分布式供能系统用于现代农业大棚的研究

华北电力大学能源动力与机械工程学院 罗 宁 何 青

现代化农业温室大棚需要有完善的光照系统、温湿度调节控制系统、通风系统、CO2浓度调节控制系统、灌溉喷雾系统等。目前农业大棚采用的系统包括：（1）光伏发电系统与温室大棚相结合；（2）太阳能光伏技术与地下水源热泵相结合[1-4]。

天然气分布式供能系统(CCHP)在我国得到了初步发展，达到了一定的节能减排效果，但通过实际运行得出的经验来看，存在一些政策和技术层面上的问题，这些问题从一定程度上影响了系统的经济性。影响系统经济性的因素主要有：（1）负荷特点；（2）运行模式；（3）补贴及税收政策；（4）并网成本[5-7]。

美国天然气分布式供能得到了良好的发展。根据美国能源部规划，到2020年，美国将新增各类热电联产机组9 500万kW，届时，热电联产机组装机容量将占全国发电总装机容量的29%，其中天然气分布式供能系统将占据增长的主要地位。同时，根据美国能源部预测，到2035年，天然气在工业与商业领域的应用将进一步加强，应用于工业领域的天然气量将在2009年的基础上增长27%，主要来自于天然气分布式能源在工业领域的应用。天然气能源的特点非常适合分布式供能系统，并且天然气作为清洁能源有很广阔的发展市场，因此考虑设计一个以天然气为核心的分布式供能系统为大棚提供冷、热、电需求。该系统将考虑不同能量的品位，并且根据品位的高低逐级利用，从而做到冷、热、电三种能量的有机统一，尽可能实现能量利用的最大化，提高系统能量的综合利用率，将系统的效率最大化[8,9]。本系统是对原有供能方式的改进，不涉及系统其他部位的改造，并且持续稳定，不受地区，天气等外部条件的影响，应用范围较广。

在确定大棚一年内的冷热负荷的基础上，通过分析大棚内的负荷特点，选择合适的设备为大棚供能。通过具体的负荷数值，根据以热定电的原则，确定各设备的型号和参数，最终设计一套完整的分布式系统为大棚供能，并确定系统内各设备在不同季节的运行状态。在此基础上，确定联产系统全年消耗的能量，并计算分产系统全年的能量消耗量，将两者进行对比，得出量化的结果，以确定该分布式供能系统是否节能。由于论文涉及到CO2的减排量，因此需算出联产系统相对于分产系统的CO2减排量。

此外由于本系统的燃料是天然气，故系统排放的烟气中含有CO2，因此可以考虑将系统排放的烟气通入大棚内满足大棚的CO2需求。以天然气为核心的新型供能大棚与传统的供能大棚相比具有循环低碳，环境友好，持续稳定的突出优势[10,11]。

1 大棚负荷分析及设备选取

1.1 大棚结构

以上海某农业设施示范研究中心所建立的示范性连栋温室为研究对象。单温室结构：长宽各30 m，高度6.5 m，占地面积约900 m2，天沟高6 m。总共有10个温室组成，两排连栋温室，一排五个。温室由钢架结构搭建而成，由透明玻璃作为围护结构。地区选择上海。连栋温室东西延伸，坐北朝南。温室结构如图1所示。

1.2 大棚CO2逐时需求量

引用参考文献[12]得到表1，此二氧化碳需求量是以大棚内的农作物为黄瓜测出的，并且按夏季96天、冬季110天和过渡季节159天计算。

图1 单温室概况图

表1 各季度温室二氧化碳需求量

由上表可知温室大棚内植株在全年白天光合作用需求的二氧化碳总量为420 060.2 kg。如果分布式供能系统产生的排气能够通入温室大棚中，提供大棚所需要的CO2，可以极大地促进CO2的减排。

1.3 大棚各个季节典型日负荷

经过对全年气候的分析，将全年分成三个季节：夏季、冬季和过渡季。通过处理全年的负荷数据，得出三个季节的典型日负荷，汇总如表2所示，其中负值表示热负荷，正值表示冷负荷。

表2 各个季节典型日负荷汇总表（单位：kW）

2 分布式供能系统设计

分布式供能系统的设备选型思路如图2所示。

2.1 蓄热/冷水箱容量计算和选择

2.1.1 蓄冷/热水箱容量计算方法

系统采用蓄能水箱来平衡24 h内的负荷差异，蓄能水箱的作用是在能量多余时储存起来，在能量不够时进行释放。根据此原理，蓄热/冷水箱的容量计算步骤归结如图3所示。

图3 蓄冷/热水箱容量确定流程

2.1.2 蓄冷/热水箱容量选择

根据图3所示的蓄冷/热水箱容量确定流程的计算方法，可以计算各个季节的蓄冷/蓄热水箱容量。

图4所示为夏季蓄能装置实际容量的确定。可以算出制冷/制热机的容量为1 216.83 kW，这一数值没有考虑蓄能装置的效率，是理想数值。系统在实际运行中需要考虑蓄能装置的效率，取蓄能装置效率为95%，因此上述结果需要修正，修正结果为1 230.65 kW，这是因为蓄能装置会使部分能量散失，造成能量的损失，因此需要多增加一部分储存量，以满足不够需要释放的能量。选取1 230.65 kW为基本容量，进而计算出此值和下部图形之间所围的面积得到蓄能装置的容量为6 634.75 kW。

