張興梅：提高建筑冷熱電聯(lián)供系統能源綜合利用率

中國能源網(wǎng)訊 （8月23日 青島）由中國能源網(wǎng)攜手中國企業(yè)投資協(xié)會(huì )、中國電機工程學(xué)會(huì )、中國資源綜合利用協(xié)會(huì )、中國城市燃氣協(xié)會(huì )、中國沼氣學(xué)會(huì )、中國可再生能源學(xué)舉辦的以“關(guān)注改革 倡導節能 推動(dòng)分布式能源快速發(fā)展”為主題的“2011中國分布式能源國際研討會(huì )暨展覽會(huì )”8月23日在青島隆重開(kāi)幕。

在23日下午進(jìn)行的“清潔能源的分布式應用及發(fā)展趨勢”分論壇中，航天-中燃-哈工大分布式能源系統聯(lián)合研究室教授張興梅發(fā)表了題為“提高建筑冷熱電聯(lián)供系統能源綜合利用率”的精彩演講。

以下為發(fā)言實(shí)錄：

大家下午好，航天-中燃-哈工大分布式能源系統聯(lián)合研究室做一個(gè)簡(jiǎn)單發(fā)言，是從技術(shù)角度，題目是提高建筑冷熱電聯(lián)供系統能源綜合利用率，分五個(gè)方面做介紹。

建筑冷熱電聯(lián)供（或稱(chēng)分布式能源）是指在用戶(hù)端實(shí)行冷量、熱量、電能聯(lián)供的技術(shù)。由于這項技術(shù)實(shí)現了能量梯級利用，一次能源利用率高，減少能量的輸送能耗，減少污染物的排放，平抑電網(wǎng)負荷和燃氣管網(wǎng)負荷的不平衡，以及提高用能的安全性等方面的優(yōu)點(diǎn)而被人們所關(guān)注，被認為是能源技術(shù)中重要的發(fā)展方向。近年來(lái)，分布式能源在我國也有較快的發(fā)展，已有許多實(shí)際工程的應用實(shí)例。在設計、使用冷熱電聯(lián)供系統時(shí)，總希望盡可能提高能源的利用率和獲得更大的經(jīng)濟效益。

提高燃氣發(fā)電機組余熱利用率是提高分布式能源綜合利用率的關(guān)鍵。影響余熱利用率的因素很多，如用戶(hù)對熱、電或冷、電的需求是否同步？分布式能源產(chǎn)出的熱量與電量之比（熱電比）或冷電比是否與用戶(hù)需求的熱電比或冷電比相匹配？產(chǎn)出與需求間的矛盾都可能出現余熱無(wú)法利用而被排放掉，從而導致能源利用率降低。因此冷熱電聯(lián)供系統的配置、容量、余熱利用設備的性能、運行模式、控制等都影響能源綜合利用率。除此之外，余熱形式與溫度也對能源綜合利用率有影響。煙氣是燃氣發(fā)電機組一種主要的余熱形式。顯然，發(fā)電機組煙氣的溫度愈高，愈利于余熱利用。因為，煙氣的余熱利用設備的煙氣排出溫度都有要求，例如，用于煙溫為500℃的BE型雙效煙氣型溴化鋰吸收式冷熱水機組（簡(jiǎn)稱(chēng)雙效煙氣機），制冷時(shí)的排煙溫度為160℃，實(shí)際利用熱量占煙氣總余熱量的71.6%；用于煙溫為300℃的BDE型單效煙氣機，制冷時(shí)的排煙溫度為130℃，實(shí)際利用熱量占煙氣總熱量的61.8%。不僅如此，煙溫高，煙氣機的制冷性能系數（制冷量/消耗的熱量）高，即同樣的熱量轉換成制冷量就大。根據BE型和BDE型樣本數據推算，當余熱煙氣溫度為500℃，采用雙效煙氣機時(shí)，其煙氣總余熱量轉換為制冷量的比率約為1:1；當余熱煙氣溫度300℃，采用單效煙氣機時(shí)，其煙氣總余熱量轉換為制冷量的比率約為1:0.5，這樣必然導致煙氣余熱用于制冷時(shí)的能量綜合利用率的降低。

發(fā)電機組的另一種余熱形式為熱水，如內燃機既有煙氣余熱，又有熱水（內燃機中的冷卻水）余熱。內燃機通常有不同溫度的冷卻水，不同公司所生產(chǎn)的內燃機冷卻水的溫度及種類(lèi)并不相同，但一般都分為兩類(lèi)——高溫冷卻水和低溫冷卻水。高溫冷卻水一般在90℃左右，可用于制冷或供暖；低溫冷卻水一般在40℃左右，基本上無(wú)直接利用的價(jià)值。

