冷熱電聯供系統熱經濟性評價方法比較

宋偉明

冷熱電聯供系統熱經濟性評價方法比較

宋偉明

中國大唐集團科學技術研究院有限公司

介紹了冷熱電聯供系統熱經濟性評價準則的研究進展狀況，比較了不同評價準則的優劣，指出了現有熱經濟性評價方法的不足，為更好地對冷熱電聯供系統進行熱經濟性評價指明了方向。

冷熱電聯供熱經濟性評價準則熱效率火用

0 引言

冷熱電聯供系統是一個多能量產品輸出系統，具有節約能源、保護環境、提高供熱供冷質量、增加電力供應等綜合效益。以典型天然氣冷熱電聯供系統為例，首先天然氣燃燒釋放高溫熱能，推動燃氣輪機或內燃機做功發電，做過功的較高溫度的余熱驅動吸收式制冷機通過制冷循環來供冷，較低溫度的余熱驅動熱泵或利用換熱器來供熱，從而實現對能源的階梯利用，提高能源的綜合利用效率。

為了評價不同冷熱電聯供系統的性能特征，比較不同系統的優劣，指導和優化系統設計，冷熱電聯供系統的熱經濟性評價成為研究的重點[1～2]。由于冷、熱、電是不同的產品，很難直接進行定量比較，目前的熱經濟性評價準則主要有傳統熱效率[3～16]、節能率[5～11，17～23]、火用效率[7～16，24～28]、經濟火用效率[7～9，15～16，28]、折合電效率[9～11，29]、當量電效率[11，30～31]、等效電效率[32～33]、以及能量梯級利用率[34～35]等幾種，這些評價準則根據不同的標準對冷熱電聯供系統進行性能評價，但不同評價準則的適用條件和應用范圍有一定差異，使用不同的評價準則會得到不同的結論，有些評價結論甚至相互矛盾[7～11]，因此選擇科學合理的冷熱電聯供系統熱經濟性評價準則非常關鍵。

1 冷熱電聯供系統熱經濟性評價準則

1.1傳統熱效率

傳統熱效率[3～16]是根據熱力學第一定律計算的能量利用效率，定義為冷熱電聯供系統的輸出能量與一次能源消耗量的比值，其中一次能源消耗量按燃料低位發熱量計算。

式中：η1為傳統熱效率；W為系統輸出電量；Qh為系統供熱量；Qc為系統供冷量；Q為系統一次能源消耗量。

傳統熱效率由于簡單、直觀，是評價冷熱電聯供系統性能時使用最為廣泛的評價準則之一。由于電的品質高，熱和冷的品質低，但傳統熱效率沒有對能源的品質進行區分，也沒有合理反映不同能源所消耗能量的分攤情況，它通常適用于單一功能系統，用于冷熱電聯供系統的性能評價是不科學的和不合理的。

在冷熱電聯供系統的實際應用中,經常通過補燃來調節冷、熱量的供應[35～36]，增加系統靈活性，若按傳統熱效率計算，補燃部分的效率超過90%。但補燃沒有體現能量的梯級利用，相當于直燃機或鍋爐，從提高能源有效使用的角度上看，補燃是不值得提倡的，而傳統熱效率并不能真正反映系統能源利用的實際情況。因此在傳統熱效率的計算公式中，系統供熱量應扣除補燃產生的熱量，系統供冷量應扣除補燃產生的冷量。

1.2節能率

節能率[5～11，17～23]也是建立在熱力學第一定律基礎上的熱經濟性分析方法。評價冷熱電聯供系統的節能情況，可以采用在供熱期或供冷期，按供應相同熱量、冷量和電量的狀況下，冷熱電聯供方式相對于冷熱電分供系統（電網供電、鍋爐供熱、電制冷機供冷）的一次能量節約率來進行評價。節能率應按供熱期、供冷期分別進行計算。供熱期和供冷期的節能率計算式分別如下：

