冷、热、电三联供系统技术及应用

王小春，寇建玉，史艳辉

(内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

分布式能源系统(Distributed Energy System)在许多国家、地区已经是一种成熟的能源综合利用技术，它以靠近用户、梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各国政府、企业界的广泛关注、青睐。分布式能源系统有多种形式，区域性或建筑群或独立的大中型建筑的冷、热、电三联供(Combined Cooling Heating and Power，简称CCHP)系统是其中一种十分重要的方式。

燃气冷、热、电三联供系统是一种建立在能量的梯级利用概念基础上，以天然气为一次能源，产生冷、热、电的联产联供系统。它以天然气为燃料，利用小型燃气轮机、燃气内燃机、微燃机等设备将天然气燃烧后获得的高温烟气首先用于发电，然后利用余热在冬季供暖；在夏季通过驱动吸收式制冷机供冷；同时还可提供生活热水，充分利用了排气热量。提高到75%左右，大量节省了一次能源。

2 国内外分布式能源应用现状

美国：截止2002年末，美国分布式能源站已近6000座。美国政府把进一步推进“分布式热电联产系统”的发展列为长远发展规划，并制定了明确的战略目标：力争在2010年，20%的新建商用或办公建筑使用“分布式热电联产”供能模式；5%现有的商用写字楼改建成“冷、热、电联产”的“分布式热电联产”模式。2020年在50%的新建办公楼或商用楼群中，采用“分布式热电联产”模式，将15%现有建筑的“供能系统”改建成“分布式热电联产”模式。

欧盟：据1997年资料统计，欧盟拥有9000多台分布式热电联产机组，占欧洲总装机容量的13%，其中工业系统中的分布式热电联产装机总容量超过了33GW，约占热电联产总装机容量的45%，欧盟决定到2010 年将其热电联产的比例增加1倍，提高到总发电比例的18%。

日本：重视节能工作，节能系统的研究程度很高，以天然气为基础的分布式冷、热、电联供项目发展最快，而且应用领域广泛。日本政府从立法、政府补助、建立示范工程、低利率融资以及给予建筑补助金等角度来促进能源开发及节能事业的发展。对热电联产项目给予诸多减免税。截止2000 年底，已建冷、热、电系统共1413个，平均容量477kW，以小型系统为主。

中国：我国政府将天然气的开发和利用作为改善能源结构，提高环境质量的重要措施。西气东输、广东进口液化天然气、东海天然气开发等大型项目的全面实施，推动了全国天然气的建设。北京已建成的燃气大楼、次渠门站，在建的中关村软件园、生命园、中关村国际商城，上海已建成的浦东国际机场、环球国际金融中心、上海理工大学等；武汉、南京、广州、深圳、成都等城市的冷、热、电项目也正在规划，所以我国还处于分布式能源系统的初级阶段并且发展迅速。

3 三联供系统的分类及优化研究

燃气冷、热、电三联供系统按照供应范围，可以分为区域型和楼宇型两种。区域型系统主要是针对各种工业、商业或科技园区等较大的区域所建设的冷、热、电能源供应中心。设备一般采用容量较大的机组，往往需要建设独立的能源供应中心，还要考虑冷、热、电供应的外网设备。楼宇型系统则是针对具有特定功能的建筑物，如写字楼、商厦、医院及某些综合性建筑所建设的冷、热、电供应系统，一般仅需容量较小的机组，机房往往布置在建筑物内部，不需要考虑外网建设。

冷、热、电三联供系统具有很大优势，但是如何能准确的预测负荷及负荷的平衡，是目前主要存在的技术问题，也是制约我国三联供系统的一瓶颈。当热能和电能需求达到平衡时，冷、热、电三联产系统才是最经济的。系统拟定应根据日、月、年不同时段变化的冷、热、电负荷曲线，制定出最佳的系统配置方案，并提出合理的运行模式和运行方案，是一个十分复杂的研究课题。

国内对于冷、热、电三联供系统以两种原则定主机容量为主，分别是传统热电联产的原则“以热定电”的原则和中国电机工程协会热电专业委员会王振铭秘书长的原则：“以基本负荷电力定容量，不足电力从电网补充，不足热量补燃解决，电力并网不上网售电，不足电力从市网取，采取友好同步发电的设计观念”。上述两种原则哪种更适用于冷、热、电三联供系统市场化还值得我们继续研究探讨。不管选择那种原则，都应该以基本负荷为主，作为主机选型配置的原则。

为了协调冷、热、电三种动态负荷，实现最佳的整体系统经济性，系统往往需要设置压缩式制冷机和蓄能装置等，或者增加制冷负荷，如滑冰场和冷库等。

各个地区应根据实际情况，综合考虑地域的气候，经济状况，对供冷、供热的需求以及天然气、电的供应条件和价格，因地制宜，而不是生搬硬套。冷、热、电三联供系统的推广首先要保证经济效益。由于分布式能源的初投资大、技术含量相对较高，对维护人员的素质要求相应严格，所以适合在人才聚集经济发达的地区开展，并不是所有的情况都适合发展冷、热、电三联供。

4 三联供系统的特点

⑴ 与集中式发电——远程送电比较，燃气冷、热、电三联供可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率一般为28%～43%；而经过能源的梯级利用CCHP使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到70%～80%，甚至更高。

