中信建筑設計研究總院有限公司 雷建平 陳焰華

摘  要：介紹冷熱電三聯供系統的原理、技術路徑、主要設備性能；結合建筑用能需求，從投資、能源消耗、冷熱電三類產品產出的經濟性等方面探討了以樓宇式冷熱電三聯供系統為核心能源站的配置原則，并給出了國內幾個典型樓宇式冷熱電三聯供系統配置方案。

關鍵詞：能源梯級利用，能源站，發電機組，余熱，蓄能

1、概述

近15年來，全國建筑規模呈不斷擴大之勢，建筑能耗也逐年上升。自1996年至2008年，我國總的建筑商品能耗從2.59億tce（噸標煤）增長到了6.55億tce，其中2008年建筑總能耗占社會總能耗的23%。2011年，全國建筑總面積為469億m²,建筑能耗則為6.87億tce，占社會總能耗的19.74%；公共建筑面積為80億m²，不含北方采暖在內的公共建筑能耗為1.71億tce，占建筑總能耗的24.8%。

普通公共建筑電耗強度在50~70 kWh/m²之間，而設置了集中空調系統、建筑面積超過2萬m²大型公共建筑的電耗強度更高，在120~180 kWh/m²之間。我國電力的生產以火電為主，2011年全國平均火電發電煤耗標準為0.308kgce/kWh，發電效率約為40%。公共建筑空調制冷主要消耗電力，這意味著空調用電制冷其一次能源的利用率不到40%；非集中采暖區的供熱系統多以燃燒天然氣的鍋爐為主，雖然其一次能源的利用率超過85%，但僅通過燃燒方式、將清潔、高品位的天然氣用作僅有20℃左右低品位需求的室內供暖，沒有充分發揮天然氣在節能減排中的優勢作用，不符合“高質高用”的用能理念。

國家發改委、財政部、住房城鄉建設部、能源局4部委在2011年10月發布了“關于發展天然氣分布式能源的指導意見”，布置了在“十二五”期間建設1000個天然氣分布式能源項目的任務；2012年7月，由住房城鄉建設部發布的《全國城鎮燃氣發展“十二五”規劃》提出分布式能源項目的用氣量達到120億立方米；這些政策導向都是為了大幅提高一次能源的利用效率，作為國家節能減排的重要措施之一，同時也為我們在建筑園區的供能系統配置提供了一種新的思路。

2、能源梯級利用原理及技術路徑

能源梯級利用的原則是“溫度對口，品位對應”，天然氣分布式能源利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供的方式實現能源的梯級利用：高品位的天然氣（“1000℃”）首先通過動力設備發電，動力設備排放的煙氣為中溫余熱（“400℃”）可通過余熱鍋爐產生蒸汽、也可直接驅動LiBr機組制冷，中溫余熱利用完后成為低溫余熱，可直接通過換熱或熱泵吸收作為生活熱水的熱源；能源利用效率在70%以上，一般可以超過80%。由于分布式能源在負荷中心就近建設，能大大減少能源的輸送中的損失，與傳統集中設置大型電廠的供能方式相比，天然氣分布式能源具有能效高、清潔環保、安全性好、削峰填谷、良好的經濟效益等優點。

以一臺Caterpillar發電量為750kW的內燃機為例，其各部分能量占比如下：電能占35%、缸套冷卻水占25%、中冷水占5%、可回收的煙氣余熱占18%、尾氣散失占10%（排煙溫度120℃）、機體輻射及機械損耗各占2%、潤滑油冷卻占3%；采用簡單的換熱回收設備或吸收式LiBr機組就可將一次能源的利用率提高到78%；如果采用對尾氣、中冷水的余熱深度利用技術，很容易將一次能源利用率提高到85%，節能意義重大。

能源梯級利用圍繞電力、煙氣與缸套水展開，主要設備有煙氣熱水型吸收式LiBr機組、煙氣熱水換熱器、LiBr吸收式熱泵機組、電動壓縮式冷水機組與熱泵機組；同時為提高系統的經濟效益，在空調冷熱源系統的配置上，應重點考慮蓄能系統的配置，而高溫相變蓄熱會有更好的應用空間；對余熱利用而言，空調蓄能系統的作用不亞于困擾分布式能源系統發展的“電力上網”問題。