图4 夏季蓄能装置实际容量的确定

采用同样的方法，得到如图5所示冬季蓄能装置实际容量。根据此数值可以计算得出在冬季蓄冷量为1 268.1 kW，蓄热量为2 119.93 kW。

图5 冬季蓄能装置实际容量的确定

同样的，得到如图6所示的过渡季蓄能装置实际容量。根据此数值可以计算得出在过渡季的蓄冷量为2 277.72 kW，蓄热量为531.03 kW。

图6 过渡季蓄能装置实际容量的确定

根据上面三个季节蓄能装置容量的计算，可以得出表3，通过表格中的对比可以清晰地选择其中最大的一个数值作为蓄能装置的容量。即蓄冷水箱6 634.75 kW，蓄热水箱2 119.93 kW。

表3 各个季节蓄冷/热量对比

2.2 吸收式制冷/制热机基本参数确定

根据上文负荷算出的各个季节的储存能量，可以确定各个季节的制冷和制热量，如表4所示。此容量是根据制冷机24 h运行算出的。

表4 各个季节制冷/热量对比

3 系统设备夏季运行方式的确定

3.1 吸收式制冷机夏季运行方式确定

根据选定的溴冷机功率233 kW，可以确定系统在夏季需要运行的台数为6台。

（1）每台溴冷机需要的余热量：

式中，P1为溴冷机的运行功率，kW；COP为制冷量与输入能量的比值。

（2）单位质量的烟气放热量：

式中，t1为溴冷机入口烟温，K；t2为溴冷机出口烟温，K；cp,g为烟气比热容，kJ/(kg·K)一般取1.2。

（3）每台溴冷机的燃气耗量：

式中，q1为单位质量的烟气放热量，kJ/kg。

根据上述计算过程，可以得到夏季溴冷机的参数如表5所示。

表5 夏季溴冷机的参数

3.2 燃气轮机参数计算和选择

（1）压气机理想出口温度：

式中，T1为压气机进气温度，K；π为压气机的压比；Ka为空气等熵滞止系数；

（2）压气机等熵效率：

式中，T2s为压气机的理想出口温度，K；T2为压气机的实际出口温度，K。

（3）压气机耗功：

式中，cp,a为空气的平均定压比热容，kJ/(kg·K)。

（4）透平膨胀比：

式中，εc为进气道的压损率，取0.01-0.015；εb为燃烧室的压损率，取0.03-0.06；εt为排气道的压损率，取0.025-0.07。

（5）透平入口温度和出口温度之间的关系：

式中，Kg为天然气等熵滞止系数。

（6）透平膨胀功：

式中，T3为燃气透平入口温度，K；T4为燃气透平出口温度，K。

（7）燃烧室内空气吸收的热量：

式中，为燃烧室入口空气温度，K。

（8）燃烧室效率：

式中，f为燃烧室所需燃料量，kJ/kg；Hu为天然气热值，kJ/kg；目前ηb一般在0.96-0.99之间。

（9）燃气轮机轴功率：

式中,ηm为机械效率；ηg为发电效率；Pw为燃气轮机发电功率，kW。

（10）燃气轮机比功：

（11）压气机吸入的空气流量：

（12）燃料流量：

（13）燃气轮机的效率：

（14）透平进口的燃气流量：

式中，μcl为从压气机抽引的空气的比率。

由于夏季运行6台溴冷机，因此先根据一台溴冷机的参数确定燃气轮机的功率。根据上述计算，再通过燃气轮机型号的对比，可以发现系统选用两台80 kW的燃气轮机对应一台溴冷机比较适合。机械效率选取0.99，发电效率选取0.98，从压气机抽引的空气的比率选为0。由上述计算，可以得出燃气轮机的各项参数，结果如表6所示。

3.3 烟气产量和烟气消耗量校核

由于在回热度为0.2的情况下，回热器出口烟气温度会比较高为518.69℃，而溴冷机的入口烟气温度需要保持在300℃，因此从回热器出口的烟气不能直接以此高温通过溴冷机，溴冷机入口需要掺入冷空气与高温烟气进行混合，使高温烟气的温度降到300℃。冷空气流量可由公式（18）得到。