式中：ηzh為供熱期節能率；ηzc為供冷期節能率；ηe為聯供的供電效率；ηce為考慮輸配能耗的電網供電效率；ηh為聯供的供熱效率；ηb為鍋爐的供熱效率；COPa為吸收式制冷機的制冷系數；COPe為電制冷機的制冷系數。

可以看出，在分供系統參數（ηce、ηb、COPe）一定的情況下，冷熱電聯供系統在供熱期的節能率隨聯供系統發電效率和供熱效率的提高而提高，在供冷期的節能率隨聯供系統發電效率、供熱效率和吸收式制冷機制冷效率的提高而提高。隨著電制冷機制冷系數和電網供電效率的提高，冷熱電聯供系統的節能率將逐漸降低，甚至不節能。冷熱電聯供系統的節能率與分供系統參數有很大關系，在不同的電網供電效率、鍋爐供熱效率和電制冷機效率下，得到的結果會有差異。而且節能率和傳統熱效率一樣，仍然沒有區分冷、熱、電三種能源的品質差異。

1.3

火用效率[7～16，24～28]是從熱力學第二定律出發，考慮了電能與冷、熱能之間存在的品位差異，以及不同溫度的冷、熱能之間的品位差異。火用效率定義為被有效利用或收益的火用與投入或耗費的火用的比值。

式中：η3為火用效率；Eh為熱量；Ec為冷量火用；Ef為燃料；T0為環境溫度；Th為熱源溫度；Tc為冷源溫度。

1.4

式中：η4為經濟效率；Pe為電價；Ph為熱價；Pc為冷價；Pf為燃料價格。

1.5 折合電效率

冷熱電聯供系統的折合發電效率[9～11，29]是假定系統中冷量和熱量輸出的能耗都與參照的分產系統相同時，推算得到的發電效率。分產系統的供熱效率采用鍋爐的供熱效率，制冷效率采用電制冷機的制冷效率。

式中：η5為折合電效率。

同樣道理，還可以得到折合供熱效率和折合制冷效率。折合效率指標把聯供帶來的好處僅歸于電、熱或冷中的其中一種產品，而認為對其他產品沒有任何影響。這樣處理雖然簡單明了，但與實際情況不符，是不合理的。

1.6當量電效率

熱量、冷量和電量三者相比，雖然電量具有最高品質，但冷量、熱量與電量都具有等價性。當量電量就是把聯供系統中冷量或熱量分別折合成相應的常規系統輸出相同冷量或熱量所消耗的電量，當量電量之和與系統一次能源消耗量比值即為當量電效率[11，30～31]。

式中：η6為當量電效率；COPh為電動熱泵的供熱系數。

可以看出，冷量和熱量的權重與生產冷熱的參照的常規系統的性能有關，常規系統的電動熱泵和電制冷機的效率對當量電效率的結果產生很大影響。隨著技術進步，常規系統中的電動熱泵和電制冷機的效率將提高，冷量和熱量將更容易獲得，那么冷量和熱量的加權因子就會降低。

1.7等效電效率

等效電效率[32～33]是基于所有一次能源（煤、天然氣、油、水力、核力、太陽能、風能等）都可以用來發電的前提，以高品位的電作為基準，將冷量、熱量和燃料按照一定的折算系數轉化為電，同時考慮了不同能源量的差異和質的不同。與當量電效率的折算方法不同，等效電效率是利用等效電系數反映了該類型能源轉化為電的最大效率，其值反映了各種不同能源的品位，由熱力學第二定律推出。

式中：η7為等效電效率；Kh為供熱的等效電系數；Kc為供冷的等效電系數；Kf為燃料的等效電系數；Tg為供水溫度；Tr為回水溫度；Ts為蒸汽溫度；Tb為燃料完全燃燒的溫度。

采用等效電系數，一次能源和二次能源都可以轉化為電，方便不同類型能源的比較，同時考慮了能源轉化為電的最大能力，反映了能源的品位高低。等效電效率不僅可以衡量冷熱電聯供系統的效率水平，還可以將不同種類一次能源和不同能源利用方式的轉化效率進行比較。

