宋丹丹

上海舜卓能源科技有限公司

引言

得益于規(guī)模經(jīng)濟效益和系統(tǒng)互聯(lián)帶來的可靠性，集中式供能系統(tǒng)在我國一直處于主流地位[1]，但存在污染嚴重、靈活性差、輸配電損耗高、因故障容易大面積停電等問題[2]。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求的增長，為解決傳統(tǒng)集中式供能的一些弊端，發(fā)展分布式能源已成為我國能源發(fā)展的新趨勢[3]。

1998年，中國建成第一個分布式能源，2010年后，我國出臺針對分布式能源的產(chǎn)業(yè)政策，“十二五”后，以天然氣和光伏為代表的分布式能源發(fā)展迅速，相關產(chǎn)業(yè)政策也密集出臺。燃料多樣性和本地化對分布式能源具有推動作用，政策和技術進步為分布式能源發(fā)展創(chuàng)造了新的動力。[1]

分布式能源相對于傳統(tǒng)集中式能源具有開放程度高,多能源耦合能力強的特點，以滿足用戶的多種能量需求和其他性能要求[4]。本文基于天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵各自的設備特點，提出適用于不同工況需求的分布式復合供能系統(tǒng)，建立熱力學模型，對比現(xiàn)有常規(guī)分產(chǎn)供能系統(tǒng)對該系統(tǒng)進行能量分析和?分析，并討論不同參數(shù)變化對于系統(tǒng)效率的影響，為本復合系統(tǒng)的應用設計作理論參考。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)機組工作原理

如圖2所示，熱泵技術是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來的一種制熱技術。實質上是一種能源采掘機械，以消耗一部分高質能（機械能、電能或高溫熱能等）為補償，通過熱力循環(huán)，把環(huán)境介質（水、空氣、土地）中儲存的低質能量發(fā)掘進行利用。空氣源熱泵系統(tǒng)通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫熱源，經(jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫熱源，用來?。ü┡凸獰崴甗5]。目前，熱泵機組的供熱系數(shù)在3～5之間。

1 復合供能系統(tǒng)研究

1.1 主設備介紹

對于一般工業(yè)、數(shù)據(jù)中心、綜合商業(yè)體、大型醫(yī)院等用戶，這些用戶對冷、熱、電有較大且較穩(wěn)定、連續(xù)的負荷需求，通常采用燃氣輪機和內(nèi)燃機作為分布式能源的原動機，但對于酒店、游泳池、養(yǎng)老院、健身房等小型用戶，能源需求量較小，且隨晝夜、季節(jié)、營業(yè)時間等的變化有較大的波動，可選用微燃機或分布式熱電聯(lián)產(chǎn)設備優(yōu)化供能系統(tǒng)。

因綜合效率高、噪音值低、排放量低，本文選擇分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機組為主機，其工作原理如圖1所示。機組主要包含天然氣發(fā)動機，通過交流發(fā)電機發(fā)電，內(nèi)燃機和發(fā)電機產(chǎn)生的廢熱通過高效熱交換器回收并最終以熱水的形式提供給客戶端，以意大利熱電聯(lián)產(chǎn)機組TOTEM為例，機組噪音為61d B(A)，NOx（5%O2）＜10ppm，綜合效率可達97%，具有集成化程度高，占地小，使用靈活方便的特點。

圖2 空氣源熱泵工作原理

2.2 復合供能系統(tǒng)工藝流程

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵均為發(fā)展已久的成熟產(chǎn)品，但單獨應用，前者為固定的熱電比輸出，后者為單一熱能輸出，且有低溫環(huán)境易結霜和運行效率降低等不足，兩者相互結合所形成的復合供能系統(tǒng)可以較好地彌補不足，使其具有更廣泛的應用。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵有以下三種復合供能方式：

（1）熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵獨立運行

如圖3所示，熱電聯(lián)產(chǎn)機組為系統(tǒng)主要供能設備，通過燃燒天然氣推動活塞做功，并帶動發(fā)電機發(fā)電，煙氣及發(fā)電機余熱通過換熱器回收的熱水，為用戶提供基本的電力和熱水用能負荷并優(yōu)先予以使用，空氣源熱泵由市電供電并與市電共同承擔調峰及備用的責任，電力不足部分由市電供給，熱水不足部分由熱泵補給，共同滿足用戶負荷需求。

圖3 熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵獨立運行流程圖

圖4 熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵串聯(lián)運行流程圖

熱電聯(lián)產(chǎn)機組與熱泵的復合供能與傳統(tǒng)市電+燃氣鍋爐的供能方式相比，具有能源利用效率高，節(jié)能減排量大，運行經(jīng)濟效益好等顯著優(yōu)勢，當氣/電價比大于7.23時（燃氣鍋爐效率取90%，燃氣低位熱值取33MJ/Nm3），市電與燃氣鍋爐的運行經(jīng)濟效益更優(yōu)。該供能方式相對于單獨熱電聯(lián)產(chǎn)設備，可以提供更大的熱負荷，適用于熱電負荷比較大的用戶；另一方面，系統(tǒng)安全性及調節(jié)性更高，熱電聯(lián)產(chǎn)機組滿足相對穩(wěn)定的用能負荷，熱泵可根據(jù)用戶的用能波動來作及時的調節(jié)輸出，同時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組和熱泵可相互備用，以應對緊急故障等狀態(tài)。

