冷热电三联供系统特性分析与设计优化

杨晓龙 张林林 王娟丽 王亮

摘 要：发展新的可替代、无污染、低碳化的新能源是能源开发利用的必由之路。冷热电三联供系统能够利用各种低品位、一次能源进行能源转换，减少区域内分散的高能耗的供能设备，从而在客观上对城市的环保、资源循环利用、节省一次能源等方面做出巨大贡献。

关键词：冷热电三联供；能源梯级利用；设计优化

中图分类号：TU81                                      文献标识码：A                             文章编号：2096-6903（2023）05-0025-03

0 引言

近年来，中国节能减排工作获得了诸多成就，2020年国家明确提出“2030碳达峰”与“2060碳中和”的目标，节能减排工作已成为全社会参与的国事、大事。冷热电三联供技术是提高能源效率的主要技术之一，是节能减排的高效举措，与健康稳定发展战略方向一致，着力改善能源结构，并高度重视能源的综合利用和提高能效及新能源和可再生能源的发展及合理利用，促进节能减排[1]。

区域内冷热电三联供技术的发展符合国家大政方针，具有广泛的发展前景。本文就冷热电三联供系统特性进行分析，并且详细介绍如何进行系统设计优化。

1 冷热电三联供系统概述

1.1 冷热电三联供系统应用原理

冷热电三联供是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将供暖（采暖和热水）、制冷及发电过程有机结合在一起的总能系统。通过能源的梯级利用，燃料通过热电联产装置发电后变为热能，用于采暖、生活热水等，同时热能也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调制冷，从而形成了热电冷三联供系统。

1.2 冷热电三联供系统应用优势

冷热电三联供系统是一种分布式能源，综合效益极高，能增加电力供应、改善环境、节省能源，是提升能源综合使用率及治理城市大气污染的重要途径，与我国可持续发展战略相一致。

天然气作为一种高热值、储量丰富而且环保的洁净能源，以其为燃料的热电冷三联供技术越来越受到人们的青睐[2]。冷热电三联供能充分运用天然气热，使用效率大于90%，有利于减少天然气供热成本支出，可将部分成本转移到电费上，降低运营成本重担。因为冷热电三联供可高效转换能源，所以在世界各国的能源领域中，冷热电三联供的应用优势比较突出。

此外，三联供不仅使得燃气的热能被充分利用，还能充分利用新能源，提高能源的综合利用功效。比如：在太阳能充足的地区可以增设光伏发电，在地热能充足地区可以设置地源热泵系统，真正做到多能互补、梯级利用。

2 项目概述

某项目基地位于贵阳市，总用地面积431 093.49 m2，总建设用地面积348 845.06 m2，代征道路用地面积63 160.07 m2，代征绿化用地面积19 088.36 m2。用地呈不规则三角形，内部环境优美，植被丰茂，地势高低错落，地势最高点海拔1 288 m，最低点海拔1 238 m，景观优势明显。用地内有两个相对山丘高点。东南侧（临天河潭大道及东侧规划路）用地相对平坦，山地主要集中在西北侧。整个用地地势北高南低，最低点集中在场地南侧，形成谷地。用地限制建筑最高点不超过海拔1 326 m。

该项目为医疗卫生综合体，总建筑面积515 160 m2，一期建筑面积322 611 m2，二期建筑面积约192 549 m2。具体建筑包括：门急诊医技综合楼、医技综合楼、病房楼及高压氧舱、感染疾病科、行政办公会议楼等。主要功能有门急诊、手术、住院等。门诊量为9 000人/d；住院病床数一期有1 500床，二期有1 500床。

3 改进后的能源方案

医院冷电、热、冷负荷与生活热水负荷稳定，要求能源供应具有高可靠性和高保障。因此，在双保证的前提下搭建区域能源方案。

3.1 总体能源方案

运行策略与运行方式为能源塔+地源热泵及三联供优先运行，锅炉与制冷机组作为调峰和保障措施。

3.1.1 能源塔热泵系统

3.1.1.1 能源塔热泵技术应用数据

因为冬天气候、气象条件阴雨连绵，潮湿阴冷，湿球温度高，同时能量储藏大，所以在提取低品位能性能方面，风冷热泵没有能源塔稳定。

能源塔热泵机组性能系数（COP）在整个冬季可控在3.0～3.5之间。因为能源塔是依据冬天提取显热负荷能力设计的，所以在夏天将能源塔转为冷却塔之后，地换热面非常充足，能对瞬间空调余热负荷进行有效承受，冷却水温低，提升了换热效率。机组的能效比（EER）在整个夏天可控在4.2～4.5之間，具有非常明显的节能效果。

