分布式供能余熱利用技術分析

東劉成

摘要：本文重點分析了分布式供能系統中對余熱利用的技術分析，根據對余熱的有效利用度，確定一般利用余熱的先后順序為生活熱水、采暖和制冷。本文著重分析了三聯供系統中生活熱水系統的設計，對各種公共建筑中熱負荷進行了歸納總結；在綜合考慮各單位的負荷基礎上，決定采用“以電定熱”的方式確定內燃機容量。對三聯供系統在我國的不同類型建筑中的選用，具有一定的指導意義。

關鍵詞：分布式供能；熱負荷；電負荷；余熱利用

中圖分類號：TM619文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2016）13-253-03

1.余熱利用和熱負荷概念

1.1余熱利用

能否有效利用余熱的技術，是分布式供能系統的核心。能否抓住這個要點，是決定設計成敗的關鍵所在。在設計系統的時候，最需要注意的是，余熱并不是一種在你需要的時候就能供給的能源。余熱的熱量對于負荷來說，無論是不夠還是過剩，都要讓系統能夠有效率地、低能量損失地運行。

使用余熱的地方，主要是生活熱水、采暖和制冷。他們各自對于余熱的有效利用度有所差異，順序為生活熱水=采暖，制冷。根據熱力學第二定律，從高溫到低溫，按照這樣的順序來利用熱量是更加有效率的。生活熱水需要的溫度比采暖需要的溫度要高，并且，生活熱水是一年四季都需要的，而采暖負荷只有采暖季才需要，所以一般利用余熱的先后順序，應該是生活熱水，采暖，制冷。

1.2熱負荷

一般意義上的熱負荷指的是燃料在燃燒器中燃燒時單位時間所內釋放的熱量：而在分布式供能系統中，給排水專業的熱負荷概念是日常生活用熱水的用熱量，一般根據用水人數、水溫及用水定額估算。

通常的熱源設備都是根據負荷來進行控制的。但是余熱回收設備并不能保證想要能源的時候就能有余熱提供，所以并不能按照負荷來對余熱量進行控制，必須根據余熱量來進行控制，并要保證這種控制能讓系統效率最大化。

需要注意的點如下：

（1）利用余熱的先后順序

（2）根據余熱量，選擇適當的（利用余熱的）設備容量

（3）和其他熱源設備的并聯方式（保證余熱利用設備的優先使用）

（4）在配管時的一些注意點（保證余熱利用設備的優先使用）

2.生活熱水系統的設計

2.1設置預熱槽的場合

利用余熱加熱生活熱水的情況，都是在儲水槽（儲水水箱）中進行的。但是一般負荷變動比較大的關系，加設一個預熱槽的話，可以更有效地利用余熱。這樣的話，余熱僅加熱預熱槽，并且注意預熱槽的設定溫度要比儲水槽的設定溫度更高一點。由于供水是先在預熱槽中被加熱之后，再輸送至儲水槽的，這樣便可降低鍋爐的加熱量。為了讓預熱槽對負荷變動起到一個緩沖的作用，所以預熱槽需要一定程度的容積。一般的做法是將一個整的儲水槽分成兩個，其中一個作為預熱槽使用。（參看圖1）

2.2沒有設置預熱槽的場合

不設置預熱槽的場合，供水經過熱交換器，使得余熱的利用更為便利。并且，余熱利用側的設定溫度要比鍋爐的設定溫度更高，這樣是為了避免由鍋爐來加熱生活熱水了。（參看圖2）

3.熱負荷的估算

3.1民用建筑最大熱負荷和全年負荷統計

分布式供能系統中所需要的熱負荷（生活熱水），需要事先掌握建筑內部熱負荷逐時、逐月的變化規律。換而言之，就是要估計熱量（生活熱水）的最大負荷、全年負荷，以及逐月負荷規律、逐時負荷規律。

表1為最大負荷和全年負荷。與過去發表的數據相比較，熱負荷有減少的趨勢。

*：由于體育設施的生活熱水負荷與建筑規模[m²]的關系不大，所以給出的是總計數值（上段MWh/y，下端Gcal/Y）。

可以看到，在所有建筑類型中，酒店的最大熱負荷遠遠大于其他各類型建筑的最大熱負荷，醫院次之，辦公（標準型和OA型）、店鋪以及住宅的最大熱負荷數值相近且最小。就全年熱負荷而言，酒店和醫院的熱負荷最大，約為100kw/m²y，店鋪和住宅次之，約在25-35 kw/m²y，/之間，辦公的兩種類型（標準和OA型）全年熱負荷最小，不大于5 kw/m²y。