（2）熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵串聯(lián)運行

如圖4所示，熱電聯(lián)產(chǎn)機組通過燃燒天然氣推動活塞做功，并帶動發(fā)電機發(fā)電，煙氣及發(fā)電機余熱通過換熱器回收的熱水，所產(chǎn)電力接入電網(wǎng)并入市電網(wǎng)滿足用戶電負荷；所出熱水進一步加熱空氣源熱泵出水，提升熱品味，適用于有更高熱源溫度需求的用戶。

（3）熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵并聯(lián)運行

如圖5所示，熱電聯(lián)產(chǎn)機組通過燃燒天然氣推動活塞做功，并帶動發(fā)電機發(fā)電。煙氣和發(fā)電機余熱通過換熱器回收的熱水，所產(chǎn)電力除供給熱泵和系統(tǒng)自耗電外其余并入電網(wǎng)，滿足用戶用電，熱電聯(lián)產(chǎn)機組和熱泵滿足用戶用熱。該供能系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)有可調的熱電比輸出，適用性更為廣泛，可根據(jù)用戶不同時間段內(nèi)的不同負荷及時調整。

圖5 熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵并聯(lián)運行流程圖

2.3 系統(tǒng)熱力學模型

將熱電聯(lián)產(chǎn)機組和熱泵機組視作黑匣子處理，本復合供能系統(tǒng)的模型能量流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)供能流程圖

Qf—天然氣輸入能量；η—熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱損失率；Qh—熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱水輸出熱量；Pe—熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量；α—熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量并網(wǎng)系數(shù)；Q0—環(huán)境輸入熱量；Qh—熱泵機組輸出熱量；η3—熱泵機組熱損失率;T0—環(huán)境溫度；Tp—排煙溫度；Th—熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)出熱水溫度；Th—熱泵機組產(chǎn)出熱水溫度。

為方便系統(tǒng)分析，假定系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，而且設備效率穩(wěn)定不變。熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量Pe與燃氣輸入量Qf之間存在關系式：

空氣源熱泵機組產(chǎn)熱量Qh與輸入電量之間存在關系式：

COP為空氣源熱泵機組制熱能效比，為設備性能參數(shù)。參考文獻[6]的動態(tài)仿真模擬，上海地區(qū)供熱COP全年平均可達3.25。

根據(jù)燃氣冷熱電聯(lián)供工程技術規(guī)程，系統(tǒng)的能源利用效率為有效利用的能量與消耗的總能量之比：

系統(tǒng)的?分析能將能量中的“質”與“量”有機結合在一起，真實體現(xiàn)能量轉化過程中能量的“貶值”過程。因空氣源熱泵機組是以大氣環(huán)境為低溫熱源的，相對于基準環(huán)境，環(huán)境輸入系統(tǒng)的?流為0[7]。由圖4可知，復合供能系統(tǒng)所含總?即為天然氣輸入?，系統(tǒng)對外輸出可利用?，有熱電聯(lián)產(chǎn)機組的發(fā)電量?、熱水?、空氣源熱泵的熱?。

電?與電能相等，單位時間內(nèi)系統(tǒng)輸出的電?Ee=Pe；

熱電聯(lián)產(chǎn)機組所輸出的熱?

空氣源熱泵機組所輸出的熱?

系統(tǒng)的?效率可定義為系統(tǒng)有效輸出?與輸入總?之比：

2.4 系統(tǒng)熱力學分析

本系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表1所示，表2為熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量不同并網(wǎng)比例條件下的能量與?分析，總體而言，因有熱泵的配置，三個不同系統(tǒng)的能源利用率很高。從?的利用角度來看，電能可以完全轉換為有用功，電能等于電?，發(fā)電量可以提高系統(tǒng)的?效率，因此對于燃氣分布式能源系統(tǒng)，燃氣的化學能首先用于制取電力；再者，隨著α的減小，即有更多的發(fā)電量通過熱泵轉化為低品位的熱能，故?效率不斷下降，但能源利用產(chǎn)出率不斷增加。

因空氣源熱泵把空氣中的熱量通過冷媒搬運至水中，是提高能量品味而非能量轉換的過程，故配置有熱泵的供能系統(tǒng)綜合能源利用率均可達到100%以上，同時因熱電聯(lián)產(chǎn)設備對能源進行了高效梯級回收利用，因此復合供能系統(tǒng)的能源利用率大于傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)；本系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)設備機組發(fā)電效率低于市電發(fā)電效率，熱泵機組制熱能效高，因而市電使用占比越大的系統(tǒng)電?效率越高，熱泵使用占比越大的系統(tǒng)熱?效率越高；但就總?效率而言，當α=的供能系統(tǒng)?效率最高，究其根本，盡管分產(chǎn)系統(tǒng)供電或供熱時單獨?效率較高，但因其獨立性，能源轉換過程和運輸過程中有大量能量以廢熱形式排入環(huán)境，使之系統(tǒng)?效率較低。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)表