目前國內在建筑冷熱電聯(lián)供系統中常用的發(fā)電機組中的原動(dòng)機有燃氣內燃機、微型燃氣輪機和小型燃氣輪機。內燃機發(fā)電機組的發(fā)電效率較高，一般都大于40%，煙氣溫度350~500℃；小型燃氣輪機發(fā)電機組的發(fā)電效率一般為24%~38%，煙氣溫度約500℃；微型燃氣輪機發(fā)電機組的發(fā)電效率一般為24%~33%，煙氣溫度約300℃左右。

配置高性能的煙氣機，提高能源綜合利用率

在民用建筑中應用冷熱電聯(lián)供技術(shù)，余熱主要的用途是夏季給建筑供冷，冬季供暖。在南方地區，供冷的運行時(shí)間多于供暖運行的時(shí)間，因此，更應注意選用性能優(yōu)良的煙氣型吸收式制冷機。下面通過(guò)實(shí)例來(lái)進(jìn)行分析。

例1，建筑冷熱電聯(lián)供系統采用Caterpillar G3412C型內燃機發(fā)電機組。該機組發(fā)電量為360kW，機組消耗天然氣熱量為1117kW。高溫熱水329kW，熱水溫度99℃，煙氣量2040Nm3/h，煙氣溫度345℃，設高溫熱水采用熱水型溴化鋰吸收式制冷機進(jìn)行制冷，選用BDH系列單效型機組。該機組的制冷性能系數約為0.76，因此高溫熱水可獲得制冷量250kW。在BE和BDE煙氣機的樣本中，BE型雙效煙氣機煙溫在400~500℃范圍內有性能數據；BDE單效煙氣機煙溫在260~300℃范圍內有性能數據。此內燃機的煙溫為345℃，只能估計其制冷量。設選用BDE單效煙氣機，按機組制冷量隨煙溫變化的規律，2040Nm3/h煙氣大約可獲得制冷量153kW。[page]

煙溫345℃的煙氣適宜采用國外的CH-KE型雙效煙氣機，該機可用在煙溫200~340℃范圍內。當煙溫為340℃時(shí)，單位煙氣量的制冷量為0.088kWh/Nm3。因此2040Nm3/h煙氣量可獲得制冷量180kW。

例2，建筑冷熱電聯(lián)供系統采用Capstone C65微燃機發(fā)電機組。該機的發(fā)電量65kW，發(fā)電效率29%，煙氣量0.49kg/s，煙氣溫度309℃，消耗天然氣熱量224.1kW。同樣設采用兩種不同的煙氣機進(jìn)行比較。如采用BDE型單效煙氣機，估計可獲得制冷量73kW，能源綜合利用效率0.62。如采用CH-KE型雙效煙氣機，估計可獲得制冷量112kW，則能源綜合利用率0.79，規定的大于70%的要求。

由此可見(jiàn)，配置高效能的余熱利用設備將會(huì )提高能源綜合利用率。上兩例中，CH-KE雙效煙氣機的性能系數為1.02，而B(niǎo)DE單效煙氣機的性能系數為0.79。除此之外，CH-KE型雙效煙氣機還增加了煙氣/溶液熱交換器，進(jìn)一步降低了排煙溫度，也就是說(shuō)充分利用了煙氣中的熱量。目前國內有待開(kāi)發(fā)用于溫度為300℃左右煙氣的高性能的雙效煙氣機，以適應國內分布式能源的發(fā)展。

降低排煙溫度，充分利用余熱

目前用于煙氣制冷的煙氣機排煙溫度均在100℃以上。如適用與煙溫500℃左右的雙效煙氣機，其排煙溫度為160℃；適用于煙溫300℃左右的單效煙氣機排煙溫度為130℃；即使增設了煙氣/溶液熱交換器的CH-KE型雙效煙氣機制冷時(shí)的排煙溫度為115℃。如此高溫度的煙氣不僅有不少顯熱可利用，而且還有可觀(guān)的潛熱可利用。目前燃氣鍋爐中有一種稱(chēng)為冷凝式燃氣鍋爐，就是降低排煙溫度，充分利用排煙中的顯熱和潛熱。普通的燃氣鍋爐，以低位發(fā)熱量計的熱效率可達到108%。熱效率大于100%似乎是不可能，其實(shí)是由于利用了燃氣高位發(fā)熱量中的潛熱的結果。

利用煙氣中的潛熱的方法是對煙氣進(jìn)行冷卻，當煙氣溫度降到露點(diǎn)以下時(shí)，煙氣中水蒸氣凝結，釋放出潛熱。燃氣高位發(fā)熱量中的潛熱可根據天然氣成分計算獲得。對天然氣進(jìn)行估算，其潛熱約為低位發(fā)熱量的10%。