式中，为回热器出口烟气温度，K。

表6 夏季燃气轮机整机参数

由上述一系列的计算可以最终得到溴冷机的烟气流量为1.28 kg/s，而一台溴化锂制冷机的烟气耗量为1.28 kg/s，因此烟气量满足要求，系统在此工况下可以正常运行。夏季系统的运行是两台80 kW的燃气轮机对应一台溴冷机，共6组。溴冷机每台开88%，通过对比烟气量可以算出燃气轮机在夏季为一天24 h满负荷运行。

4 系统冬季和过渡季运行方式及校核

4.1 冬季运行方式及校核

根据夏季算出的溴冷机功率以及燃气轮机功率，再结合冬季的负荷需求特点，制定出系统在冬季的运行方案为一台溴冷机运行。因此溴冷机在一天内的运行时间为11∶00-18∶00，即在白天连续6 h以最大制冷负荷运行，根据溴冷机的运行方式，可以算出溴冷机的燃气耗量，结果如表7所示。通过溴冷机的运行参数可以得到对应状态下的燃气轮机运行参数，结果如表8所示。

表7 冬季溴冷机的各个参数

由于已知回热器出口的烟气流量为0.67 kg/s，回热器出口烟气温度为593.86℃，且环境温度已知，可以算出需要掺入冷空气的流量为0.81 kg/s。因此可以得出最终进行溴冷机的烟气流量为1.48 kg/s，而一台溴化锂制冷机的烟气耗量为1.45 kg/s，烟气量满足要求，系统在溴冷机运行的工况下可以正常运行。

表8 冬季燃气轮机运行参数

4.2 过渡季的运行方式及校核

根据夏季计算出的溴冷机功率以及燃气轮机功率，再结合过渡季的冷负荷需求比热负荷需求大，且热负荷需求量较少的负荷需求特点，则溴冷机出口的烟气余热量就可以满足制热需求，而且制冷负荷和一台溴冷机的额定功率比较接近，是其额定功率的80%，因此考虑系统在过渡季的运行方案为一台溴冷机全天运行，这样会使系统的经济性较好。具体运行方案如表9所示。

表9 过渡季溴冷机运行方式

通过溴冷机的运行参数可以得到对应状态下的燃气轮机运行参数，结果如表10所示。

由于已知回热器出口的烟气流量为0.67 kg/s，回热器出口烟气温度为518.69℃，且环境温度已知，可以算出需要掺入冷空气的流量为0.60 kg/s。因此可以得出最终进行溴冷机的烟气流量为1.27 kg/s，而一台溴化锂制冷机的烟气耗量为1.20 kg/s，因此烟气量满足要求，系统在此工况下可以正常运行。

表10 过渡季燃气轮机的运行参数

5 分布式供能系统的计算

5.1 煤耗对比

热电联产和热电分产节能对比的基础是两者的产品相同，只有在这个前提条件满足的情况下，两种供能方式的对比才有意义。因此，要进行节能对比，需要根据大棚的全年冷负荷和热负荷，算出热电联产系统全年运行的能耗以及热电联产系统能够提供的电量，从而确定热电分产系统需要提供的能量，再计算出热电分产的能耗。这样就可以保证两种供能方式的产品相同，在此基础上得到的两种方式的煤耗对比才会有分析的价值。两种供能形式的对比如表11所示。

表11 联产分产的供能方式对比

5.2 联产煤耗

全年的时间按夏季96天、冬季110天和过渡季节159天计，由此可计算出各个季节的燃料消耗量，进而可以计算出燃气轮机在全年的燃气消耗量，天然气的热值已知为47 334.53 kJ/kg，由此可以算出燃气轮机全年运行消耗的能量，标准煤的热值为29 307.6 kJ/kg，因此可以算出联产系统全年消耗的标准煤的量。具体数据如表12所示。

表12 联产系统的煤耗

5.3 分产煤耗

（1）全年总冷负荷能量：

式中，QXL为夏季每天的冷负荷量，kJ；QDL为冬季每天的冷负荷量，kJ；QGL为过渡季每天的冷负荷量，kJ；TX为一年中夏季的天数；TD为一年冬季的天数；TG为一年中过渡季的天数。

（2）全年总热负荷能量：

式中，QXR为夏季每天的热负荷量，kJ；QDR为冬季每天的热负荷量，kJ；QGR为过渡季每天的热负荷量，kJ。

（3）中央空调全年制冷用电量：

式中，COP为中央空调的能效比。

（4）电制热全年用电量：

式中，ηR为电制热的效率。

（5）制冷和制热全年消耗的标准煤：

式中为供电标准煤耗率，g/kW·h；ζ为电网损失。

（6）全年产电量消耗的标准煤：

式中，Wc为全年产电量，kW·h。

按夏季96天、冬季110天和过渡季节159天计算，根据大棚在各个季节典型日的负荷分布可以计算出大棚在全年的总制冷负荷、总制热负荷。通过上述一系列的计算可以确定分产系统全年消耗的标准煤量，结果如表13所示。

