【HVAC】从公共建筑实际能源需求分析冷热电三联供技术的可应用性
冷热电三联供(CCHP)作为一种分布式供能技术，通过回收余热用于供热与制冷实现能源的梯级利用，可以同时提供冷、热、电3种能量，将能源利用效率从普通火力发电的40%左右提升至70%～90%。该技术在多个国家得到了广泛应用，美、日、欧盟陆续出台了冷热电三联供和热电联供(CHP)的发展规划、鼓励与保护政策，分布式能源技术在这些国家的应用发展十分迅速。我国对楼宇型冷热电三联供项目的支持与发展力度越来越强，根据国家发展和改革委员会颁布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，到“十三五”末，全国要实现分布式能源系统装机规模达5 000万kW，在全国规模以上城市得到广泛应用。
然而多项调研结果表明，目前国内已投入运行的燃气冷热电三联供系统试点运行效果均不太理想。杨干等人研究指出，我国已建成的40多个以冷热电三联供系统为主的天然气分布式能源项目有半数因效益、技术等问题处于停运状态；李永红调研发现，上海黄浦区中心医院、浦东国际机场、北京燃气集团调压站、北京燃气调度指挥大楼均由于设备容量配置过大，造成联供机组运行效率低或经济性较差，导致系统停置搁用或根本无法运行的情况。我国对冷热电三联供系统发展的鼓励政策日益增多，发展环境日益规范，而实际试点的系统的运行状况却差强人意，这引起了学者们的重视。李永红和张文等人分别提出了带蓄能装置的楼宇冷热电三联供系统方案，通过建模计算，得出了其相对于传统方案在某些条件下可以提高机组效率的结论；李辉通过实验证实了热网和联产系统以电定热的可行性；康书硕、Wang和Li等人采用不同的方法对CCHP系统进行建模，针对不同案例给出了设备配置、系统方案、运行方式的优化结果。
目前，对于冷热电三联供系统应用的研究多集中在系统设计、系统运行的建模优化等方面，然而这些研究其实只是锦上添花，对于冷热电三联供系统而言，最基本的问题在于建筑对于这些能源需求的波动性与联供系统供能的稳定性之间的矛盾。因此，建筑的冷热电负荷需求特征是否适宜联供系统的能源供应特征是更值得研究探讨的问题。笔者在办公建筑、商场建筑、宾馆饭店建筑、综合建筑这4种公共建筑类型中，分别选取1栋实际运行的建筑作为典型建筑，以建筑能耗计量系统监测数据为基础，在建筑真实的冷热电消耗状态下模拟联供系统的运行效果，并评价联供系统应用的节能性。
4栋典型建筑的热工分区覆盖寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区，收集的数据包括用电量、夏季供冷量、冬季供热量、生活热水热量等，从4栋典型建筑的能耗数据可以分析归纳出不同地区不同类型建筑冷热电需求的特点。在下文分析中，建筑的能源“负荷”“需求”，均以实际建筑的电、冷、热用量表示。为了方便比较以及使结论具有普适性，能耗数据统一以单位建筑面积消耗量(W/m2，kW·h/m2)表示。
1.1 寒冷地区办公建筑
选取的寒冷地区办公建筑的暖通空调系统夏季冷源为电制冷机，冬季热源为市政热网(有热计量装置)。该建筑全年耗电，耗电量较高时段为办公时间，有近2/3的时间电力负荷不高，低于5 W/m2，全年用电的尖峰值为22.3 W/m2。由于在寒冷地区，相较于夏季供冷需求，冬季供暖需求时间较长，供暖需求量较大，全年供暖约3 500 h，供冷约850 h，供暖时长约为供冷时长的4.1倍。其全年冷热电负荷如图1所示。
该建筑全年尖峰热负荷约为31.1 W/m2，尖峰冷负荷约为26.0 W/m2，与尖峰电负荷相差不大。但应注意，冷热电尖峰负荷的出现时间并不一致，夏季出现用电高峰是因为开启了电制冷空调系统。如果应用三联供系统，则夏季制冷机的电耗可以省去，考虑制冷机COP为5，参考冷量数据对电量数据进行修正，全年冷热电逐时负荷如图2所示。
由图2可见：冬季尖峰供暖需求约为供电需求的2～3倍，而夏季尖峰供冷需求约为供电需求的1.5倍；夏季供冷需求不连续，下班之后和周末近似为零。由于春季和秋季2个过渡季的存在，冷电量需求之比、热电量需求之比在全年中有较大幅度的变化。
1.2 夏热冬冷地区商场建筑
选取的夏热冬冷地区商场建筑的暖通空调系统夏季冷源为电制冷机，冬季热源为燃气锅炉。该建筑全年耗电，由于商场建筑营业时间长于办公建筑，因此全年有过半的时间电负荷高于10.0 W/m2，全年用电的尖峰值为34.0 W/m2。供冷供暖时长较为接近，全年供暖约1 700 h，供冷约2 400 h。全年冷热电负荷如图3所示。