3、動力（發電）設備性能及變工況特性

動力發電設備主要有燃氣內燃機、燃氣輪機和微燃機（微型燃氣輪機），各類機組的容量、發電效率、啟動性能、余熱特性均有較大的不同，應用于不同需求的分布式能源系統。

3.1燃氣內燃機

內燃機燃料燃燒是在產生動力的氣缸內完成的，其余熱由兩部分構成：一部分為作功發電后的排出的廢棄煙氣，溫度在400~600℃之間，占系統總輸入燃料能量的28%左右，其中18%為可利用部分（10%一般以120℃的尾氣排放，也可采用技術組合方案進行深度利用，將排氣溫度降至40℃以下）；另一部分為保證內燃機正常工作溫度，通過水冷冷卻系統帶走氣缸蓋、氣缸及氣門的熱量，稱之為缸套水和中冷水余熱，溫度一般在80~120℃之間，缸套水余熱占比約25%，中冷水占比為5%。

燃氣內燃機因功率范圍適中，發電效率高，啟動速度快，部分負荷性能好、余熱利用方式簡單可靠，是樓宇式天然氣冷熱電三聯供系統中最常用到的發電動力設備。下表為典型1~4MW級別燃氣內燃機的性能參數。

機型

品牌

卡特彼勒

GE顏巴赫

單位

G3508LE

G3612SITA

G3616SITA

JMS616

JMS620

JMS624

發電功率

kW

1025

2400

3385

2745

3430

4401

發電效率

%

34.1

36.1

36.5

43.4

44.9

45.4

煙氣溫度

℃

445

450

446

390

390

368

煙氣熱量

kW

611

1511

2068

2768

3461

4491

缸套水出口溫度

℃

99

88

88

95

95

95

缸套水熱量

kW

816

616

829

1437

1797

2332

3.1燃氣輪機

燃氣輪機由葉輪式空氣壓縮機（壓氣機）、燃燒室和燃氣渦輪三部分組成。壓氣機將壓縮空氣送入燃燒室，同時也將燃氣經噴嘴噴入燃燒室內；燃燒室內發生定壓燃燒過程所產生高溫高壓氣體進入渦輪膨脹做功，推動渦輪轉子旋轉發出機械功，其中約2/3的機械功帶動壓氣機葉輪旋轉，其余部分用來驅動發電機發電；渦輪的排煙溫度在450~650℃之間，為燃氣輪機系統的余熱部分。

燃氣輪機的發電效率在20~34%之間，航改型在26~45%之間，如果采用蒸汽聯合循環系統，其發電效率可提高至47~55%。

燃氣輪機系統的余熱全部為高溫煙氣，雖然其應用相對簡單，便因其單機容量規模較大，而為了提高發電效率，其系統構造也復雜，在樓宇式分布式能源系統中的應用受到一定的限制；因此，近些年來，微燃機（微型燃氣輪機）得到了較好的開發，其產品也相當成熟。

3.1微燃機

微燃機是指發電功率在1000kW以下的小型燃氣輪機，其功率可以小至幾十千瓦。主要特點為燃氣輪機與發電機按一體化的原則設計，使整臺燃氣發電機組的尺寸顯著減小、單機效率達25~29%（研制目標40%）、環保性能好，NOx排放濃度可低至9ppm（研制目標7ppm），遠小于燃氣內燃機45~200ppm和燃氣輪機150~300ppm的NOx排放量。

生產廠家

Allied signal

Bowmen

IHI日產

NREC

Honeywell

產品型號

AS75

TG80CG

Dynajet2.6

Power work

Parallon75

發電功率（kw）

75

80

2.6

70

75

發電效率（%）

28.5

27

8～10

33

28.5

轉速（RPM）

6500

99750

100000

60000

65000

耗氣量（m³/h）

22.2

17.3

1.4

18.4

22.2

排氣溫度（℃）

250

300

250

200

250

NOx（ppm）

9～25

<9

-

<9

9～25

噪音（10m dB<A>）

65

75

55

-

65

4、能源系統配置原則

于2012年10月正式發布的《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范（GB50736-2012）新增的8.9節“燃氣冷熱電三聯供”和8.8節“區域供冷”給出了這兩類系統設計原則；對于三聯供系統，應按“以冷、熱負荷定發電量”的原則確定設備及系統的配置，也就是“以冷（熱）定電”；對于區域供冷系統，明確“應優先考慮利用分布式能源、熱電廠余熱作為制冷能源”。

