：發(fā)展新的可替代、無污染、低碳化的新能源是能源開發(fā)利用的必由之路。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能夠利用各種低品位、一次能源進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，減少區(qū)域內(nèi)分散的高能耗的供能設(shè)備，從而在客觀上對城市的環(huán)保、資源循環(huán)利用、節(jié)省一次能源等方面做出巨大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：冷熱電三聯(lián)供；能源梯級利用；設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號：TU81? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0025-03

0 引言

近年來，中國節(jié)能減排工作獲得了諸多成就，2020年國家明確提出“2030碳達(dá)峰”與“2060碳中和”的目標(biāo)，節(jié)能減排工作已成為全社會參與的國事、大事。冷熱電三聯(lián)供技術(shù)是提高能源效率的主要技術(shù)之一，是節(jié)能減排的高效舉措，與健康穩(wěn)定發(fā)展戰(zhàn)略方向一致，著力改善能源結(jié)構(gòu)，并高度重視能源的綜合利用和提高能效及新能源和可再生能源的發(fā)展及合理利用，促進(jìn)節(jié)能減排[1]。

區(qū)域內(nèi)冷熱電三聯(lián)供技術(shù)的發(fā)展符合國家大政方針，具有廣泛的發(fā)展前景。本文就冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，并且詳細(xì)介紹如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)概述

1.1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用原理

冷熱電三聯(lián)供是一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上，將供暖（采暖和熱水）、制冷及發(fā)電過程有機(jī)結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)。通過能源的梯級利用，燃料通過熱電聯(lián)產(chǎn)裝置發(fā)電后變?yōu)闊崮?，用于采暖、生活熱水等，同時熱能也可驅(qū)動吸收式制冷機(jī)，用于夏季的空調(diào)制冷，從而形成了熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)。

1.2 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是一種分布式能源，綜合效益極高，能增加電力供應(yīng)、改善環(huán)境、節(jié)省能源，是提升能源綜合使用率及治理城市大氣污染的重要途徑，與我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相一致。

天然氣作為一種高熱值、儲量豐富而且環(huán)保的潔凈能源，以其為燃料的熱電冷三聯(lián)供技術(shù)越來越受到人們的青睞[2]。冷熱電三聯(lián)供能充分運(yùn)用天然氣熱，使用效率大于90%，有利于減少天然氣供熱成本支出，可將部分成本轉(zhuǎn)移到電費(fèi)上，降低運(yùn)營成本重?fù)?dān)。因?yàn)槔錈犭娙?lián)供可高效轉(zhuǎn)換能源，所以在世界各國的能源領(lǐng)域中，冷熱電三聯(lián)供的應(yīng)用優(yōu)勢比較突出。

此外，三聯(lián)供不僅使得燃?xì)獾臒崮鼙怀浞掷茫€能充分利用新能源，提高能源的綜合利用功效。比如：在太陽能充足的地區(qū)可以增設(shè)光伏發(fā)電，在地?zé)崮艹渥愕貐^(qū)可以設(shè)置地源熱泵系統(tǒng)，真正做到多能互補(bǔ)、梯級利用。

2 項(xiàng)目概述

某項(xiàng)目基地位于貴陽市，總用地面積431 093.49 m2，總建設(shè)用地面積348 845.06 m2，代征道路用地面積63 160.07 m2，代征綠化用地面積19 088.36 m2。用地呈不規(guī)則三角形，內(nèi)部環(huán)境優(yōu)美，植被豐茂，地勢高低錯落，地勢最高點(diǎn)海拔1 288 m，最低點(diǎn)海拔1 238 m，景觀優(yōu)勢明顯。用地內(nèi)有兩個相對山丘高點(diǎn)。東南側(cè)（臨天河潭大道及東側(cè)規(guī)劃路）用地相對平坦，山地主要集中在西北側(cè)。整個用地地勢北高南低，最低點(diǎn)集中在場地南側(cè)，形成谷地。用地限制建筑最高點(diǎn)不超過海拔1 326 m。

該項(xiàng)目為醫(yī)療衛(wèi)生綜合體，總建筑面積515 160 m2，一期建筑面積322 611 m2，二期建筑面積約192 549 m2。具體建筑包括：門急診醫(yī)技綜合樓、醫(yī)技綜合樓、病房樓及高壓氧艙、感染疾病科、行政辦公會議樓等。主要功能有門急診、手術(shù)、住院等。門診量為9 000人/d；住院病床數(shù)一期有1 500床，二期有1 500床。