因此，能源塔热泵技术综合经济性能高，在夏季制冷中应用广泛，负压蒸发冷却水温度低。在冬季供暖时，可以使用负温度喷淋放霜溶液及低温宽带技术。

在我国长江流域以南，平均气温约2℃的气候下，能源塔热泵技术耗能比单冷机+燃油锅炉供能方案少约45%，比单冷机+燃气锅炉供能方案少约25%，比高混合源地源热泵供能方案少约5%。

3.1.1.2 能源塔热泵技术优势

能源塔热泵技术属于高效环保技术，是可再生能源利用的技术之一，能量储藏不限制能源塔提取低品位能。相较于风冷热泵机组，可节约能源20%～25%，接近土壤热泵空调节约能源效果。

能源塔热泵技术与其种类热泵相比，具有如下优点：①相较于地源热泵，能源塔热泵技术占地小，地质条件不会对其造成干扰。②相较于水源泵，能源塔热泵技术不依赖热源，如地表水、地下水等。③相较于风冷热泵，能源塔热泵技术功率大，几乎没有噪声。④能源塔热泵技术初投资少、高性价比。

3.1.2 地源热泵

3.1.2.1 水平式地源热泵

通过水平埋置于低于地表面2～4 m的闭合换热系统，与土壤进行冷热交换。在制冷供暖面积相对较小同时埋地面积相对较大的系统中适用。初投资相对较少，施工难度小，但是需对占地面积较大的问题进行平衡。

3.1.2.2 垂直式地源热泵

在50～400 m深的岩土体中埋置闭合换热系统，通过垂直钻孔将其与土壤进行冷热交换。在制冷供暖面积大的建筑物中比较适用，相比于水平系统其占地面积较小。该系统初投资较高，施工难度相对较大，但可以尽量减小地面占用的问题。

本项目所在地贵阳市地质呈现喀斯特地貌特征，竖向地埋管易造成土壤与埋管接触不良，影响传热效果，故本项目推荐采用水平埋管系统。

3.1.3 三联供系统

本项目采用冷热电三联供系统，以能源的梯级利用来满足不同的能源需求，提高能源利用效率，降低能源利用成本，减少CO2排放。

本项目采用的CCHP系统，主要由3台Capstone公司生产的200 kW微型燃气轮机（以下简称为C200）、1台吸收式制冷机、3台电制冷机组成，用于承担该单位建筑的冷、电负荷。

分析负荷计算结果，以夏季典型日24 h冷、电逐時负荷为例，在碳排放价格56元/t条件下，直接将56元/t代入进行优化计算。根据日电热负荷规律，发现运行策略整体可分为2个阶段。

3.1.3.1 阶段1的运行策略

阶段1为20：00～09：00，这个阶段该建筑的冷、电负荷较低，均不大于200kW。具体有：从电网购电承担电热负荷和只开1台燃气轮机发电并通过余热制冷机制冷承担冷、电负荷2种不同的策略。具体策略的选择与该模型模拟时采用的分时电价相关。

在23：00～07：00，电价处于谷段，购电成本低。在其余时间电价处于平段甚至峰段，购买天然气发电成本低，所以开1台燃气轮机发电并通过余热制冷机制冷。

即便阶段1的时段冷负荷低，燃机全部余热制冷量高于用户冷负荷，需要丢弃一部分余热，但此时燃机发电和部分余热制冷成本低于购买同等电量的成本，经济性仍然良好。

3.1.3.2 阶段2的运行策略

阶段2为10：00～19：00，这个阶段的整体冷、电负荷较高，其中电负荷均高于600 kW，冷负荷均高于1 000 kW，3台C200满负荷运行，全部余热量均用于制冷。该时段所有余热用于制冷，仍不足以满足用户冷负荷，多余冷负荷需要电制冷压缩机承担，在负荷形式上体现为从冷负荷向电负荷的转化。10：00～19：00购电量与发电量之和是远大于用户电负荷的。以14：00为例，此时的电负荷低于3台燃机最大发电量，但仍需额外购电，正是因为此时余热制冷量不足，冷负荷通过电制冷压缩机转化为电负荷导致整体阶段2的余热制冷量不足，需要通过提高吸收式冷温水机效率和增大余热量来改善。