與用電負荷匹配也是分布式供能系統設計的一個重要原則，應按以冷（熱）定電、冷（熱）電相平衡的原則確定，冷（熱）及電負荷的特性和大小應合理，機組的發電量宜自發、自用、自平衡。

4.1發電設備容量與臺數的確定

根據以冷（熱）定電的原則，發電設備的總容量應由空調冷熱負荷及其它熱負荷共同確定，這里所提到冷、熱負荷并不是指設計的冷熱負荷值，而應是根據經濟技術比較較后所選取相對穩定的基本冷熱負荷。

發電機組的最低負荷率一般只能調節到40%附近，以燃氣內燃機為例，當機組的發電功率從100%降低到40%時，機組缸套水供熱能力從100%降至78%、煙氣回收的熱量從100%降至48%，因此當發電功率下降60%時，缸套水供熱能力僅下降22%，煙氣回收的熱量則下降了52%。由于煙氣的溫度超過400℃，而缸套水的溫度不超過100℃，兩類余熱的品位有較大的差距，對于以“雙效煙氣-熱水余熱型吸收式LiBr機組”制冷作為余熱回收的主流三聯供系統來講，發電機組的變工況運行，除了發電效率下降外，對制冷的影響也很大；也正因為如此，發電設備的單機容量不能只考慮投資而盲目地過大，應結合各類負荷的“耦合與匹配”來確定。

4.2調峰設備

規范要求三聯供系統生產的電力以“自發自用”為原則，實現分布式能源的“分布式應用”，能源站內引入了充足的天然氣資源，因此調峰設備一般圍繞電力與天然氣而展開。

電制冷冷水機組因其調節能力強、效率高、投資成本低而作為空調制冷系統的主要調峰設備，為節省配電成本，一般采用大型高電壓離心式冷水機組；燃氣熱水（蒸汽）鍋爐房附建于能源站內，在功能布局上較容易處理，投資也較省，是典型的供熱調峰設備；另一類重要而極有價值的調峰設備是蓄能系統。

4.3蓄能系統

為保證三聯供系統的全年運行的經濟性，系統生產的冷熱電產能必須與建筑物的需求一致，要高度地吻合；通過精細化的系統方案設計，可以解決系統配置方面的主要矛盾，另一方面又由于建筑物的需求可能隨使用方式不同而存在較大的波動，采用蓄能系統可以很好地耦合建筑冷熱負荷的變化，可以應對任意復雜冷熱負荷的“波動曲線”，實現“靜態設計、動態運行、全程高效”；同時蓄能系統還能大幅降低發電系統的裝機容量，減少目前依籟進口發電設備的昂貴造價。

蓄能系統按用途分為蓄冷與蓄熱，按蓄能介質分為水蓄冷、水蓄熱、冰蓄冷、高溫相變材料蓄熱。

4.3.1水蓄熱與水蓄冷系統

典型水蓄熱及水蓄冷參數表

類別

蓄能水池水容積

溫差(℃)

蓄能溫度(℃)

回水溫度(℃)

蓄能量

系統運行小時數

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

　

蓄熱能力

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，水蓄熱系統有較大的潛力與削峰能力，1m³水蓄熱的削峰能力可以達到5kW，具有明顯的應用價值；與水蓄熱系統相比，水蓄冷系統的削峰能力只有蓄熱系統的20%：1m³水蓄冷的削峰能力為1kW。由于蓄能系統的目的是儲存發電機組的低品位余熱，而余熱制冷的極限溫度不能低于5℃，這是限制水蓄冷能力的主要原因。系統配置上，原則不主張用電制冷機組來制備更低的冷凍水來蓄冷，只有在余熱被全部利用完，電力無法利用或不能上網的前提下，才可以考慮用電制冷來蓄冷。利用煙氣余熱制冷的大規模水蓄系統需要設體積巨大的水箱，但當有條件設置時，對整個系統的優化作用相當大，上海國院旅游度假區核心區（上海迪斯尼）的分布式三聯供系統在設計上采用兩個直徑20米，凈高19米的水罐蓄冷，總的水蓄冷積容達12000m³、蓄冷量達128MWH，蓄冷系統負擔的冷負荷為15.2MW，占84MW總冷負荷的18.1%，需要特別指出的是，水蓄冷系統。