3.2不同建筑類型的逐月熱負荷

表2反應的是不同類型建筑中在一年中其熱負荷的逐月變化規律，表格中數字為每月的熱負荷量在全年熱負荷中所占比重（%）。同時，將全年月份按照其后劃分成幾個部分，十二月、一月一三月為冬季，六月一九月為夏季，四月、五月和十月、十一月為春秋季。

由圖中所示，不同類型建筑在一年中隨季節變化，不同月份所需熱負荷亦不相同。辦公（OA型）全年的熱負荷逐月變化最大，因建筑性質和氣候影響，每年二至三月間，其熱負荷最大；在每年七、八、九三個夏季月份，其熱負荷量最小，且其占全年的總負荷率穩定在4%左右。店鋪的全年熱負荷變化在所有的建筑類型中最為平緩，因其建筑性質，所需要的熱水量隨氣候變化不大，每月的熱負荷占全年比重穩定在8%-10%之間。酒店、醫院、辦公（標準型）、體育設施和住宅的全年熱負荷變化相對典型（但是其變化率小于辦公（oA型）），即冬春兩季（一月至五月間）較高，其月熱負荷占全年總負荷的比例居于8%-12%之間；夏季較低，其月熱負荷占全年總負荷負荷的比例居于4%-6%之間。

3.3不同建筑類型的逐時熱負荷

表3、表4為酒店、醫院、店鋪、辦公（標準型）、辦公（OA型，電氣化）、體育設施、住宅的逐時負荷規律。與過去發表的數據相比，熱負荷（除了醫院）的制冷期延長，采暖期縮短了。并且，制冷、制熱同時發生的月份也增加了。

辦公大樓和工廠等，由于有雙休日和節假日，需要考慮每月實際的運行時間。

根據表格3、4可以得出不同建筑類型（以10000m²的大樓為例），熱負荷的逐時負荷規律，分析如圖4所示。

對于不同建筑類型的逐時熱負荷，特選取一月（冬季）、四月（春季）和八月（夏季），三個分別代表典型季節的月份觀察其逐時熱負荷。

酒店部分，因其帶有居住性質，因此其熱負荷逐時變化在所有建筑類型中相對平緩，高分期出現在午后（14時-15時）以及晚飯后（20時-21時），凌晨（3時-4時）為波谷。就三個不同季節而言，八月（夏季）的熱負荷最高，春季和冬季熱負荷量相近。

店鋪、辦公（標準型和OA型）部分，因其有工作時和非工作時之分，因此其熱負荷逐時變化呈現山峰形，非工作時（0-7時、20-24時）其熱負荷幾乎為0，工作時達到波峰：值得一提的是，店鋪的熱負荷在午后（14時-15時）達到高峰，此時也是客流高峰：辦公（標準型）的熱負荷在工作時段都相對較為平均；而辦公（0A型）建筑則是在上班后8時-9時達到一個較為尖銳的波峰，其后變化相對平緩。對于不同季節的熱負荷變化，店鋪和辦公（標準型）建筑都是八月（夏季）的熱負荷量較大，而辦公（OA）型則是一月（冬季）的熱負荷量較大。

醫院部分，其逐時熱負荷在0時-5時幾乎為0，其峰值出現在10時-18時的就診高峰期，晚間（18時-24時），不同于辦公和店鋪等建筑的非工作時熱負荷下降較快，其有住院部和值班人員等，其熱負荷較工作時降低，但是有一定的熱負荷需求，且隨著時間減小，直到午夜（24時）左右降至最低點。醫院的季節熱負荷變化與酒店類似，八月（夏季）熱負荷較高，一月（冬季）和四月（春季）熱負荷較小。

4.結論

有效利用余熱的技術，是分布式供能系統的核心。

使用余熱的地方，主要是生活熱水、采暖和制冷。他們各自對于余熱的有效利用度有所差異，順序為生活熱水=采暖，制冷。生活熱水需要的溫度比采暖需要的溫度要高，并且，生活熱水是一年四季都需要的，而采暖負荷只有采暖季才需要，所以一般利用余熱的先后順序，應該是生活熱水，采暖，制冷。在綜合考慮各單位的負荷基礎上，決定采用“以電定熱”的方式確定內燃機容量。對三聯供系統在我國的不同類型建筑中的選用，具有一定的指導意義。