冷熱電三聯供系統特性分析與設計優化

楊曉龍 張林林 王娟麗 王亮

摘 要：發展新的可替代、無污染、低碳化的新能源是能源開發利用的必由之路。冷熱電三聯供系統能夠利用各種低品位、一次能源進行能源轉換，減少區域內分散的高能耗的供能設備，從而在客觀上對城市的環保、資源循環利用、節省一次能源等方面做出巨大貢獻。

關鍵詞：冷熱電三聯供；能源梯級利用；設計優化

中圖分類號：TU81? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0025-03

0 引言

近年來，中國節能減排工作獲得了諸多成就，2020年國家明確提出“2030碳達峰”與“2060碳中和”的目標，節能減排工作已成為全社會參與的國事、大事。冷熱電三聯供技術是提高能源效率的主要技術之一，是節能減排的高效舉措，與健康穩定發展戰略方向一致，著力改善能源結構，并高度重視能源的綜合利用和提高能效及新能源和可再生能源的發展及合理利用，促進節能減排[1]。

區域內冷熱電三聯供技術的發展符合國家大政方針，具有廣泛的發展前景。本文就冷熱電三聯供系統特性進行分析，并且詳細介紹如何進行系統設計優化。

1 冷熱電三聯供系統概述

1.1 冷熱電三聯供系統應用原理

冷熱電三聯供是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將供暖（采暖和熱水）、制冷及發電過程有機結合在一起的總能系統。通過能源的梯級利用，燃料通過熱電聯產裝置發電后變為熱能，用于采暖、生活熱水等，同時熱能也可驅動吸收式制冷機，用于夏季的空調制冷，從而形成了熱電冷三聯供系統。

1.2 冷熱電三聯供系統應用優勢

冷熱電三聯供系統是一種分布式能源，綜合效益極高，能增加電力供應、改善環境、節省能源，是提升能源綜合使用率及治理城市大氣污染的重要途徑，與我國可持續發展戰略相一致。

天然氣作為一種高熱值、儲量豐富而且環保的潔凈能源，以其為燃料的熱電冷三聯供技術越來越受到人們的青睞[2]。冷熱電三聯供能充分運用天然氣熱，使用效率大于90%，有利于減少天然氣供熱成本支出，可將部分成本轉移到電費上，降低運營成本重擔。因為冷熱電三聯供可高效轉換能源，所以在世界各國的能源領域中，冷熱電三聯供的應用優勢比較突出。

此外，三聯供不僅使得燃氣的熱能被充分利用，還能充分利用新能源，提高能源的綜合利用功效。比如：在太陽能充足的地區可以增設光伏發電，在地熱能充足地區可以設置地源熱泵系統，真正做到多能互補、梯級利用。

2 項目概述

某項目基地位于貴陽市，總用地面積431 093.49 m2，總建設用地面積348 845.06 m2，代征道路用地面積63 160.07 m2，代征綠化用地面積19 088.36 m2。用地呈不規則三角形，內部環境優美，植被豐茂，地勢高低錯落，地勢最高點海拔1 288 m，最低點海拔1 238 m，景觀優勢明顯。用地內有兩個相對山丘高點。東南側（臨天河潭大道及東側規劃路）用地相對平坦，山地主要集中在西北側。整個用地地勢北高南低，最低點集中在場地南側，形成谷地。用地限制建筑最高點不超過海拔1 326 m。

該項目為醫療衛生綜合體，總建筑面積515 160 m2，一期建筑面積322 611 m2，二期建筑面積約192 549 m2。具體建筑包括：門急診醫技綜合樓、醫技綜合樓、病房樓及高壓氧艙、感染疾病科、行政辦公會議樓等。主要功能有門急診、手術、住院等。門診量為9 000人/d；住院病床數一期有1 500床，二期有1 500床。

3 改進后的能源方案

醫院冷電、熱、冷負荷與生活熱水負荷穩定，要求能源供應具有高可靠性和高保障。因此，在雙保證的前提下搭建區域能源方案。

3.1 總體能源方案

運行策略與運行方式為能源塔+地源熱泵及三聯供優先運行，鍋爐與制冷機組作為調峰和保障措施。

3.1.1 能源塔熱泵系統

3.1.1.1 能源塔熱泵技術應用數據

因為冬天氣候、氣象條件陰雨連綿，潮濕陰冷，濕球溫度高，同時能量儲藏大，所以在提取低品位能性能方面，風冷熱泵沒有能源塔穩定。

能源塔熱泵機組性能系數（COP）在整個冬季可控在3.0～3.5之間。因為能源塔是依據冬天提取顯熱負荷能力設計的，所以在夏天將能源塔轉為冷卻塔之后，地換熱面非常充足，能對瞬間空調余熱負荷進行有效承受，冷卻水溫低，提升了換熱效率。機組的能效比（EER）在整個夏天可控在4.2～4.5之間，具有非常明顯的節能效果。