4.3.2冰蓄冷

在三聯供系統中，冰蓄冷系統只用在電力有富裕、電力不能上網或者因上網電價過低而經濟性不好時。目前電力上網的價格不是很高，要發電不虧損基本靠政府補貼，從能源管理公司的角度分析，在保證經濟性最好的前提下，冰蓄冷系統還是有可行之處。

下表為在天然氣價格3元/ Nm³、每Nm³天然氣發電量為4.1kWh（發電效率45%）、可售電量3.772 kWh（LiBr系統消耗電力的8%）、上網電價0.636元/kWh、冷熱價格按0.53元/kWh的條件下計算的不同售電模式下，能源站的銷售與收入對比。

三聯供系統在不同售電模式下經濟性分析

 

運行模式

賣電收益(元)

余熱制冷量(kWh)

冷價(武漢0.48～0.6)

余熱冷量收益(元)

用電制冷量[電冷系統COP：3.5,蓄冰系統COP：2.2](kWh)

電制冷量收益
(元)

總收益(元)

益利(元)

與賣電比較增收率

賣電

2.40

5.28

0.53

2.80

　

　

5.20

2.20

　

用電制冷

　

5.28

0.53

2.80

13.20

7.00

9.80

6.80

88%

用電制冰

　

5.28

0.53

2.80

8.30

4.40

7.20

4.20

38%

4.4余熱深度回收系統

天然氣的主要成分是甲烷，燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸汽，水蒸汽的氣化潛熱占天然氣高位發熱量的比例達到10~11%。《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》確定的煙氣最高排放溫度為120℃，在這一工況下，余熱利用的方式最簡潔，但煙氣中水蒸汽潛熱無法得到應用；有效利用水蒸汽的潛熱，將大幅提高三聯供系統一次能源的利用效率。

余熱深度利用的技術路線有兩大類，一類是采用間壁式換熱器與煙氣換熱間接換熱，降低煙氣的排煙溫度，并直接將熱媒介質水進行加熱，排煙溫度受熱媒介質水溫度的限制而不會低于60℃。

另一類是首先采用直接接觸式冷凝換熱設備，利用吸收能力很強的鹽溶液（如LiBr溶液）或水與高溫煙氣換熱，可以將排煙溫度降到40℃以下，甚至更低；然后利用第一類吸收式熱泵、第二類吸收式熱泵（升溫型）或水源熱泵機組吸收溶液或水中的低品熱能，第一類雙效吸收式熱泵的溫升上限可達到84℃，第二類吸收式熱泵的溫升上限可達到135℃。文獻5介紹了“一種天然氣冷熱電聯供的煙氣低溫端熱利用系統及其操作方法”的專利，該專利所介紹的裝置讓天燃氣在燃燒前先經過液化處理，再用生活冷水噴淋冷卻煙氣，直接吸收煙氣的余熱；文獻6介紹了用填料塔式、液柱式及液膜式冷凝換熱器用水直接與煙氣接觸換熱。

5、樓宇式冷熱電三聯供系統案例簡介

5.1上海國際旅游度假區核心區（上海迪斯尼）

上海國際旅游度假區核心區占地為7.0km²，一期建設用地為3.9 km²，為主題樂園、兩座酒店及零售餐飲娛樂區；一期集中空調冷熱負荷由用戶提供的逐月負荷曲線確定，并按兩個階段實施，第一階段供冷系統規模為60MW，供熱規模為30MW，到第二階段，供冷系統規模擴大到84MW，供熱規模擴大到45MW。

分布式能源系統擬配置8臺JMS624GS-N.L型內燃機發電機組，單臺發電量為4401kW，發電效率為45.4%；集中空調采用四管制設計，能源站內冷凍水供回水溫度為6/15.6℃,熱水供回水溫度為90/65.5℃。