通过对计算结果的逐时分析，发现阶段1出现余热量丢弃，阶段2出现余热量不足，若能将阶段1余热量储存到阶段2使用，可进一步节约成本和降低系统的碳排放量。同时，模型给出的运行策略与算例负荷拟合良好，验证了模型的正确性、可靠性和实用性。

3.1.4 调峰锅炉与制冷机组

电制冷冷水机组和燃气锅炉属于常规系统，技术成熟可靠，该系统可兼做能源系统的保障系统，提高整体能源供应的安全可靠性。因此，项目设置调峰冷水机组及调峰锅炉系统，用于负荷高峰期调峰使用，以及项目初期电负荷较小，运行三联供系统不经济时开启。

常规中央空调系统的主要制冷设备为冷水机组，机组利用电为动力源，制冷剂在蒸发器内蒸发吸收空调水的热量进行制冷，并通过泵设备向中央空调用户提供冷冻水。冷冻水在末端用户处进行热交换后升温，重新由泵设备输送回冷水机组制冷。而冷水机组吸收的热量则通过冷却水系统将热量带到冷却塔排出[4]。

相比于三联供及地源热泵系统，冷水机组和燃气锅炉产品成熟，设备价格相对较低，运行控制简易、维护简单。同时冷机COP值较高，一般在4～6之间，节省运行费用。但是，夏季需要设置冷却塔来提供机组所需的冷却水，室内热量以水为媒介经冷却塔直接排放到空气中去。

燃气锅炉供热系统供水温度可以有效保障，但是相比于三联供系统，其一次能源利用率较低，不利于节能，同时在燃料燃烧过程中，不可避免的产生破坏环境的CO2、CO、SO2、粉尘等废气废物。

综上，本项目的冷机及燃气锅炉仅考虑调峰和供能安全因素设置，装机容量约为能源系统总容量的20%。

3.1.5 净化空调区域

净化空调区域包括手术室与供应中心等。医院手术室供应中心等特殊用能区域，需要保障系统24 h运行。推荐该类区域增设单独的冷热源系统，与能源站大系统并联，利于后期系统运行调节，灵活匹配用冷用热需求。

3.2 生活热水方案

贵阳市年平均阴天日数为235.1 d，年平均日照时数为1148.3 h，日照时数偏低，故本项目不考虑设置太阳能热水系统。贵阳市室外日平均干球温度高于15℃的天数为198 d，适宜采用空气源热水器[5]。

本项目生活热水负荷为6 584 kW，生活热水方案为太阳能热水器+空气源热水器+缸套水或余热机+调峰锅炉+蓄热水罐。夏季采用空气源热水器+调峰锅炉+蓄热水罐的方式，冬季采用空气源热水器+调峰锅炉+缸套水或余热机+蓄热水罐的方式。

医院生活热水负荷较大，且用热需求稳定，生活热水系统需单独设置。可以选用2台调峰燃气热水锅炉（单台热功率2 800 kW）＋5台空气源热水器（总热功率120 kW），再设置蓄热水罐，用于平衡负荷高峰。

4 结束语

本文结合当前节能减排政策及区域供能的优势，就冷热电三联供系统特性与设计优化进行仔细分析。在整体分析过程中，详细介绍了冷热电三联供系统的概念，并针对冷热电三联供系统的设计进行详细分析，再结合实际案例，对冷热电三联供系统的优化进行仔细介绍。

我国当前大部分供冷供热供电分散，能源利用率低，而冷热电三联供系统能够结合当地的能源形式，达成最适合该区域的供能方式及运行策略。因此，希望通过本文分析整理，能够为我国当前区域能源系统的应用与优化提供更多帮助。

参考文献

[1] 王亚楠，吴杰康，毛晓明.基于随机动态规划的多能联供系统冷热电经济分配模型[J].电力自动化设备，2019，39（6）：21-26.

[2] 梁荣，王洪涛，吴奎华，等.基于神经网络和ARIMA模型的冷热电短期负荷预测[J].电力系统及其自动化学报，2020， 32（3）：52-58.

[3] 胡静，姚峻，艾春美，等.分布式冷热电三联供智能集控平台研究及应用[J].中国电力，2019（5）：42-47.

[4] 王文静，龚文杰，于强，等.基于蜂群优化算法冷热电联供型微网经济调度研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2019（2）：50-55.

[5] 张凯真，柳善建，刘亚亚，等.冷热电联供系统运行策略及优化控制研究进展[J].新能源进展，2019（2）：168-175.