1.8能量梯級利用率

能量梯級利用率[34]從能量品位和梯級利用的角度全面考慮冷、熱、電產品的性能，借助統一量化的能級品位系數作為冷、熱、電的權重系數，來表達不同產品的不等價性，并且考慮了所消耗能量的數量和品位，以及隨著比較條件的變化而變化的情況。

式中：η8為能量梯級利用率；Ae為電的能級品位系數；Ah為熱的能級品位系數；Ac為冷的能級品位系數；Af為燃料的能級品位系數；△E為能量傳遞過程的火用變化；△H為能量傳遞過程的焓變化。

能量梯級利用率從發電、制冷及供熱等過程耗用能量的品位和生產產品的品質等全面權衡不同能量轉換利用過程的本質差異，較好地區分耗用能量的數量和質量，更好地區分冷量與熱量的不等價性，也把不同溫度的供熱差異反映出來。

2 各種評價準則的比較

1）傳統熱效率簡單、直觀，但它將冷、熱、電三種產品等同對待，忽略了能量的品位差別，得到的結果是不合理的，因此它通常適用于只有單一產品的系統。

2）節能率考察了燃料的節約使用效率，但節能率與參照的分供系統性能有很大關系，根據不同參照系統將得到不同的結果，而且節能率同樣未考慮能量的品位差異，因此它也只適用于只有單一產品的系統。

3）火用效率雖然區分了冷、熱、電三種產品的品位，但它過分看重能量的做功能力,而輕視了冷、熱的生產，它適用于對發電過程的評價，用于評價冷熱電聯供系統不夠合理。

5）折合電效率把聯供集成帶來的好處歸于電一種產品，忽略了冷、熱、電生產過程的相互影響，與實際情況不符。

7）等效電效率從能源轉化為電的最大能力的角度，反映了能源的品位高低，不僅可以衡量冷熱電聯供系統的效率水平，還可以將不同種類一次能源和不同能源利用方式的轉化效率進行比較，計算方法較為直觀。

8）能量梯級利用率從耗用能量的品位和生產產品的品質等全面權衡不同能量轉換利用過程的本質差異，反映了冷、熱、電品位的差異和能量的梯級利用，它可以用于對不同種類一次能源輸入的多能源互補系統的評價，但能級品位系數的計算公式較為復雜。

3 結語

1）冷熱電聯供系統熱經濟性評價準則是評價冷熱電聯供系統熱經濟性的重要指標，不同評價準則具有不同的適用條件，選擇科學合理的冷熱電聯供系統熱經濟性評價準則非常關鍵。

2）傳統熱效率和節能率雖然簡單，但它們都忽略了能量的品位差別，通常適用于只有單一產品的系統；火用效率過分看重能量的做功能力,用于對發電過程的評價較為合理；經濟火用效率不反映能源利用的效率和熱經濟性；折合電效率忽略了冷、熱、電生產過程的相互影響，與實際情況不符；當量電效率與參照系統有關，具有一定的局限性；等效電效率從等效電的角度合理考慮了能量的品位差異，適用范圍較為廣泛，計算方法較為直觀；能量梯級利用率反映了冷、熱、電品位的差異和能量的梯級利用，適用范圍較為廣泛，但計算過程較為復雜。

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Sum m a ry of The rm a l Ec onom ic Eva lua tion for CCHP Sys te m

SONG Wei-ming
China Datang Corporation Science and Technology Research Institute

Research progress on thermal economic evaluation criterion for CCHP system was introduced.Advantages and disadvantages of different evaluation criteria were compared.The deficiencies of existing thermal economic evaluation criteria were pointed out for better evaluation for CCHP system.

Combined Cooling,Heating and Power(CCHP),thermal economy,evaluation criterion,thermal efficiency, exergy

1003-0344（2014）06-069-5

2013-11-18

宋偉明（1985～），男，博士，工程師；北京市昌平區北農路2號中國大唐集團科學技術研究院有限公司（102206）；

E-mail:songweiming@cdsti.com.cn