因此，能源塔熱泵技術綜合經濟性能高，在夏季制冷中應用廣泛，負壓蒸發冷卻水溫度低。在冬季供暖時，可以使用負溫度噴淋放霜溶液及低溫寬帶技術。

在我國長江流域以南，平均氣溫約2℃的氣候下，能源塔熱泵技術耗能比單冷機+燃油鍋爐供能方案少約45%，比單冷機+燃氣鍋爐供能方案少約25%，比高混合源地源熱泵供能方案少約5%。

3.1.1.2 能源塔熱泵技術優勢

能源塔熱泵技術屬于高效環保技術，是可再生能源利用的技術之一，能量儲藏不限制能源塔提取低品位能。相較于風冷熱泵機組，可節約能源20%～25%，接近土壤熱泵空調節約能源效果。

能源塔熱泵技術與其種類熱泵相比，具有如下優點：①相較于地源熱泵，能源塔熱泵技術占地小，地質條件不會對其造成干擾。②相較于水源泵，能源塔熱泵技術不依賴熱源，如地表水、地下水等。③相較于風冷熱泵，能源塔熱泵技術功率大，幾乎沒有噪聲。④能源塔熱泵技術初投資少、高性價比。

3.1.2 地源熱泵

3.1.2.1 水平式地源熱泵

通過水平埋置于低于地表面2～4 m的閉合換熱系統，與土壤進行冷熱交換。在制冷供暖面積相對較小同時埋地面積相對較大的系統中適用。初投資相對較少，施工難度小，但是需對占地面積較大的問題進行平衡。

3.1.2.2 垂直式地源熱泵

在50～400 m深的巖土體中埋置閉合換熱系統，通過垂直鉆孔將其與土壤進行冷熱交換。在制冷供暖面積大的建筑物中比較適用，相比于水平系統其占地面積較小。該系統初投資較高，施工難度相對較大，但可以盡量減小地面占用的問題。

本項目所在地貴陽市地質呈現喀斯特地貌特征，豎向地埋管易造成土壤與埋管接觸不良，影響傳熱效果，故本項目推薦采用水平埋管系統。

3.1.3 三聯供系統

本項目采用冷熱電三聯供系統，以能源的梯級利用來滿足不同的能源需求，提高能源利用效率，降低能源利用成本，減少CO2排放。

本項目采用的CCHP系統，主要由3臺Capstone公司生產的200 kW微型燃氣輪機（以下簡稱為C200）、1臺吸收式制冷機、3臺電制冷機組成，用于承擔該單位建筑的冷、電負荷。

分析負荷計算結果，以夏季典型日24 h冷、電逐時負荷為例，在碳排放價格56元/t條件下，直接將56元/t代入進行優化計算。根據日電熱負荷規律，發現運行策略整體可分為2個階段。

3.1.3.1 階段1的運行策略

階段1為20：00～09：00，這個階段該建筑的冷、電負荷較低，均不大于200kW。具體有：從電網購電承擔電熱負荷和只開1臺燃氣輪機發電并通過余熱制冷機制冷承擔冷、電負荷2種不同的策略。具體策略的選擇與該模型模擬時采用的分時電價相關。

在23：00～07：00，電價處于谷段，購電成本低。在其余時間電價處于平段甚至峰段，購買天然氣發電成本低，所以開1臺燃氣輪機發電并通過余熱制冷機制冷。

即便階段1的時段冷負荷低，燃機全部余熱制冷量高于用戶冷負荷，需要丟棄一部分余熱，但此時燃機發電和部分余熱制冷成本低于購買同等電量的成本，經濟性仍然良好。

3.1.3.2 階段2的運行策略

階段2為10：00～19：00，這個階段的整體冷、電負荷較高，其中電負荷均高于600 kW，冷負荷均高于1 000 kW，3臺C200滿負荷運行，全部余熱量均用于制冷。該時段所有余熱用于制冷，仍不足以滿足用戶冷負荷，多余冷負荷需要電制冷壓縮機承擔，在負荷形式上體現為從冷負荷向電負荷的轉化。10：00～19：00購電量與發電量之和是遠大于用戶電負荷的。以14：00為例，此時的電負荷低于3臺燃機最大發電量，但仍需額外購電，正是因為此時余熱制冷量不足，冷負荷通過電制冷壓縮機轉化為電負荷導致整體階段2的余熱制冷量不足，需要通過提高吸收式冷溫水機效率和增大余熱量來改善。