3 改進(jìn)后的能源方案

醫(yī)院冷電、熱、冷負(fù)荷與生活熱水負(fù)荷穩(wěn)定，要求能源供應(yīng)具有高可靠性和高保障。因此，在雙保證的前提下搭建區(qū)域能源方案。

3.1 總體能源方案

運(yùn)行策略與運(yùn)行方式為能源塔+地源熱泵及三聯(lián)供優(yōu)先運(yùn)行，鍋爐與制冷機(jī)組作為調(diào)峰和保障措施。

3.1.1 能源塔熱泵系統(tǒng)

3.1.1.1 能源塔熱泵技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)

因?yàn)槎鞖夂颉庀髼l件陰雨連綿，潮濕陰冷，濕球溫度高，同時能量儲藏大，所以在提取低品位能性能方面，風(fēng)冷熱泵沒有能源塔穩(wěn)定。

能源塔熱泵機(jī)組性能系數(shù)（COP）在整個冬季可控在3.0～3.5之間。因?yàn)槟茉此且罁?jù)冬天提取顯熱負(fù)荷能力設(shè)計(jì)的，所以在夏天將能源塔轉(zhuǎn)為冷卻塔之后，地?fù)Q熱面非常充足，能對瞬間空調(diào)余熱負(fù)荷進(jìn)行有效承受，冷卻水溫低，提升了換熱效率。機(jī)組的能效比（EER）在整個夏天可控在4.2～4.5之間，具有非常明顯的節(jié)能效果。

因此，能源塔熱泵技術(shù)綜合經(jīng)濟(jì)性能高，在夏季制冷中應(yīng)用廣泛，負(fù)壓蒸發(fā)冷卻水溫度低。在冬季供暖時，可以使用負(fù)溫度噴淋放霜溶液及低溫寬帶技術(shù)。

在我國長江流域以南，平均氣溫約2℃的氣候下，能源塔熱泵技術(shù)耗能比單冷機(jī)+燃油鍋爐供能方案少約45%，比單冷機(jī)+燃?xì)忮仩t供能方案少約25%，比高混合源地源熱泵供能方案少約5%。

3.1.1.2 能源塔熱泵技術(shù)優(yōu)勢

能源塔熱泵技術(shù)屬于高效環(huán)保技術(shù)，是可再生能源利用的技術(shù)之一，能量儲藏不限制能源塔提取低品位能。相較于風(fēng)冷熱泵機(jī)組，可節(jié)約能源20%～25%，接近土壤熱泵空調(diào)節(jié)約能源效果。

能源塔熱泵技術(shù)與其種類熱泵相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①相較于地源熱泵，能源塔熱泵技術(shù)占地小，地質(zhì)條件不會對其造成干擾。②相較于水源泵，能源塔熱泵技術(shù)不依賴熱源，如地表水、地下水等。③相較于風(fēng)冷熱泵，能源塔熱泵技術(shù)功率大，幾乎沒有噪聲。④能源塔熱泵技術(shù)初投資少、高性價比。

3.1.2 地源熱泵

3.1.2.1 水平式地源熱泵

通過水平埋置于低于地表面2～4 m的閉合換熱系統(tǒng)，與土壤進(jìn)行冷熱交換。在制冷供暖面積相對較小同時埋地面積相對較大的系統(tǒng)中適用。初投資相對較少，施工難度小，但是需對占地面積較大的問題進(jìn)行平衡。

3.1.2.2 垂直式地源熱泵

在50～400 m深的巖土體中埋置閉合換熱系統(tǒng)，通過垂直鉆孔將其與土壤進(jìn)行冷熱交換。在制冷供暖面積大的建筑物中比較適用，相比于水平系統(tǒng)其占地面積較小。該系統(tǒng)初投資較高，施工難度相對較大，但可以盡量減小地面占用的問題。

本項(xiàng)目所在地貴陽市地質(zhì)呈現(xiàn)喀斯特地貌特征，豎向地埋管易造成土壤與埋管接觸不良，影響傳熱效果，故本項(xiàng)目推薦采用水平埋管系統(tǒng)。

3.1.3 三聯(lián)供系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，以能源的梯級利用來滿足不同的能源需求，提高能源利用效率，降低能源利用成本，減少CO2排放。