该建筑全年尖峰热负荷约为48.4 W/m2，尖峰冷负荷约为45.3 W/m2，供冷供热尖峰负荷相近。如果采用三联供系统，则夏季制冷机的电耗可以省去，该项目实测制冷机COP较高，考虑制冷机COP以6.5计算，参考冷量数据对电量数据进行修正，全年冷热电逐时负荷如图4所示。由图4可见：冬季尖峰供暖需求约为供电需求的2.5～3倍，而夏季尖峰供冷需求可达到供电需求的近2倍。
1.3 夏热冬暖地区综合建筑
选取的夏热冬暖地区综合建筑包括商场和办公楼，其空调系统夏季冷源为电制冷机，冬季不供暖。由于办公楼中有数据机房存在，该建筑全年耗电，供冷时长8 760 h(冬季为数据机房供冷)，全年用电的尖峰值为56.6 W/m2。全年冷电负荷如图5所示。
该建筑全年尖峰冷负荷约为111.0 W/m2。如果采用三联供系统，则夏季制冷机的电耗可以省去，该项目实测制冷机COP较高，考虑制冷机COP以6.5计算，参考冷量数据对电量数据进行修正，全年冷电逐时负荷如图6所示，尖峰电负荷与尖峰冷负荷的出现时间基本一致，供冷需求与供电需求之比最大约为2，最小约为0.6。
1.4 寒冷地区宾馆饭店建筑
宾馆饭店建筑除冬季供暖、夏季供冷2种需求外，还存在供生活热水需求。选取的宾馆饭店建筑的暖通空调系统夏季冷源为电制冷机，冬季热源为市政热网，生活热水热源为燃气锅炉。该建筑的耗电量、耗冷量、耗热量全年逐时数据来自能耗计量系统，生活热水数据只有运行管理人员每日抄表所得的日供热量，经过观察发现冬季(11月至次年3月)与非冬季(4—10月)日供热量存在着明显的差异，为了不给数据分析的准确性造成太大的影响，采用冬季与非冬季2个时间段的平均生活热水用热负荷的估算值进行分析。该建筑全年耗电，供暖约3 400 h，供冷约2 400 h，全年尖峰电负荷约为28.5 W/m2，尖峰热负荷约为28.7 W/m2，尖峰冷负荷约为28.6 W/m2，冬季生活热水热负荷为2.75 W/m2，非冬季生活热水热负荷为3.77 W/m2。忽略制冷机耗电后的全年冷热电逐时负荷如图7所示，冬季供暖需求约为供电需求的2～3倍，而夏季供冷需求与供电需求基本一致。
1.5 建筑冷热电需求分析
通过分析上述4种不同类型、不同地区的建筑的能源需求，可以发现建筑对电力的需求全年相对较稳定，而供冷、供暖的需求随着季节的变化出现了较大幅度的波动，在过渡季节有可能会出现既无供冷需求又无供暖需求的情况，这意味着建筑的冷热需求与电力需求之比在全年有着大幅的变化，冷电比、热电比的波动范围在0～3之间。
而楼宇式冷热电三联供系统的不同能源供应比例的可调节性较差，通过烟气、缸套水、中冷水回收的余热总量与发电量的比例大致稳定在1∶1，否则只能通过浪费掉一部分余热来减小热电比，造成联供系统的热电效率下降。因此，联供系统的稳定能源供应与建筑波动的能源需求相适应的情况下，必定造成2种结果：一种是热电效率的下降；一种是供应能源的减少，也即需要辅助冷热源、电源进行补充。这2种结果对应着运行管理人员在实际中选择以电定热还是以热定电的运行模式。
以烟气型内燃机冷热电三联供方案为研究对象，对比电网供电+燃气锅炉供热+水冷式电制冷机供冷的分供方案。在烟气型内燃机冷热电三联供方案中，联供系统可以供应电量+夏季需冷量+生活热水需热量，或供应电量+冬季供暖需热量+生活热水需热量。在分供方案中，由电网供应建筑需求电量，水冷式电制冷机供应夏季需冷量，燃气锅炉供应冬季供暖需热量与生活热水需热量。
由于联供方案的输入能源为天然气，分供方案的输入能源为电力和天然气，为了方便比较，将分供方案的耗电量折算为发电效率55%的燃气电厂的耗气量。根据大量的工程实测可知，联供系统的发电效率达到40%、全热效率达到80%已属于难得的高效水平，用于联供系统中的烟气型溴化锂吸收机在无补燃的情况下制冷COP在0.8上下。燃气电厂发电效率、电网电损率均选取行业经验值。考虑项目的建筑体量均较大，设定燃气锅炉效率为90%，水冷式电制冷机的全年COP为4.5。联供、分供系统计算参数设定值如表1所示。
联供系统的运行可分为2种基本模式，即以热定电模式和以电定热模式。以热定电模式取热需求要求的发电量与电需求量中的小值作为实际发电量，这种运行模式下不需要独立冷却系统排出余热，热效率较高，但对一般建筑而言，也意味着在没有冷热需求的过渡季以及夏季的夜间，联供系统不能运行。以电定热模式则以满足电需求为主，其排出的余热尽量满足热需求，如果建筑热需求不大，则需要冷却系统排热，此种模式在没有冷热负荷的情况下运行全热效率很低。需要说明的是，对实际运行项目的调研发现，由于已经购买了发电机组，发电的边际成本变低，所以只要经济上有利就会运行发电机组发电，不会去考虑一次能源消耗是否合理。绝大部分的联供项目在经济因素的影响下实际是在以电定热的模式运行。
