三聯(lián)供系統(tǒng)微電網(wǎng)制冷節(jié)能性分析

孫文彬，楊耿煌

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

聯(lián)供系統(tǒng)的微電網(wǎng)是集制冷、供熱和發(fā)電三部分于一體，建立在能源梯級(jí)利用基礎(chǔ)上的總能系統(tǒng)。三聯(lián)供系統(tǒng)通過(guò)對(duì)發(fā)電利用后的低品位熱能回收利用，對(duì)冷、熱負(fù)荷制冷和供熱，從而提高對(duì)能源的進(jìn)一步利用，實(shí)現(xiàn)能源利用效率的最大化[1]。歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用上不僅技術(shù)領(lǐng)先而且應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模，三聯(lián)供系統(tǒng)得到了很好的發(fā)展。國(guó)內(nèi)三聯(lián)供系統(tǒng)也得到一定的應(yīng)用，業(yè)界普遍對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在節(jié)能經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)給予肯定[2]。然而，三聯(lián)供系統(tǒng)在制冷工況下的制冷設(shè)備各有差異，節(jié)能性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分析角度各不相同，因此三聯(lián)供系統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。本文以含小型燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的微電網(wǎng)為例，從制冷系統(tǒng)的一次能耗、一次能耗節(jié)能率和μ值（單位燃料燃燒產(chǎn)生的高品位熱量相當(dāng)于供熱汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽口處的低品位熱量[3]）的角度出發(fā)，對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的電壓縮式制冷系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在制冷方面的節(jié)能性，為進(jìn)一步研究三聯(lián)供系統(tǒng)制冷的節(jié)能性提供參考。

1 三聯(lián)供系統(tǒng)微電網(wǎng)

使用常規(guī)能源進(jìn)行供熱制冷的分產(chǎn)系統(tǒng)，其能源利用效率比較低，普遍存在著能源浪費(fèi)的現(xiàn)象。而微電網(wǎng)中，分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)的制冷供熱所需要的能量來(lái)源于低品位能源，該制冷供熱系統(tǒng)的能量利用遵循了能量梯級(jí)原理。因此，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源利用的最大化，有效解決了制冷供熱所帶來(lái)的能源浪費(fèi)的問(wèn)題，對(duì)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的組成形式主要有3種：燃?xì)廨啓C(jī)+直燃型吸收式制冷機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐（不補(bǔ)燃）+吸收式制冷機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+汽輪機(jī)+吸收式制冷機(jī)。本文以第2種組成形式的三聯(lián)供系統(tǒng)為例，對(duì)其節(jié)能性進(jìn)行分析，該三聯(lián)供系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三聯(lián)供系統(tǒng)框圖

2 節(jié)能因素分析

從文獻(xiàn)[4]提供的1 163 kW制冷系統(tǒng)能耗表中可知壓縮式制冷系統(tǒng)與吸收式制冷系統(tǒng)（蒸汽雙效型）相比，二者在冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)設(shè)備中都存在能耗。此外，壓縮式制冷系統(tǒng)和吸收式制冷系統(tǒng)分別在冷水機(jī)組和溶液泵中也都存在能耗現(xiàn)象。結(jié)合當(dāng)量熱力系數(shù)（指消耗一次能源熱量能夠產(chǎn)生多少冷量，即消耗1 kJ燃料熱能所能得到的制冷量[5]）的定義及對(duì)1 163 kW制冷系統(tǒng)能耗表中壓縮式制冷系統(tǒng)與吸收式制冷系統(tǒng)的能耗分析，可得到壓縮式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)為：

吸收式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)為：

式中：Qc為制冷系統(tǒng)制冷量；ηe為全國(guó)平均發(fā)電效率；ηn為電網(wǎng)輸送效率，本文取值0.9；ηm為電動(dòng)機(jī)總效率，本文取值0.9；Wce為冷水機(jī)組耗電量為冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)設(shè)備耗電量；Qh為吸收式制冷機(jī)組制冷所需蒸汽熱量；ηp為蒸汽管道供熱效率；Wca為吸收式制冷機(jī)組制冷所需電能；文獻(xiàn)[3]對(duì)μ值作出了解釋，文獻(xiàn)[6]中進(jìn)行推導(dǎo)并得到其表達(dá)式為：

一次能耗率是一次能耗量與需要輸出能量的比值[6]。根據(jù)吸收式制冷系統(tǒng)與壓縮式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)公式，可得到在壓縮式制冷系統(tǒng)和吸收式制冷系統(tǒng)下，2種系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的一次能耗率和一次能耗量。

壓縮式制冷系統(tǒng)的一次能耗率和一次能耗量分別為：

吸收式制冷系統(tǒng)的一次能耗率和一次能耗量分別為：

3 制冷系統(tǒng)的節(jié)能性分析

本文以1 163 kW相同制冷量產(chǎn)出為前提，分別分析一次能耗、μ值和一次能耗節(jié)能率對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)節(jié)能的影響，并對(duì)2種制冷系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行比較。