本項(xiàng)目采用的CCHP系統(tǒng)，主要由3臺Capstone公司生產(chǎn)的200 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡稱為C200）、1臺吸收式制冷機(jī)、3臺電制冷機(jī)組成，用于承擔(dān)該單位建筑的冷、電負(fù)荷。

分析負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，以夏季典型日24 h冷、電逐時負(fù)荷為例，在碳排放價格56元/t條件下，直接將56元/t代入進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)日電熱負(fù)荷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行策略整體可分為2個階段。

3.1.3.1 階段1的運(yùn)行策略

階段1為20：00～09：00，這個階段該建筑的冷、電負(fù)荷較低，均不大于200kW。具體有：從電網(wǎng)購電承擔(dān)電熱負(fù)荷和只開1臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電并通過余熱制冷機(jī)制冷承擔(dān)冷、電負(fù)荷2種不同的策略。具體策略的選擇與該模型模擬時采用的分時電價相關(guān)。

在23：00～07：00，電價處于谷段，購電成本低。在其余時間電價處于平段甚至峰段，購買天然氣發(fā)電成本低，所以開1臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電并通過余熱制冷機(jī)制冷。

即便階段1的時段冷負(fù)荷低，燃機(jī)全部余熱制冷量高于用戶冷負(fù)荷，需要丟棄一部分余熱，但此時燃機(jī)發(fā)電和部分余熱制冷成本低于購買同等電量的成本，經(jīng)濟(jì)性仍然良好。

3.1.3.2 階段2的運(yùn)行策略

階段2為10：00～19：00，這個階段的整體冷、電負(fù)荷較高，其中電負(fù)荷均高于600 kW，冷負(fù)荷均高于1 000 kW，3臺C200滿負(fù)荷運(yùn)行，全部余熱量均用于制冷。該時段所有余熱用于制冷，仍不足以滿足用戶冷負(fù)荷，多余冷負(fù)荷需要電制冷壓縮機(jī)承擔(dān)，在負(fù)荷形式上體現(xiàn)為從冷負(fù)荷向電負(fù)荷的轉(zhuǎn)化。10：00～19：00購電量與發(fā)電量之和是遠(yuǎn)大于用戶電負(fù)荷的。以14：00為例，此時的電負(fù)荷低于3臺燃機(jī)最大發(fā)電量，但仍需額外購電，正是因?yàn)榇藭r余熱制冷量不足，冷負(fù)荷通過電制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化為電負(fù)荷導(dǎo)致整體階段2的余熱制冷量不足，需要通過提高吸收式冷溫水機(jī)效率和增大余熱量來改善。

通過對計(jì)算結(jié)果的逐時分析，發(fā)現(xiàn)階段1出現(xiàn)余熱量丟棄，階段2出現(xiàn)余熱量不足，若能將階段1余熱量儲存到階段2使用，可進(jìn)一步節(jié)約成本和降低系統(tǒng)的碳排放量。同時，模型給出的運(yùn)行策略與算例負(fù)荷擬合良好，驗(yàn)證了模型的正確性、可靠性和實(shí)用性。

3.1.4 調(diào)峰鍋爐與制冷機(jī)組

電制冷冷水機(jī)組和燃?xì)忮仩t屬于常規(guī)系統(tǒng)，技術(shù)成熟可靠，該系統(tǒng)可兼做能源系統(tǒng)的保障系統(tǒng)，提高整體能源供應(yīng)的安全可靠性。因此，項(xiàng)目設(shè)置調(diào)峰冷水機(jī)組及調(diào)峰鍋爐系統(tǒng)，用于負(fù)荷高峰期調(diào)峰使用，以及項(xiàng)目初期電負(fù)荷較小，運(yùn)行三聯(lián)供系統(tǒng)不經(jīng)濟(jì)時開啟。

常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)的主要制冷設(shè)備為冷水機(jī)組，機(jī)組利用電為動力源，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收空調(diào)水的熱量進(jìn)行制冷，并通過泵設(shè)備向中央空調(diào)用戶提供冷凍水。冷凍水在末端用戶處進(jìn)行熱交換后升溫，重新由泵設(shè)備輸送回冷水機(jī)組制冷。而冷水機(jī)組吸收的熱量則通過冷卻水系統(tǒng)將熱量帶到冷卻塔排出[4]。

