三联供系统微电网制冷节能性分析

孙文彬，杨耿煌

（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

联供系统的微电网是集制冷、供热和发电三部分于一体，建立在能源梯级利用基础上的总能系统。三联供系统通过对发电利用后的低品位热能回收利用，对冷、热负荷制冷和供热，从而提高对能源的进一步利用，实现能源利用效率的最大化[1]。欧美等西方发达国家在三联供系统应用上不仅技术领先而且应用达到一定规模，三联供系统得到了很好的发展。国内三联供系统也得到一定的应用，业界普遍对冷热电三联供系统在节能经济和环保方面的优势给予肯定[2]。然而，三联供系统在制冷工况下的制冷设备各有差异，节能性评价标准和分析角度各不相同，因此三联供系统的吸收式制冷系统的节能问题有待进一步研究。本文以含小型燃气轮机的冷热电三联供系统的微电网为例，从制冷系统的一次能耗、一次能耗节能率和μ值（单位燃料燃烧产生的高品位热量相当于供热汽轮机抽汽或背压排汽口处的低品位热量[3]）的角度出发，对三联供系统的吸收式制冷系统和分产系统的电压缩式制冷系统进行比较，分析冷热电三联供系统在制冷方面的节能性，为进一步研究三联供系统制冷的节能性提供参考。

1 三联供系统微电网

使用常规能源进行供热制冷的分产系统，其能源利用效率比较低，普遍存在着能源浪费的现象。而微电网中，分布式冷热电联产的制冷供热所需要的能量来源于低品位能源，该制冷供热系统的能量利用遵循了能量梯级原理。因此，冷热电联产系统相对于分产系统，实现了能源利用的最大化，有效解决了制冷供热所带来的能源浪费的问题，对节能环保具有重要意义。分布式冷热电联产系统的组成形式主要有3种：燃气轮机+直燃型吸收式制冷机；燃气轮机+余热锅炉（不补燃）+吸收式制冷机；燃气轮机+余热锅炉+汽轮机+吸收式制冷机。本文以第2种组成形式的三联供系统为例，对其节能性进行分析，该三联供系统组成结构如图1所示。

图1 三联供系统框图

2 节能因素分析

从文献[4]提供的1 163 kW制冷系统能耗表中可知压缩式制冷系统与吸收式制冷系统（蒸汽双效型）相比，二者在冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机设备中都存在能耗。此外，压缩式制冷系统和吸收式制冷系统分别在冷水机组和溶液泵中也都存在能耗现象。结合当量热力系数（指消耗一次能源热量能够产生多少冷量，即消耗1 kJ燃料热能所能得到的制冷量[5]）的定义及对1 163 kW制冷系统能耗表中压缩式制冷系统与吸收式制冷系统的能耗分析，可得到压缩式制冷系统的当量热力系数为：

吸收式制冷系统的当量热力系数为：

式中：Qc为制冷系统制冷量；ηe为全国平均发电效率；ηn为电网输送效率，本文取值0.9；ηm为电动机总效率，本文取值0.9；Wce为冷水机组耗电量为冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机设备耗电量；Qh为吸收式制冷机组制冷所需蒸汽热量；ηp为蒸汽管道供热效率；Wca为吸收式制冷机组制冷所需电能；文献[3]对μ值作出了解释，文献[6]中进行推导并得到其表达式为：

一次能耗率是一次能耗量与需要输出能量的比值[6]。根据吸收式制冷系统与压缩式制冷系统的当量热力系数公式，可得到在压缩式制冷系统和吸收式制冷系统下，2种系统对应的一次能耗率和一次能耗量。

压缩式制冷系统的一次能耗率和一次能耗量分别为：

吸收式制冷系统的一次能耗率和一次能耗量分别为：

3 制冷系统的节能性分析

本文以1 163 kW相同制冷量产出为前提，分别分析一次能耗、μ值和一次能耗节能率对燃气轮机冷热电三联供系统的吸收式制冷系统节能的影响，并对2种制冷系统的节能性进行比较。

3.1 一次能耗的节能分析

本文参照文献[4]中Solar小型燃气轮机技术参数表和1 163 kW制冷系统能耗表相关基础数据，结合式（3），计算出 μ1～ μ5 的值，分别为 2.32，2.73，2.96，2.98，3.08。结合压缩式制冷系统的当量热力系数和吸收式制冷系统的当量热力系数表达式及2种系统的一次能耗率和一次能耗量表达式，计算出相应的一次能耗率、当量热力系数和一次能耗的数值，如图2和图3所示。