3.1 一次能耗的節(jié)能分析

本文參照文獻(xiàn)[4]中Solar小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)參數(shù)表和1 163 kW制冷系統(tǒng)能耗表相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合式（3），計(jì)算出 μ1～ μ5 的值，分別為 2.32，2.73，2.96，2.98，3.08。結(jié)合壓縮式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)和吸收式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)表達(dá)式及2種系統(tǒng)的一次能耗率和一次能耗量表達(dá)式，計(jì)算出相應(yīng)的一次能耗率、當(dāng)量熱力系數(shù)和一次能耗的數(shù)值，如圖2和圖3所示。

圖2 一次能耗率與當(dāng)量熱力系數(shù)

圖3 一次能耗

以1163 kW相同制冷量產(chǎn)出作為節(jié)能分析的前提，通過(guò)圖3所示的壓縮式制冷系統(tǒng)和三聯(lián)供系統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)的一次能耗值的變化規(guī)律可以看出，三聯(lián)供系統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)的一次能耗值比壓縮式制冷系統(tǒng)的一次能耗值要小，且在三聯(lián)供系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)中，μ值越大其對(duì)應(yīng)的一次能耗值越小，故可得吸收式制冷系統(tǒng)相對(duì)壓縮式制冷系統(tǒng)具有節(jié)能性且吸收式制冷系統(tǒng)中μ值越大，節(jié)能性越好。

3.2 μ值與一次能耗節(jié)能率的節(jié)能分析

一次能耗節(jié)能率能夠直接反映制冷系統(tǒng)是否具有節(jié)能性，當(dāng)一次能耗節(jié)能率δ>0時(shí)，表明該系統(tǒng)節(jié)能，否則該系統(tǒng)不具有節(jié)能性。其表達(dá)式為：

本文對(duì)全國(guó)平均效率取值分別為0.33、0.40和0.55，計(jì)算不同型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)吸收式制冷系統(tǒng)μ值對(duì)應(yīng)的一次能耗節(jié)能率，并以不同的壓縮式制冷系統(tǒng)和不同的μ值作為比較基礎(chǔ)，從2種比較基礎(chǔ)出發(fā)分別對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行分析。當(dāng)全國(guó)平均發(fā)電效率分別取值為0.33時(shí)，基于不同壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性比較如圖4所示，基于不同μ值的節(jié)能性比較如圖5所示。

圖4 發(fā)電效率為0.33時(shí)基于不同壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性比較

圖5 發(fā)電效率為0.33時(shí)基于不同μ值的節(jié)能性比較

由圖4、圖5知，當(dāng)全國(guó)平均發(fā)電效率為0.33時(shí)，以相同壓縮式制冷系統(tǒng)作為比較基礎(chǔ)可得：μ值越大，一次能耗節(jié)能率越大，吸收式制冷系統(tǒng)相較壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性越高；以相同μ值作為比較基礎(chǔ)可得：相對(duì)于活塞式壓縮制冷系統(tǒng)，吸收式制冷系統(tǒng)更具節(jié)能性，而相對(duì)于離心式壓縮式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷系統(tǒng)節(jié)能率偏低。

當(dāng)全國(guó)平均發(fā)電效率分別取值為0.40時(shí)，基于不同壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性比較如圖6所示，基于不同μ值的節(jié)能性比較如圖7所示。

圖6 發(fā)電效率為0.40時(shí)基于不同壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性比較

圖7 發(fā)電效率為0.40時(shí)基于不同μ值的節(jié)能性比較

從圖6、圖7可知，當(dāng)全國(guó)平均發(fā)電效率為0.33時(shí)，一次能耗節(jié)能率較發(fā)電效率為0.40時(shí)明顯下降，只有μ1值對(duì)應(yīng)吸收式制冷系統(tǒng)不具有節(jié)能性，而且對(duì)活塞式、螺桿式和離心式3種壓縮式制冷系統(tǒng)也不具有節(jié)能性。

當(dāng)全國(guó)平均發(fā)電效率分別取值為0.55時(shí)，基于不同壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性比較如圖8所示，基于不同μ值的節(jié)能性比較如圖9所示。

圖8 發(fā)電效率為0.55時(shí)基于不同壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性比較

圖9 發(fā)電效率為0.50時(shí)基于不同μ值的節(jié)能性比較

圖8、圖9顯示：當(dāng)全國(guó)平均發(fā)電效率取值為0.55時(shí)，大部分吸收式制冷系統(tǒng)不具有節(jié)能性，只當(dāng)μ值取值較大時(shí)，才能表現(xiàn)出吸收式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力設(shè)備，分析了余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)組成的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性。結(jié)果表明：系統(tǒng)的節(jié)能不僅受到系統(tǒng)本身所用燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)的影響，還與當(dāng)?shù)鼗蛉珖?guó)的平均發(fā)電效率的取值有關(guān)。在使用該三聯(lián)供系統(tǒng)制冷時(shí)，應(yīng)結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)與當(dāng)?shù)鼗蛉珖?guó)平均發(fā)電效率，盡可能選取 μ值較大或較低的發(fā)電效率，同時(shí)還應(yīng)考慮采用文獻(xiàn)[7]的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，從燃料價(jià)格、冷熱電負(fù)荷需求和發(fā)電與售電成本等方面出發(fā)，綜合比較分析，制定合理的三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略，使三聯(lián)供系統(tǒng)充分發(fā)揮節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

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