微型冷热电联供系统节能潜力的分析

摘要：冷热电联供系统(CCHP)作为一种分布式能源供应系统，受到越来越广泛的重视。本文介绍了一种基于燃气内燃机和小型吸附制冷机的微型冷热电联供系统(MCCHP)。该系统集发电，夏季空调制冷、冬季地板采暖，全年生活热水供应为一体，适合家用及小规模业务领域的应用，并且易于科学研究。本文以一次能源利用率(PER)为主要评价指标对整个系统进行了详细的分析，指出该系统节能的潜力和方向。

0 前言

能源是社会发展的物质基础，目前全世界的能源结构正逐步由第一代集中式能源系统朝着第二代分布式能源系统建设的方向迈进。分布式能源系统 (DES)作为缓解我国严重缺电局面、节能降耗、保证可持续发展战略实施的有效途径受到普遍的关注。冷热电联供系统(CCHP) 作为分布式能源供应系统的一种，以其独立供能、综合效率高等特点，逐渐成为能源领域内研究的热点[1-4]。冷热电联供技术利用高品位的能量进行发电，充分回收热机做功过程中产生的低品位余热热能，并采用热/冷、或电/冷转换设备进行制冷，是实现能量梯级利用的一种有效手段。一般来说，CCHP系统主要由不同的原动机、换热设备和制冷设备等构成。由于燃气轮机和溴化锂制冷机在价格与规模上的局限性，使得无法应用于家庭及小型商用的领域。因此，根据我国国情，建立基于小型燃气内燃机和吸附制冷机的微型冷热电联供系统(micro-scale combined cooling, heating and power or MCCHP)成为了可能[5-6]。文献[7]完成了对微型冷热电联供系统的集成与部分的实验研究。该系统集发电、夏季制冷、冬季地板采暖、全年生活热水供应为一体，并且系统中水泵、电子设备等所需的电量完全由系统本身提供，因而可以脱离对外界分供系统的依赖，充分体现了小型“能源岛”的特征。本文主要以一次能源利用率(PER)为评价指标对整个系统进行了详细的分析，指出该系统节能的潜力和方向，今后为系统的优化设计与匹配做好准备。

1 微型冷热电联供系统的组成

微型冷热电联供系统是由额定发电量12 kW的燃气内燃机，制冷量9kW的吸附制冷机，换热设备、风机盘管、地板采暖盘路，以及冷却塔、水箱、水泵和连接管路等设备组成，实验系统如图1所示。燃气内燃机以天然气或者LPG为燃料，发电机组可提供400/230V、50Hz、3相4线制交流电。吸附制冷机采用硅胶-水为工质对，热源驱动温度为 60-95℃。由于系统监控硬件设备和软件系统的开发，使得系统的自耗电（如水泵、电子设备等）完全由自发电提供，从而联供系统可以脱离对传统分供系统的能量供应的依赖。系统可以同时向外界发电、供热和制冷，并可以作为对冷热电联供系统能量管理和运行策略研究的科学实验平台，其研究成果可以推广到其他类型的冷热电联供系统中。

图 2表示了实验系统的流程图。从功能上来分，系统是由下面的一些功能单元所组成：能量发生单元，能量转换单元，冷量供应单元，生活热水供应单元，地板采暖单元和电能供应单元。能量发生单元是由原动机燃烧天然气，向外界提供电能和热量，并通过能量转换单元将产生的热能分别用于吸附机制冷，生活热水供应和地板采暖。系统热能的利用和转换是由下面两个水回路实现的：内环水路和外环水路。内环水路从联供系统的原动机中吸收热能，并存储系统多余的热量。外环水路则吸收内环水路传出的热量，并用于吸附机制冷、生活热水和采暖的用热所需。

2 系统节能潜力的分析

2.1 MCCHP系统一次能源利用率的表述

评价冷热电联供系统的节能性，最常用的指标是一次能源利用率(PER)，它是系统输出的可用能量之和与系统输入的能量的比值[8-9]，即

(1)

在对MCCHP系统的节能潜力分析中 ，本文通过对影响系统PER值的各种因素进行详细的分析，进而得出提高系统节能性的方向。

对于微型冷热电三联供系统，所回收的热量来自于两部分：从缸套水中回收的热量为 ，从烟气中回收的热量为 。系统输入的总能量为 。在夏季工况时，设总回收的余热中有 份额用于热冷转换，这里 称为热量分配系数。另外，设系统所发出的电量为 。所以，微型冷热电三联供系统的一次能源利用率PER可表述为：

(2)

其中， 表示微型冷热电联供系统的PER值。当系统在冬季工况时不需要外界供冷， ＝0；其它工况，1≥ >0。

2.2 影响MCCHP系统PER值的因素分析

设微型冷热电三联供系统的电效率为 ， 为三联供系统的余热回收率，其中 ， 。则微型冷热电系统一次能源利用率的表达式可以表述为：

(3)

从上式可以看出，对于微型冷热电联供系统的一次能源利用率而言，实际上是将总体划分成电、热、冷三部分与输入总能量的比率。上式的第一项为电效率，第二项为用于热部分的回收率，第三项为整个系统的制冷效率。所以，为了提高MCCHP系统PER值，必须着眼于系统的发电效率、热回收效率和制冷效率的提高，以及合适的热量分配比。因此，上式表明具体影响MCCHP系统PER值的因素主要是 、 、 和COP。下面将通过计算，考察不同因素对系统PER值的影响。