表2 系統(tǒng)能量和?利用率

假定用戶端所需電量負荷為25kW，熱負荷為131.45kW，傳統(tǒng)分產(chǎn)供能方式以常規(guī)的市電+燃氣鍋爐、市電+燃氣熱泵為代表（取市電發(fā)電效率為40%，線路損失率6.4%，燃氣鍋爐效率90%，熱泵COP3.25），與不同并網(wǎng)電力系數(shù)下的復合供能方式作分析，對能量與?利用方面進行對比，當0≤α＜1時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組所發(fā)電力部分驅動熱泵，不足的電力則由市電供給，當α=時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱水產(chǎn)量不足以滿足熱需求，則由熱泵機組滿足。對比結果見圖7。

2.5 復合供能系統(tǒng)效率影響因素分析

復合供能系統(tǒng)對于能源利用效率主要取決于設備性能及運行工況，對于設備固有性能可變性較小，故從環(huán)境溫度、電力分配比例、熱水出水溫度三個變化因素對復合供能系統(tǒng)的能量利用和?效率進行分析。

以α=0.5系統(tǒng)為例，當環(huán)境溫度變化時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量變化忽略不計，此時，系統(tǒng)電?效率不變，熱?效率隨著環(huán)境溫度的升高而降低，總?效率亦隨環(huán)境溫度的升高而降低；熱泵機組COP隨環(huán)境溫度降低而降低，故能源利用效率與環(huán)境溫度成正比，但COP并非線性變化，所以熱泵的熱?和熱輸出功率亦非線性，最終表現(xiàn)曲線的能源利用率和?效率，詳見圖8。

圖7 不同供能方式能量與?效率對比

圖8 環(huán)境溫度對系統(tǒng)效率影響圖

在一定的環(huán)境條件下，當發(fā)電量并網(wǎng)系數(shù)α減小時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量更多部分用于驅動熱泵獲取熱能，系統(tǒng)的能源利用率得到提高，推導可知能源利用率變化曲線斜率為，但隨著高品位電能轉化為低品位熱能，?效率不斷下降，變化斜率為，并網(wǎng)系數(shù)與系統(tǒng)效率曲線詳見圖9。

圖9 電力并網(wǎng)系數(shù)對系統(tǒng)效率影響

當提高設備熱水出水溫度時，也即采用上文所闡述的復合供能系統(tǒng)方式三，熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵機組串聯(lián)運行。此時，出水溫度的變化對于換熱器換熱效率影響很小，故系統(tǒng)能源利用率可認為保持不變；但是熱水溫度的提高實質是提高熱能的品味，因此，系統(tǒng)的?利用率得到提高，?效率隨著出水溫度的上升而變大，因出水溫度取值間隔較大，?效率曲線近似為直線顯示，如圖10所示。

圖10 熱水出水溫度對系統(tǒng)效率影響

3 小結

本文提出了天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與空氣源熱泵結合使用的復合供能系統(tǒng)，闡述了在不同負荷需求下符合供能系統(tǒng)的應用：

（1）當用戶端熱負荷與電負荷需求均大于熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)出，建議采用方式一，熱電聯(lián)產(chǎn)機組盡量全負荷運行供應基本負荷部分，波動部分由市電與熱泵來調節(jié)以滿足熱電需求；（2）當用戶端熱電負荷隨晝夜、季節(jié)等時間波動較大，可選用方式三，熱電比可調范圍大，動態(tài)特性好，匹配度較高；（3）若用戶端熱水溫度要求高，可采用方式二熱電聯(lián)產(chǎn)機組與熱泵串聯(lián)，提高空氣源熱泵出水溫度，提升熱品味。

由熱力學分析得知不同因素的變化對復合系統(tǒng)的能源利用率與?效率產(chǎn)生不同的影響：

（1）與傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)相比，復合供能系統(tǒng)具有較高的綜合能源利用率及?效率；（2）熱電聯(lián)產(chǎn)機組電力并網(wǎng)系數(shù)α固定，當環(huán)境溫度升高時，系統(tǒng)綜合能源利用率提高，?效率下降；（3）在一定的運行工況環(huán)境下，當熱電聯(lián)產(chǎn)機組電力并網(wǎng)系數(shù)α變大時，系統(tǒng)能源利用率線性下降，?效率線性增長；（4）當系統(tǒng)熱水出水溫度提高時，系統(tǒng)能源利用率保持不變，但?效率隨之提升。

實際工程運用中，應具體分析用戶特定的用能需求，結合各不同系統(tǒng)的特點，以優(yōu)化供能方式，充分發(fā)揮設備特性，提高能源有效利用率。