⑵ 燃气冷、热、电三联供在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力：据有关专家估算，如果将现有建筑实施燃气冷、热、电三联供的比例从4%提高到8%，到2020 年CO2的排放量将减少30%，有利于环境保护。

分布式冷、热、电三联供贴近用户进行能量转换，将温度向下利用，利用发电后的余热，而不是用电来交换，通过提高能源的综合利用效率来弥补发电效率的降低。虽然分布式热电联产设备的发电效率一般在27%左右，但综合利用效率在75%～90%之间。而且，气体燃烧生成氮氧化物量极小，排放量也很小，极易被周围植被吸收，是改善大气环境的有效措施。

⑶ 缓解电力短缺，平衡电力峰谷差。燃气冷、热、电三联供采用自发电，可以避开电网用电高峰，并且大大提高了建筑供电可靠性和安全性。

⑷ 扩大了燃气使用量，平衡燃气峰谷差。

⑸ 投资回报率较高，具有良好的经济性。

⑹ 国家正在出台一系列政策，鼓励并保护三联供系统。

5 典型的燃气冷、热、电三联供系统

典型的燃气冷、热、电三联供系统一般包括：动力系统、供热系统、制冷系统等。天然气冷、热、电三联供系统的模式有许多种，这主要取决于能源需求结构。针对不同用户需求，联产系统方案可选择范围很大。

本文以国家863计划，北方地区MW级分布式冷、热、电联供系统集成技术与示范工程的可行性研究的系统为依托，重点分析系统节能及设计特点。

北方地区MW级分布式冷、热、电联供系统集成技术与示范工程依托于呼和浩特市大盛魁文化创意产业园(位于呼市旧城区中心)，属自治区和市政府重点规划的产业园区，是著名商号“大盛魁”的旧址所在地，将建设成为集文化、旅游、休闲为一体的多功能园区。园区规划总占地面积约200亩、总建筑面积约20万m2。

系统拟定：燃气轮机＋余热锅炉＋蒸汽型双效溴化锂机组＋氨制冷机组＋电制冷机组＋水源热泵机组。天然气送入燃气轮机燃烧发电后，高温排气送入余热锅炉制取蒸汽，蒸汽经分汽缸至蒸汽型双效溴化锂机组和氨制冷机组，向项目园区提供热源和冷源，冷源不足时由电动压缩制冷机提供；为了进一步提高一次能源的转化率，余热锅炉尾部烟道设置低温烟气换热器为园区提供生活热水；由于国产蒸汽型双效溴化锂机组技术不是非常成熟，因此设置一台普通管式换热机组，满足冬季采暖供热安全要求。

系统拟定主要节能措施采用了热泵叠加技术和加设烟气低温换热器，提高了能源转化效率，降低了排烟损失。其中热泵叠加技术，极大提高溴化锂机组及氨制冷机组的能效比(COP)，目前该技术国内尚无应用。从理论上说，该技术新型能源利用的典范，具有很好的发展潜力和推广价值。

根据冷、热、电负荷情况，通过对系统拟定的优化、主、辅机设备选型的优化，初步计算本工程机组一次能源综合利用效率(HHV)达到75%以上，系统额定工况节能率达到29% 以上，均达到国家863计划要求。

6 结论

⑴ 以天然气为能源的冷、热、电三联供系统，实现了对能量的梯级利用，是节能、环保、经济的用能方式，有利于环保和可持续发展。

⑵ 冷、热、电三联供的节能是有条件的，并不是所有的情况都适合发展分布式能源，应在气源供应充足，经济条件允许，有冷、热、电负荷需求的情况下，因地制宜，而不能盲从。

⑶ 在电力上网允许的条件下，应该按照“以热定电”的原则对余热进行充分的利用，提高冷热电联供系统的综合利用效率，达到良好的经济效益，提高冷、热、电三联供系统的市场竞争力。

⑷ 为鼓励发展天然气冷、热、电三联供系统的发展，政府部门给予更多的政策鼓励支持，如电力并网，收购多余电力，环境效益补贴等。在天然气供应、热供应、电力上网及财政政策等方面，给分布式能源创造一个有利的发展环境。

⑸ 国家863计划对冷、热、电三联供系统的推广提供了强大的动力。但制约发展的一些因素也依然存在，通过宣传，加深人们对天然气冷、热、电三联供系统优越性的认识，借鉴国外有益经验，促进天然气冷、热、电三联供系统在全国的发展，尤其是北方地区。

⑹ 燃气冷、热、电三联供系统采用自发电，可以避开电网用电高峰，并且大大提高了建筑供电可靠性和安全性。

⑺ 热泵叠加技术在典型冷、热、电三联供系统中的应用，极大提高溴化锂机组及氨制冷机组的能效比(COP)。

⑻ 冷、热、电三联供系统与简单的供电系统相比，可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低了环境污染，明显改善系统的热经济性。

(9) 在我们看到冷、热、电三联供系统优点的同时，也应该看到该系统的缺点，其初投资大、技术含量相对较高，对维护人员的素质要求相应严格、运行费用过高、设备检修费用昂贵、网电与自发电切换等问题。

[1]中国科学院工程热物理研究所.大盛魁冷、热、电项目方案讨论方案，2009.

[2]内蒙古电力勘测设计院.北方地区MW级分布式冷、热、电联供系统集成技术与示范工程可研报告，2009.