2.3 各影响因素的灵敏度分析

为了比较不同影响因素对PER值的影响程度，这里进行各影响因素的灵敏度分析。对于冬季工况 ＝0，所以，

(6)

而且，

(7)

一般微型冷热电联供系统的 <0.35，所以在冬季工况，对系统PER影响最大的是发电效率。因此，在冷热电联供系统发动机选型时应该选择发电效率高的机组，并且尽可能在其高效率工况下运行。

对于其他工况，有部分的热量用于热冷转换。这里假定在电效率为 ，热回收率 为定值，则

(8)

而且，

(9)

因此，对于其他工况，为了提高系统的一次能源利用率，应该尽可能提高吸附式制冷机的COP值，从而提高系统效率。

下面将只取一个参数作为独立变量，考察各影响因素的灵敏度。

图3 各影响参数的灵敏度分析

从图3可以看出，在各影响因素中，发电效率 对系统PER值提高的影响是最大的，下面依次是余热回收率 和吸附制冷机COP和热量分配系数 。例如，当发电效率和余热回收率 各自增加10％时，PER值的增加量分别为10％和7.5％。同时，由于吸附制冷机的COP值小于1，因此当分配给吸附制冷空调的热量增多时，会影响联供系统PER值的提高。这一点可以从图3中热量分配系数 为负值这一点体现出来。因此，对于微型冷热电联供系统而言，应该尽量提高吸附制冷空调系统的COP值。

由于发电效率对系统PER值的影响程度最大，因此这里先着重考察 对联供系统PER值的影响。为了排除COP值和热量分配系数 的影响，下面主要在冬季工况下( ＝0)考察发电效率 对系统PER值产生的影响。

图4发电效率对系统PER值的影响

从图4可以看出，在一定余热回收率的情况下，发电效率越高，则系统PER值也越高，发电效率提升一点，PER值就会有大幅提高。而且不同的余热回收率都有着相似的规律。例如，当发电效率由0.2变化到0.3时，在余热回收率率为0.5时，联供系统的PER值由0.7变化到0.8；另外，在一定发电效率的条件下，余热回收率越高，系统的PER值也越高。即，在发电效率为定值的情况下，对系统对回收热量越充分，则PER值将有显著的提高。例如，当系统发电效率为0.25时，余热回收效率由0.5增加到0.6时，系统的PER值将由0.75增加到0.85。

2.4 微型冷热电联供系统相对一次能源利用率的分析

; 对于分供系统而言，只是通过燃料的燃烧放出热量，从而驱动热机做功，并不回收做功回收过程中的热量。联供系统恰恰是回收了这部分热量，因而从这个意义上讲，联供系统要比相应的分供系统PER值要高。

在只有原动机的分供系统中，原动机只用来发电，并不回收产生的余热，则其PER值可以表示为：

(10)

上式中， 表示只有原动机的分供系统的一次能源利用率。

为了比较联供系统相对分供系统的节能性，更深入的探讨联供系统的节能潜力，这里引入相对一次能源利用率 的概念，它是联供系统的PER值相对只有原动机的分供系统PER值的增加量，即

(11)

从式(11)可以看出，相对一次能源利用率总是大于0的。它是表征联供系统对于分供系统节能性相对高低的量，因而该值越大越好。但其具体值的大小要依据联供系统的 、 和COP具体的值而定。

假定吸附制冷空调系统的COP值为0.5，且为定值，下面着重考察余热回收率 和吸附制冷空调COP值对 值产生的影响。

图5 联供系统余热回收率 对 的影响

图6 吸附制冷空调COP值对 的影响

从图5可以看出，随着余热回收率 的增加，联供系统的节能性都有所增长。例如，在夏季工况 ＝1时，系统余热回收率由0.3增长到0.5时，系统的相对一次能源利用率值也由0.15增长到0.25。

从图6可以看出，随着吸附制冷空调COP值的增加，联供系统的节能性不断增加。并且随着联供系统余热回收率值的增加，斜率也随之增加。例如，在当余热回收率分别为0.4和0.6的情况下，吸附制冷空调的COP值由0.35增加到0.5时，相对一次能源率由0.12和0.18，分别增加到0.16和0.24。

3 结论

微型冷热电联供系统(MCCHP)以清洁的天然气为燃料，有效结合了燃气内燃机、发电机和固体吸附式制冷机，实现了能量的梯级利用。由于联供系统充分利用了热机做功过程产生的余热，因此联供系统总是要比中存在原动机的分供系统节能。

本文主要从系统一次能源利用率(PER)的角度，对MCCHP系统进行分析节能潜力的分析。从分析中可以发现，影响系统PER值的因素主要有发电效率 、余热回收率 、热量分配系数 和制冷机COP值。在各影响因素中，对提高系统PER值影响程度顺序依次为 、 、COP和 。其中，提高系统的发电效率对PER值的影响最大。对于相对一次能源利用率而言，增加系统余热回收率 和吸附制冷空调COP值的增加都会促进该值的增长。