排煙余熱利用方案

一，用排煙余熱制熱水。這是最簡(jiǎn)單的利用方法，只需設置煙氣/水換熱器即可實(shí)現，熱水的用途有：賓館、醫院、療養院等的生活熱水供應；公共浴池、洗衣房等熱水供應；游泳池的池水加熱等。

一般的熱水供應熱水溫度60℃，進(jìn)水溫度5℃。這樣每kWh熱水量可生產(chǎn)熱水15.6kg/kWh。例1中采用雙效煙氣機的排煙溫度115℃，煙氣溫度冷卻到50℃，可回收熱量139.7kW，則可生產(chǎn)2179kg/h 60℃熱水。根據文獻[2]計算公式，這些熱水量可供70個(gè)床位醫院的熱水供應。

煙氣余熱可作游泳池的補充加熱用。其熱量用于補充池水蒸發(fā)和池壁、管道、設備等傳熱損失，以及游泳池補充水的加熱。

二，排煙余熱作熱泵的低位熱源。熱泵有吸收式熱泵和電驅動(dòng)熱泵。燃氣發(fā)電機組排出的高溫煙氣作煙氣型吸收式熱泵的驅動(dòng)熱源，其排煙經(jīng)熱交換器加熱中間介質(zhì)（如水），從而把煙氣溫度降到30℃左右。中間介質(zhì)把從排煙中回收的顯熱和潛熱轉移給熱泵的蒸發(fā)器，熱泵產(chǎn)出中間溫度（低于高溫煙氣溫度，高于排放煙氣溫度）熱水供建筑采暖。從而把發(fā)電機組煙氣中的熱量（包括顯熱和潛熱）幾乎全部利用了。熱泵同時(shí)配置有其他低位熱源，如江河水、地下水、土壤、城市污水等。這低位熱源也是吸收式熱泵在夏季改為制冷運行時(shí)的冷卻介質(zhì)。在夏季制冷運行時(shí)，煙氣機的排煙余熱就不利用了。

電動(dòng)熱泵可以是發(fā)電機組所發(fā)的電驅動(dòng)或由市電網(wǎng)的電驅動(dòng)。發(fā)電機組的高溫煙氣驅動(dòng)煙氣型吸收式冷熱水機組，夏季供冷，冬季供熱。煙氣機在冬季運行時(shí)的排煙通過(guò)熱交換器回收其中的顯熱與潛熱，作電動(dòng)熱泵的低位熱源。電動(dòng)熱泵在夏季進(jìn)行制冷，煙氣機的排煙余熱不再利用。

三，排煙余熱作除濕機熱源。利用物質(zhì)吸收或吸附的原理均可以實(shí)現對空氣除濕（或稱(chēng)去濕、干燥）。但溶液或吸附劑吸收或吸附水分后需要用熱量來(lái)去除所吸收或吸附的水分，稱(chēng)為再生。目前用于建筑中空氣除濕的氯化鋰轉輪式除濕機通常需要120℃的空氣來(lái)驅除所吸收的水分。一般都采用蒸汽、電作能源來(lái)加熱再生用的空氣。生空氣（即室外空氣）經(jīng)熱交換器被排煙所加熱，要求加熱到120℃。如因排煙溫度低而無(wú)法加熱到此溫度時(shí)，也可以加熱到低于120℃的某個(gè)溫度，但此時(shí)除濕機的除濕能力降低?？諝饨?jīng)除濕機去濕后，溫度升高，因此需設空氣冷卻器對空氣進(jìn)行冷卻。這種系統不僅適宜用于空調中對新風(fēng)進(jìn)行除濕，

很適宜用于要求低濕的環(huán)境，如餅干、糖果等食品生產(chǎn)，一些藥品生產(chǎn)過(guò)程，化工、軍工、電子工業(yè)等需要低濕環(huán)境的工藝。

所以，一，當煙氣用于制冷時(shí)，采用高性能的煙氣機將有效地提高冷熱電聯(lián)供系統的能源綜合利用率。分別計算兩種煙氣溫度約300℃的發(fā)電機組，采用高性能煙氣機后，可使能源綜合利用率分別提高6個(gè)和13個(gè)百分點(diǎn)。

二，煙氣機的排煙溫度一般都在100℃以上，蘊藏著(zhù)大量的潛熱和余熱，充分利用這些熱量，將有效地提高冷熱電聯(lián)供系統的能源綜合利用率。

三，排煙余熱回收后可用作熱水供應、熱泵的低位熱源、空氣吸收或吸附除濕的再生熱量或其他工農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程用熱。