冷源系統采用8臺煙氣熱水型LiBr吸收式冷熱水機組回收煙氣及鋼套水的余熱（單機制冷量為3.68MW，制熱量為4MW），同時配置5臺單機制冷量為6.33MW和2臺單機制冷量為3.17MW的高電壓離心式冷水機組作為制冷設備，另設兩個直徑20米，凈高19米的水罐蓄冷（總蓄冷積容12000m³，蓄冷量128MWH），蓄冷水溫為6℃，負擔冷負荷為15.2MW，占84MW總冷負荷的18.1%。

熱源系統主系統為8臺煙氣熱水型LiBr吸收式冷熱水機組，設2臺產熱量為8.4MW的熱水鍋爐用為調峰設備，并另設直徑9米，凈高19米的水罐蓄熱（總蓄熱積容1000m³，蓄冷量29MWH），蓄熱水溫為90℃，負擔熱負荷3.6MW，約占總熱負荷的8%左右。

冷凍水及熱水循環系統采用二級泵系統，由于蓄能系統采用LiBr機組的直接出水蓄存，中間不設板式換熱器，系統定壓由蓄能水箱兼用，建筑園區內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，因此設水位自控裝置來控制蓄能水箱的液面高度，這也是為充分利用低品位余熱而出現的一個新課題。

5.2 武漢創意天地分布式能源站

“華電集團湖北武漢創意天地分布式能源站項目”在國家發改委國家“發改能源[2012]1571號文”公布的“首批國家天然氣分布式能源示范項目”的4個中是規模最大，發電設備總容量為19.16MW；由于武漢地處“西氣東輸”管線的中心位置，創意天地分布式能源站的成果建設具有重要示范作用。

創意天地建筑園區內容包括10幢辦公樓、11幢創意公坊、6幢藝術家工作室及6幢小型商業，另設一座特色酒店、美術館及小型劇場各一座，總建筑面積約28.8萬m²，空調系統設計裝機總冷負荷為29.4MW，總熱負荷為17.5MW。

發電動力設備采用GE-JMS624型燃氣內燃機4臺（另預留一臺設備安裝位置），單機出力為4MW；空調冷源系統初步設計采用了4臺單機制冷量為3.6MW的煙氣型LiBr吸收式冷熱水機組與4臺單機制冷量為3.5MW的高電壓離心式冷水機組，另設500m³蓄冷水箱可負擔約500kW的制冷量；空調熱源由三部分構成：4臺煙氣型LiBr吸收式冷熱水機組負擔7.2MW、板式換熱器回收發電機組缸套水余熱7.8MW、500m³蓄熱水箱負擔2.5MW。該項目最大的挑戰在于在項目投入運營的初期及低負荷時段內，制冷系統的需求與發電系統的調節是否能滿足經濟性的要求；本項目發電設備前期按安裝2臺建設，二期發電機組的容量與臺數可能會根據實際運行的需求及政策變動而有所調整。

 

參考文獻

[1]城市建設研究院、北京市煤氣熱力工程設計院有限公司.《燃氣冷熱電三聯供系統工程技術規程》（CJJ145-2010）北京：中國建筑工業出版社，2010

[2]上海市電力公司、上海市燃氣(集團)公司.《分布式供能系統工程技術規程》（DG/TJ08-115-2008）上海：2008

[3]中國建筑科學研究院.《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）北京：中國建筑工業出版社，2012

[4]金紅光等.《分布式冷熱電聯產系統裝置及其應用》北京：中國電力出版社，2010

[5]華賁.《天然氣冷熱電聯供能源系統》北京: 中國建筑工業出版社，2010

[6]車得福.《煙氣熱能梯級利用》 北京:化學工業出版社，2006

[7]江億.《天然氣熱電冷聯供技術及其應用》北京：中國建筑工業出版社，2008

 

雷建平，男，1971年2月生，工學學士，正高職高級工程師、高級程序員

        430014 武漢市江岸區四唯路8號 中信建筑設計研究總院有限公司

        Tel:（027）82739215

        E-mail:163099@163.com