相比于三聯(lián)供及地源熱泵系統(tǒng)，冷水機(jī)組和燃?xì)忮仩t產(chǎn)品成熟，設(shè)備價格相對較低，運(yùn)行控制簡易、維護(hù)簡單。同時冷機(jī)COP值較高，一般在4～6之間，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。但是，夏季需要設(shè)置冷卻塔來提供機(jī)組所需的冷卻水，室內(nèi)熱量以水為媒介經(jīng)冷卻塔直接排放到空氣中去。

燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)供水溫度可以有效保障，但是相比于三聯(lián)供系統(tǒng)，其一次能源利用率較低，不利于節(jié)能，同時在燃料燃燒過程中，不可避免的產(chǎn)生破壞環(huán)境的CO2、CO、SO2、粉塵等廢氣廢物。

綜上，本項(xiàng)目的冷機(jī)及燃?xì)忮仩t僅考慮調(diào)峰和供能安全因素設(shè)置，裝機(jī)容量約為能源系統(tǒng)總?cè)萘康?0%。

3.1.5 凈化空調(diào)區(qū)域

凈化空調(diào)區(qū)域包括手術(shù)室與供應(yīng)中心等。醫(yī)院手術(shù)室供應(yīng)中心等特殊用能區(qū)域，需要保障系統(tǒng)24 h運(yùn)行。推薦該類區(qū)域增設(shè)單獨(dú)的冷熱源系統(tǒng)，與能源站大系統(tǒng)并聯(lián)，利于后期系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)，靈活匹配用冷用熱需求。

3.2 生活熱水方案

貴陽市年平均陰天日數(shù)為235.1 d，年平均日照時數(shù)為1148.3 h，日照時數(shù)偏低，故本項(xiàng)目不考慮設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)。貴陽市室外日平均干球溫度高于15℃的天數(shù)為198 d，適宜采用空氣源熱水器[5]。

本項(xiàng)目生活熱水負(fù)荷為6 584 kW，生活熱水方案為太陽能熱水器+空氣源熱水器+缸套水或余熱機(jī)+調(diào)峰鍋爐+蓄熱水罐。夏季采用空氣源熱水器+調(diào)峰鍋爐+蓄熱水罐的方式，冬季采用空氣源熱水器+調(diào)峰鍋爐+缸套水或余熱機(jī)+蓄熱水罐的方式。

醫(yī)院生活熱水負(fù)荷較大，且用熱需求穩(wěn)定，生活熱水系統(tǒng)需單獨(dú)設(shè)置?？梢赃x用2臺調(diào)峰燃?xì)鉄崴仩t（單臺熱功率2 800 kW）＋5臺空氣源熱水器（總熱功率120 kW），再設(shè)置蓄熱水罐，用于平衡負(fù)荷高峰。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前節(jié)能減排政策及區(qū)域供能的優(yōu)勢，就冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)特性與設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行仔細(xì)分析。在整體分析過程中，詳細(xì)介紹了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的概念，并針對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，再結(jié)合實(shí)際案例，對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行仔細(xì)介紹。

我國當(dāng)前大部分供冷供熱供電分散，能源利用率低，而冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能夠結(jié)合當(dāng)?shù)氐哪茉葱问?，達(dá)成最適合該區(qū)域的供能方式及運(yùn)行策略。因此，希望通過本文分析整理，能夠?yàn)槲覈?dāng)前區(qū)域能源系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化提供更多幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 王亞楠，吳杰康，毛曉明.基于隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃的多能聯(lián)供系統(tǒng)冷熱電經(jīng)濟(jì)分配模型[J].電力自動化設(shè)備，2019，39（6）：21-26.

[2] 梁榮，王洪濤，吳奎華，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和ARIMA模型的冷熱電短期負(fù)荷預(yù)測[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2020， 32（3）：52-58.

[3] 胡靜，姚峻，艾春美，等.分布式冷熱電三聯(lián)供智能集控平臺研究及應(yīng)用[J].中國電力，2019（5）：42-47.

[4] 王文靜，龔文杰，于強(qiáng)，等.基于蜂群優(yōu)化算法冷熱電聯(lián)供型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究[J].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2019（2）：50-55.

[5] 張凱真，柳善建，劉亞亞，等.冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略及優(yōu)化控制研究進(jìn)展[J].新能源進(jìn)展，2019（2）：168-175.