冷热电联供系统热经济性评价方法比较

宋伟明

冷热电联供系统热经济性评价方法比较

宋伟明

中国大唐集团科学技术研究院有限公司

介绍了冷热电联供系统热经济性评价准则的研究进展状况，比较了不同评价准则的优劣，指出了现有热经济性评价方法的不足，为更好地对冷热电联供系统进行热经济性评价指明了方向。

冷热电联供热经济性评价准则热效率火用

0 引言

冷热电联供系统是一个多能量产品输出系统，具有节约能源、保护环境、提高供热供冷质量、增加电力供应等综合效益。以典型天然气冷热电联供系统为例，首先天然气燃烧释放高温热能，推动燃气轮机或内燃机做功发电，做过功的较高温度的余热驱动吸收式制冷机通过制冷循环来供冷，较低温度的余热驱动热泵或利用换热器来供热，从而实现对能源的阶梯利用，提高能源的综合利用效率。

为了评价不同冷热电联供系统的性能特征，比较不同系统的优劣，指导和优化系统设计，冷热电联供系统的热经济性评价成为研究的重点[1～2]。由于冷、热、电是不同的产品，很难直接进行定量比较，目前的热经济性评价准则主要有传统热效率[3～16]、节能率[5～11，17～23]、火用效率[7～16，24～28]、经济火用效率[7～9，15～16，28]、折合电效率[9～11，29]、当量电效率[11，30～31]、等效电效率[32～33]、以及能量梯级利用率[34～35]等几种，这些评价准则根据不同的标准对冷热电联供系统进行性能评价，但不同评价准则的适用条件和应用范围有一定差异，使用不同的评价准则会得到不同的结论，有些评价结论甚至相互矛盾[7～11]，因此选择科学合理的冷热电联供系统热经济性评价准则非常关键。

1 冷热电联供系统热经济性评价准则

1.1传统热效率

传统热效率[3～16]是根据热力学第一定律计算的能量利用效率，定义为冷热电联供系统的输出能量与一次能源消耗量的比值，其中一次能源消耗量按燃料低位发热量计算。

式中：η1为传统热效率；W为系统输出电量；Qh为系统供热量；Qc为系统供冷量；Q为系统一次能源消耗量。

传统热效率由于简单、直观，是评价冷热电联供系统性能时使用最为广泛的评价准则之一。由于电的品质高，热和冷的品质低，但传统热效率没有对能源的品质进行区分，也没有合理反映不同能源所消耗能量的分摊情况，它通常适用于单一功能系统，用于冷热电联供系统的性能评价是不科学的和不合理的。

在冷热电联供系统的实际应用中,经常通过补燃来调节冷、热量的供应[35～36]，增加系统灵活性，若按传统热效率计算，补燃部分的效率超过90%。但补燃没有体现能量的梯级利用，相当于直燃机或锅炉，从提高能源有效使用的角度上看，补燃是不值得提倡的，而传统热效率并不能真正反映系统能源利用的实际情况。因此在传统热效率的计算公式中，系统供热量应扣除补燃产生的热量，系统供冷量应扣除补燃产生的冷量。

1.2节能率

节能率[5～11，17～23]也是建立在热力学第一定律基础上的热经济性分析方法。评价冷热电联供系统的节能情况，可以采用在供热期或供冷期，按供应相同热量、冷量和电量的状况下，冷热电联供方式相对于冷热电分供系统（电网供电、锅炉供热、电制冷机供冷）的一次能量节约率来进行评价。节能率应按供热期、供冷期分别进行计算。供热期和供冷期的节能率计算式分别如下：

式中：ηzh为供热期节能率；ηzc为供冷期节能率；ηe为联供的供电效率；ηce为考虑输配能耗的电网供电效率；ηh为联供的供热效率；ηb为锅炉的供热效率；COPa为吸收式制冷机的制冷系数；COPe为电制冷机的制冷系数。

可以看出，在分供系统参数（ηce、ηb、COPe）一定的情况下，冷热电联供系统在供热期的节能率随联供系统发电效率和供热效率的提高而提高，在供冷期的节能率随联供系统发电效率、供热效率和吸收式制冷机制冷效率的提高而提高。随着电制冷机制冷系数和电网供电效率的提高，冷热电联供系统的节能率将逐渐降低，甚至不节能。冷热电联供系统的节能率与分供系统参数有很大关系，在不同的电网供电效率、锅炉供热效率和电制冷机效率下，得到的结果会有差异。而且节能率和传统热效率一样，仍然没有区分冷、热、电三种能源的品质差异。

1.3

火用效率[7～16，24～28]是从热力学第二定律出发，考虑了电能与冷、热能之间存在的品位差异，以及不同温度的冷、热能之间的品位差异。火用效率定义为被有效利用或收益的火用与投入或耗费的火用的比值。

式中：η3为火用效率；Eh为热量；Ec为冷量火用；Ef为燃料；T0为环境温度；Th为热源温度；Tc为冷源温度。

1.4

式中：η4为经济效率；Pe为电价；Ph为热价；Pc为冷价；Pf为燃料价格。

1.5 折合电效率

冷热电联供系统的折合发电效率[9～11，29]是假定系统中冷量和热量输出的能耗都与参照的分产系统相同时，推算得到的发电效率。分产系统的供热效率采用锅炉的供热效率，制冷效率采用电制冷机的制冷效率。