5.4 煤耗量对比分析

由上述两节的内容可以确定出联产系统和分产系统各项煤耗量，将各参数进行对比可以得到图7。

表13 分产系统的煤耗计算

图7联产/分产各个季节煤耗量对比图

图7 将夏季、冬季、过渡季以及全年所消耗的标准煤的量分别进行了对比，从图7中可以看出，联产系统在夏季消耗的标煤量比分产多35.98 t，冬季消耗的标煤量比分产少122.27 t，过渡季则比分产多10.04 t，全年综合则是联产比分产消耗的少76.26 t。此外还可以看出两个系统的共同点：在夏季消耗的标煤量比冬季和过渡季明显多很多，比另外两个季节的总和还要多，这和大棚内的负荷有关，由于夏季冷负荷需求巨大，因此需要提供的能量是最多的。

6 减排量对比分析

6.1 基本排放指标对比分析

在进行排放指标对比之前，必须先确定每度电和每立方米天然气的排放指标，通过查取各数值，汇总如表14所示。

通过前面的计算可以得出分产系统的全年用电量为4.99×106kW·h；联产系统全年的天然气消耗量为1.29×106m3。分产和联产消耗的能量已知，各排放指标也已知，因此可以计算出各方案的排放量如表15所示。

表14 排放指标

表15 各方案产生的排放量

由表15可以得出图8，从图8中可以清楚的看到，联产系统与分产系统相比，所产生的CO2量显著的减少了，几乎为分产的一半；NOX的排放量也很少；SOX以及粉尘量都为0。因为天然气是清洁能源，所以污染物排放量可以大幅降低，从而可以有效改善当前环境的PM2.5问题，此外系统的CO2排放量大幅减少，减排量为2.44×106kg，减排效果十分明显。

图8 联产分产排放量对比图

联产系统比分产系统产生的CO2量少，是因为联产全年消耗的标准煤比分产消耗的标准煤少76.26 t，因此从标准煤这一基准来看，联产排放的CO2量就会少，而且更加节能。通过以上的对比，可以得出联产系统与分产系统相比，在减排方面有很突出的优势。

6.2 联产CO2被利用的减排量

生活中使用的各种燃气，实际上是混合气体，是由可燃气体和一些不可燃气体组成的。如果天然气完全燃烧，那么其中的 CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H10、C6H12都会燃烧产生CO2，由于天然气中CH4的体积分数高达94.09%，因此在计算时可以忽略天然气的其他成分，将CH4作为天然气的主要成分进行计算。根据CH4的燃烧化学反应，其化学反应方程式为：

图9联产分产CO2减排量对比图

图9 是分产、联产系统CO2未利用和联产系统考虑大棚CO2利用的CO2排放量对比图。通过图中的对比可以看出联产系统在考虑大棚利用CO2的情况下，CO2的排放量最低，此时的排放量约为分产排放量的40%，因此联产系统可以最大限度地减少CO2的排放量。

7 结论

（1）通过大棚各个季节典型日的冷、热负荷对比，确定了系统需要蓄冷/蓄热水箱来调节24 h内的负荷分布不均匀。最后确定了蓄冷水箱容量6 634.75 kW，蓄热水箱容量2 119.93 kW。由于系统需要利用烟气的余热，因此选用溴冷机来利用烟气的余热，结合大棚所需负荷的特点为冷负荷较多，热负荷较少，冷热负荷之间无法做到匹配，因此选择单效烟气溴冷机来利用烟气的余热产生系统所需要的冷量，确定溴冷机功率为233 kW，台数为6台。

（2）由于夏季工况下的负荷值较大，因此整个系统的计算以夏季工况为基准。通过溴冷机的功率和台数来计算燃气轮机的功率为80 kW，台数为12台，和溴冷机之间的运行方式为2台燃气轮机带1台溴冷机。系统冬季和过渡季的运行只做校核计算。

（3）计算联产系统和分产系统各自的CO2排放量，通过对比发现联产系统减排CO2的量为2.44×106kg，联产系统在考虑CO2被大棚利用的情况下CO2的减排量为2.95×106kg。CO2的需求量仅为系统产生CO2量的17.5%，联产系统产生的CO2量理论上满足需求。

（4）确定分产的供能方式为中央空调制冷，电加热，根据需要提供的冷负荷、热负荷和产电量分别计算出分产系统全年的标准煤耗量，最后将联产系统和分产系统进行对比，联产系统比分产系统更加节能，节能量为76.26 t标准煤。天然气分布式供能系统在大棚中的应用可以做到冷、热、电、CO2四联供。

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