图2 一次能耗率与当量热力系数

图3 一次能耗

以1163 kW相同制冷量产出作为节能分析的前提，通过图3所示的压缩式制冷系统和三联供系统的吸收式制冷系统的一次能耗值的变化规律可以看出，三联供系统的吸收式制冷系统的一次能耗值比压缩式制冷系统的一次能耗值要小，且在三联供系统的制冷系统中，μ值越大其对应的一次能耗值越小，故可得吸收式制冷系统相对压缩式制冷系统具有节能性且吸收式制冷系统中μ值越大，节能性越好。

3.2 μ值与一次能耗节能率的节能分析

一次能耗节能率能够直接反映制冷系统是否具有节能性，当一次能耗节能率δ>0时，表明该系统节能，否则该系统不具有节能性。其表达式为：

本文对全国平均效率取值分别为0.33、0.40和0.55，计算不同型号燃气轮机吸收式制冷系统μ值对应的一次能耗节能率，并以不同的压缩式制冷系统和不同的μ值作为比较基础，从2种比较基础出发分别对系统的节能性进行分析。当全国平均发电效率分别取值为0.33时，基于不同压缩式制冷系统的节能性比较如图4所示，基于不同μ值的节能性比较如图5所示。

图4 发电效率为0.33时基于不同压缩式制冷系统的节能性比较

图5 发电效率为0.33时基于不同μ值的节能性比较

由图4、图5知，当全国平均发电效率为0.33时，以相同压缩式制冷系统作为比较基础可得：μ值越大，一次能耗节能率越大，吸收式制冷系统相较压缩式制冷系统的节能性越高；以相同μ值作为比较基础可得：相对于活塞式压缩制冷系统，吸收式制冷系统更具节能性，而相对于离心式压缩式制冷系统，吸收式制冷系统节能率偏低。

当全国平均发电效率分别取值为0.40时，基于不同压缩式制冷系统的节能性比较如图6所示，基于不同μ值的节能性比较如图7所示。

图6 发电效率为0.40时基于不同压缩式制冷系统的节能性比较

图7 发电效率为0.40时基于不同μ值的节能性比较

从图6、图7可知，当全国平均发电效率为0.33时，一次能耗节能率较发电效率为0.40时明显下降，只有μ1值对应吸收式制冷系统不具有节能性，而且对活塞式、螺杆式和离心式3种压缩式制冷系统也不具有节能性。

当全国平均发电效率分别取值为0.55时，基于不同压缩式制冷系统的节能性比较如图8所示，基于不同μ值的节能性比较如图9所示。

图8 发电效率为0.55时基于不同压缩式制冷系统的节能性比较

图9 发电效率为0.50时基于不同μ值的节能性比较

图8、图9显示：当全国平均发电效率取值为0.55时，大部分吸收式制冷系统不具有节能性，只当μ值取值较大时，才能表现出吸收式制冷系统的节能性。

4 结语

本文以燃气轮机作为动力设备，分析了余热锅炉和吸收式制冷机组成的冷热电三联供系统的节能性。结果表明：系统的节能不仅受到系统本身所用燃气轮机型号的影响，还与当地或全国的平均发电效率的取值有关。在使用该三联供系统制冷时，应结合燃气轮机型号与当地或全国平均发电效率，尽可能选取 μ值较大或较低的发电效率，同时还应考虑采用文献[7]的微网经济运行策略，从燃料价格、冷热电负荷需求和发电与售电成本等方面出发，综合比较分析，制定合理的三联供系统运行策略，使三联供系统充分发挥节能的优势。

参考文献：

［1］刘青容，阮英君，任建兴，等.冷热电三联产系统节能减排效果的理论分析［J］.华东电力，2010（2）：267-270.

［2］江亿，付林，李辉.天然气热电联供技术及应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［3］江亿，付林.热电冷三联供系统的节能分析［J］.节能，1999（9）：3-7.

［4］胡淞城.基于吸收式制冷的冷热电三联产系统的节能研究［D］．兰州：兰州理工大学，2009．

［5］王敏，房华荣，邓沪秋.基于热电冷三联供节能条件的应用分析［J］．山西能源与节能，2007（3）：25-27．

［6］刘长军.楼宇热电冷联供系统的节能分析与应用研究［D］．成都：西南交通大学，2003．

［7］郭佳欢.微网经济运行优化的研究［D］．北京：华北电力大学，2010.