式中：η5为折合电效率。

同样道理，还可以得到折合供热效率和折合制冷效率。折合效率指标把联供带来的好处仅归于电、热或冷中的其中一种产品，而认为对其他产品没有任何影响。这样处理虽然简单明了，但与实际情况不符，是不合理的。

1.6当量电效率

热量、冷量和电量三者相比，虽然电量具有最高品质，但冷量、热量与电量都具有等价性。当量电量就是把联供系统中冷量或热量分别折合成相应的常规系统输出相同冷量或热量所消耗的电量，当量电量之和与系统一次能源消耗量比值即为当量电效率[11，30～31]。

式中：η6为当量电效率；COPh为电动热泵的供热系数。

可以看出，冷量和热量的权重与生产冷热的参照的常规系统的性能有关，常规系统的电动热泵和电制冷机的效率对当量电效率的结果产生很大影响。随着技术进步，常规系统中的电动热泵和电制冷机的效率将提高，冷量和热量将更容易获得，那么冷量和热量的加权因子就会降低。

1.7等效电效率

等效电效率[32～33]是基于所有一次能源（煤、天然气、油、水力、核力、太阳能、风能等）都可以用来发电的前提，以高品位的电作为基准，将冷量、热量和燃料按照一定的折算系数转化为电，同时考虑了不同能源量的差异和质的不同。与当量电效率的折算方法不同，等效电效率是利用等效电系数反映了该类型能源转化为电的最大效率，其值反映了各种不同能源的品位，由热力学第二定律推出。

式中：η7为等效电效率；Kh为供热的等效电系数；Kc为供冷的等效电系数；Kf为燃料的等效电系数；Tg为供水温度；Tr为回水温度；Ts为蒸汽温度；Tb为燃料完全燃烧的温度。

采用等效电系数，一次能源和二次能源都可以转化为电，方便不同类型能源的比较，同时考虑了能源转化为电的最大能力，反映了能源的品位高低。等效电效率不仅可以衡量冷热电联供系统的效率水平，还可以将不同种类一次能源和不同能源利用方式的转化效率进行比较。

1.8能量梯级利用率

能量梯级利用率[34]从能量品位和梯级利用的角度全面考虑冷、热、电产品的性能，借助统一量化的能级品位系数作为冷、热、电的权重系数，来表达不同产品的不等价性，并且考虑了所消耗能量的数量和品位，以及随着比较条件的变化而变化的情况。

式中：η8为能量梯级利用率；Ae为电的能级品位系数；Ah为热的能级品位系数；Ac为冷的能级品位系数；Af为燃料的能级品位系数；△E为能量传递过程的火用变化；△H为能量传递过程的焓变化。

能量梯级利用率从发电、制冷及供热等过程耗用能量的品位和生产产品的品质等全面权衡不同能量转换利用过程的本质差异，较好地区分耗用能量的数量和质量，更好地区分冷量与热量的不等价性，也把不同温度的供热差异反映出来。

2 各种评价准则的比较

1）传统热效率简单、直观，但它将冷、热、电三种产品等同对待，忽略了能量的品位差别，得到的结果是不合理的，因此它通常适用于只有单一产品的系统。

2）节能率考察了燃料的节约使用效率，但节能率与参照的分供系统性能有很大关系，根据不同参照系统将得到不同的结果，而且节能率同样未考虑能量的品位差异，因此它也只适用于只有单一产品的系统。

3）火用效率虽然区分了冷、热、电三种产品的品位，但它过分看重能量的做功能力,而轻视了冷、热的生产，它适用于对发电过程的评价，用于评价冷热电联供系统不够合理。

5）折合电效率把联供集成带来的好处归于电一种产品，忽略了冷、热、电生产过程的相互影响，与实际情况不符。

7）等效电效率从能源转化为电的最大能力的角度，反映了能源的品位高低，不仅可以衡量冷热电联供系统的效率水平，还可以将不同种类一次能源和不同能源利用方式的转化效率进行比较，计算方法较为直观。

8）能量梯级利用率从耗用能量的品位和生产产品的品质等全面权衡不同能量转换利用过程的本质差异，反映了冷、热、电品位的差异和能量的梯级利用，它可以用于对不同种类一次能源输入的多能源互补系统的评价，但能级品位系数的计算公式较为复杂。

3 结语

1）冷热电联供系统热经济性评价准则是评价冷热电联供系统热经济性的重要指标，不同评价准则具有不同的适用条件，选择科学合理的冷热电联供系统热经济性评价准则非常关键。

2）传统热效率和节能率虽然简单，但它们都忽略了能量的品位差别，通常适用于只有单一产品的系统；火用效率过分看重能量的做功能力,用于对发电过程的评价较为合理；经济火用效率不反映能源利用的效率和热经济性；折合电效率忽略了冷、热、电生产过程的相互影响，与实际情况不符；当量电效率与参照系统有关，具有一定的局限性；等效电效率从等效电的角度合理考虑了能量的品位差异，适用范围较为广泛，计算方法较为直观；能量梯级利用率反映了冷、热、电品位的差异和能量的梯级利用，适用范围较为广泛，但计算过程较为复杂。

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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

宋伟明（1985～），男，博士，工程师；北京市昌平区北农路2号中国大唐集团科学技术研究院有限公司（102206）；

E-mail:songweiming@cdsti.com.cn