2.1 夏季与冬季设计工况下联供系统与分供系统的运行比较
夏季与冬季设计工况分别为建筑冷需求与热需求最大的工况，此种情况原则上联供系统的优势最大。由于上述4类建筑的尖峰热需求与电需求比例基本为2～3(夏热冬暖地区建筑除外)，尖峰冷需求与电需求比例基本在1.5以上，而联供系统可以提供的余热与电量比例接近1，考虑吸收机夏季COP为0.8，则联供系统热电比以1计算，冷电比以0.8计算，均小于需求热电比、冷电比，联供系统可以达到完全出力。冬季供应1 kW·h电量、1 kW·h热量，夏季供应1 kW·h电量、0.8 kW·h冷量联供系统和分供系统所需要的成本与折算的燃气量结果分别见表2，3。
从折算的消耗燃气量来看：冬季典型工况联供系统消耗燃气较分供系统要少，也就是热电联产模式下，联供系统更节能；而在夏季供冷工况下，联供系统消耗燃气反而较分供系统要多，更费能。造成夏季工况联供系统费能的原因是联供系统原动机发电效率与燃气电厂的差距太大，而余热制冷效率又太低，利用余热制得的冷量不足以弥补前者的差距。所以联供系统与分供系统相比，一次能耗是否降低的关键在于建筑的需求热量是否够多。
2.2 全年运行过程中联供系统与分供系统的运行比较
基于已有的能耗数据，对联供系统应用于4类典型建筑的情况分为联供系统以热定电运行与以电定热运行2种模式分别进行模拟。联供系统并网不上网，且在低谷电价时段不运行(因为成本的原因没有实际项目会在低谷电价时段运行)，笔者根据建筑的全年电负荷变化选取较稳定的基础负荷(一般为过渡季或冬季的最大电负荷)作为联供系统的最大容量。
首先考虑联供系统全年以保持全热效率最高的以热定电模式运行的情况。为了方便比较，计算出联供系统运行1年的供电、供冷、供热量和消耗的燃气量，以及分供系统供应同样多电、冷、热量所需要消耗的折算燃气量。具体结果如表4所示。
以热定电运行意味着联供系统的全热效率全年保持在最高效率80%，但是在商场建筑、综合建筑案例中，联供系统与分供系统相比，折算的燃气消耗量更多，这是因为这2个案例1个在夏热冬冷地区，1个在夏热冬暖地区，夏季的供冷需求非常大，而冬季的供暖需求小，夏热冬暖地区综合建筑甚至没有热需求。按照前文对夏季典型工况联供系统运行的分析，夏季运行联供系统更耗能，全年热需求越小，联供系统越不节能。而联供系统相比分供系统节省燃料最多的是宾馆饭店建筑，这不仅是因为其位于寒冷地区，更因为它存在着全年稳定的生活热水需求，全年热需求量大。
其次考虑4种建筑中的联供系统均以以电定热模式运行，得到的结果见表5。
由表5可见，大部分情况下联供系统以电定热模式的消耗燃气量要多于分供系统，只有宾馆饭店建筑联供系统相比分供系统节省燃料，但也较以热定电模式有所降低。
通过上述计算比较可以发现，在所选的4个建筑案例中，只有宾馆饭店建筑应用楼宇式冷热电三联供系统较常规分供系统存在较好的节能效果，而在办公建筑、商场建筑、综合建筑中节能效果均不明显，甚至比分供系统更耗能。究其原因，是冷热电三联供系统只有在存在供热需求时效率较分供系统更高，而这4类建筑中只有宾馆饭店建筑全年存在时间较长且较稳定的热需求(生活热水)。对于缺少热需求的建筑，楼宇式冷热电三联供技术的可应用性不佳。
本文根据不同热工分区的4栋不同类型建筑的能耗数据，对楼宇式冷热电三联供系统应用于这些建筑中的节能性进行了分析。通过建模计算发现，虽然冷热电三联供技术可以实现能源的梯级利用，使得一次能源利用效率达到80%以上，但是由于燃气电厂发电机组、电制冷机等设备技术的成熟，其效率已经达到非常高的水平，相比之下楼宇式联供系统的发电效率、制冷效率还非常低，发电+制冷工况下消耗的燃料要多于分供系统，实际更耗能，只有在发电+供热工况下才更节能。而由于办公建筑、商场建筑等建筑类型不存在稳定的热需求，热需求往往只集中在冬季，因而全年大部分时间内联供系统的运行均不节能。现实情况下，出于经济性的考虑，联供项目在实际运行过程中往往采取以电定热而非以热定电的运行模式，这更使得整个系统的一次能源利用率大大降低。
全文刊登于《暖通空调》2018年第7期
作者：清华大学 卢 地 魏庆芃
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