通過對計算結果的逐時分析，發現階段1出現余熱量丟棄，階段2出現余熱量不足，若能將階段1余熱量儲存到階段2使用，可進一步節約成本和降低系統的碳排放量。同時，模型給出的運行策略與算例負荷擬合良好，驗證了模型的正確性、可靠性和實用性。

3.1.4 調峰鍋爐與制冷機組

電制冷冷水機組和燃氣鍋爐屬于常規系統，技術成熟可靠，該系統可兼做能源系統的保障系統，提高整體能源供應的安全可靠性。因此，項目設置調峰冷水機組及調峰鍋爐系統，用于負荷高峰期調峰使用，以及項目初期電負荷較小，運行三聯供系統不經濟時開啟。

常規中央空調系統的主要制冷設備為冷水機組，機組利用電為動力源，制冷劑在蒸發器內蒸發吸收空調水的熱量進行制冷，并通過泵設備向中央空調用戶提供冷凍水。冷凍水在末端用戶處進行熱交換后升溫，重新由泵設備輸送回冷水機組制冷。而冷水機組吸收的熱量則通過冷卻水系統將熱量帶到冷卻塔排出[4]。

相比于三聯供及地源熱泵系統，冷水機組和燃氣鍋爐產品成熟，設備價格相對較低，運行控制簡易、維護簡單。同時冷機COP值較高，一般在4～6之間，節省運行費用。但是，夏季需要設置冷卻塔來提供機組所需的冷卻水，室內熱量以水為媒介經冷卻塔直接排放到空氣中去。

燃氣鍋爐供熱系統供水溫度可以有效保障，但是相比于三聯供系統，其一次能源利用率較低，不利于節能，同時在燃料燃燒過程中，不可避免的產生破壞環境的CO2、CO、SO2、粉塵等廢氣廢物。

綜上，本項目的冷機及燃氣鍋爐僅考慮調峰和供能安全因素設置，裝機容量約為能源系統總容量的20%。

3.1.5 凈化空調區域

凈化空調區域包括手術室與供應中心等。醫院手術室供應中心等特殊用能區域，需要保障系統24 h運行。推薦該類區域增設單獨的冷熱源系統，與能源站大系統并聯，利于后期系統運行調節，靈活匹配用冷用熱需求。

3.2 生活熱水方案

貴陽市年平均陰天日數為235.1 d，年平均日照時數為1148.3 h，日照時數偏低，故本項目不考慮設置太陽能熱水系統。貴陽市室外日平均干球溫度高于15℃的天數為198 d，適宜采用空氣源熱水器[5]。

本項目生活熱水負荷為6 584 kW，生活熱水方案為太陽能熱水器+空氣源熱水器+缸套水或余熱機+調峰鍋爐+蓄熱水罐。夏季采用空氣源熱水器+調峰鍋爐+蓄熱水罐的方式，冬季采用空氣源熱水器+調峰鍋爐+缸套水或余熱機+蓄熱水罐的方式。

醫院生活熱水負荷較大，且用熱需求穩定，生活熱水系統需單獨設置。可以選用2臺調峰燃氣熱水鍋爐（單臺熱功率2 800 kW）＋5臺空氣源熱水器（總熱功率120 kW），再設置蓄熱水罐，用于平衡負荷高峰。

4 結束語

本文結合當前節能減排政策及區域供能的優勢，就冷熱電三聯供系統特性與設計優化進行仔細分析。在整體分析過程中，詳細介紹了冷熱電三聯供系統的概念，并針對冷熱電三聯供系統的設計進行詳細分析，再結合實際案例，對冷熱電三聯供系統的優化進行仔細介紹。

我國當前大部分供冷供熱供電分散，能源利用率低，而冷熱電三聯供系統能夠結合當地的能源形式，達成最適合該區域的供能方式及運行策略。因此，希望通過本文分析整理，能夠為我國當前區域能源系統的應用與優化提供更多幫助。

參考文獻

[1] 王亞楠，吳杰康，毛曉明.基于隨機動態規劃的多能聯供系統冷熱電經濟分配模型[J].電力自動化設備，2019，39（6）：21-26.

[2] 梁榮，王洪濤，吳奎華，等.基于神經網絡和ARIMA模型的冷熱電短期負荷預測[J].電力系統及其自動化學報，2020， 32（3）：52-58.

[3] 胡靜，姚峻，艾春美，等.分布式冷熱電三聯供智能集控平臺研究及應用[J].中國電力，2019（5）：42-47.

[4] 王文靜，龔文杰，于強，等.基于蜂群優化算法冷熱電聯供型微網經濟調度研究[J].青島大學學報（工程技術版），2019（2）：50-55.

[5] 張凱真，柳善建，劉亞亞，等.冷熱電聯供系統運行策略及優化控制研究進展[J].新能源進展，2019（2）：168-175.