【關(guān)鍵詞】冷熱電三聯(lián)供,燃氣內(nèi)燃機,吸附式制冷,CCHP
【摘要】冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)作為一種分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)，受到越來越廣泛的重視。本文介紹了一種基于燃氣內(nèi)燃機和小型吸附制冷機的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(MCCHP)。該系統(tǒng)集發(fā)電，夏季空調(diào)制冷、冬季地板采暖，全年生活熱水供應(yīng)為一體，適合家用及小規(guī)模業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，并且易于科學研究。本文以一次能源利用率(PER)為主要評價指標對整個系統(tǒng)進行了詳細的分析，指出該系統(tǒng)節(jié)能的潛力和方向。
0 前言
能源是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，目前全世界的能源結(jié)構(gòu)正逐步由第一代集中式能源系統(tǒng)朝著第二代分布式能源系統(tǒng)建設(shè)的方向邁進。分布式能源系統(tǒng)(DES)作為緩解我國嚴重缺電局面、節(jié)能降耗、保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施的有效途徑受到普遍的關(guān)注。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP) 作為分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)的一種，以其獨立供能、綜合效率高等特點，逐漸成為能源領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點[1-4]。冷熱電聯(lián)供技術(shù)利用高品位的能量進行發(fā)電，充分回收熱機做功過程中產(chǎn)生的低品位余熱熱能，并采用熱/冷、或電/冷轉(zhuǎn)換設(shè)備進行制冷，是實現(xiàn)能量梯級利用的一種有效手段。一般來說，CCHP系統(tǒng)主要由不同的原動機、換熱設(shè)備和制冷設(shè)備等構(gòu)成。由于燃氣輪機和溴化鋰制冷機在價格與規(guī)模上的局限性，使得無法應(yīng)用于家庭及小型商用的領(lǐng)域。因此，根據(jù)我國國情，建立基于小型燃氣內(nèi)燃機和吸附制冷機的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(micro-scale combined cooling, heating and power or MCCHP)成為了可能[5-6]。文獻[7]完成了對微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集成與部分的實驗研究。該系統(tǒng)集發(fā)電、夏季制冷、冬季地板采暖、全年生活熱水供應(yīng)為一體，并且系統(tǒng)中水泵、電子設(shè)備等所需的電量完全由系統(tǒng)本身提供，因而可以脫離對外界分供系統(tǒng)的依賴，充分體現(xiàn)了小型“能源島”的特征。本文主要以一次能源利用率(PER)為評價指標對整個系統(tǒng)進行了詳細的分析，指出該系統(tǒng)節(jié)能的潛力和方向，今后為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與匹配做好準備。
1 微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的組成
微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是由額定發(fā)電量12 kW的燃氣內(nèi)燃機，制冷量9kW的吸附制冷機，換熱設(shè)備、風機盤管、地板采暖盤路，以及冷卻塔、水箱、水泵和連接管路等設(shè)備組成，實驗系統(tǒng)如圖1所示。燃氣內(nèi)燃機以天然氣或者LPG為燃料，發(fā)電機組可提供400/230V、50Hz、3相4線制交流電。吸附制冷機采用硅膠-水為工質(zhì)對，熱源驅(qū)動溫度為60-95℃。由于系統(tǒng)監(jiān)控硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的開發(fā)，使得系統(tǒng)的自耗電（如水泵、電子設(shè)備等）完全由自發(fā)電提供，從而聯(lián)供系統(tǒng)可以脫離對傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的能量供應(yīng)的依賴。系統(tǒng)可以同時向外界發(fā)電、供熱和制冷，并可以作為對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量管理和運行策略研究的科學實驗平臺，其研究成果可以推廣到其他類型的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中。
圖1 實驗系統(tǒng)照片
圖2 基于燃氣內(nèi)燃機和固體吸附式制冷機組的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖
圖2表示了實驗系統(tǒng)的流程圖。從功能上來分，系統(tǒng)是由下面的一些功能單元所組成：能量發(fā)生單元，能量轉(zhuǎn)換單元，冷量供應(yīng)單元，生活熱水供應(yīng)單元，地板采暖單元和電能供應(yīng)單元。能量發(fā)生單元是由原動機燃燒天然氣，向外界提供電能和熱量，并通過能量轉(zhuǎn)換單元將產(chǎn)生的熱能分別用于吸附機制冷，生活熱水供應(yīng)和地板采暖。系統(tǒng)熱能的利用和轉(zhuǎn)換是由下面兩個水回路實現(xiàn)的：內(nèi)環(huán)水路和外環(huán)水路。內(nèi)環(huán)水路從聯(lián)供系統(tǒng)的原動機中吸收熱能，并存儲系統(tǒng)多余的熱量。外環(huán)水路則吸收內(nèi)環(huán)水路傳出的熱量，并用于吸附機制冷、生活熱水和采暖的用熱所需。
2 系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析
2.1 MCCHP系統(tǒng)一次能源利用率的表述
評價冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性，最常用的指標是一次能源利用率(PER)，它是系統(tǒng)輸出的可用能量之和與系統(tǒng)輸入的能量的比值[8-9]，即
(1)
在對MCCHP系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析中，本文通過對影響系統(tǒng)PER值的各種因素進行詳細的分析，進而得出提高系統(tǒng)節(jié)能性的方向。
對于微型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，所回收的熱量來自于兩部分：從缸套水中回收的熱量為，從煙氣中回收的熱量為。系統(tǒng)輸入的總能量為。在夏季工況時，設(shè)總回收的余熱中有份額用于熱冷轉(zhuǎn)換，這里稱為熱量分配系數(shù)。另外，設(shè)系統(tǒng)所發(fā)出的電量為。所以，微型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率PER可表述為：
(2)
其中，表示微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的PER值。當系統(tǒng)在冬季工況時不需要外界供冷，＝0；其它工況，1≥>0。
2.2 影響MCCHP系統(tǒng)PER值的因素分析
設(shè)微型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的電效率為，為三聯(lián)供系統(tǒng)的余熱回收率，其中，。則微型冷熱電系統(tǒng)一次能源利用率的表達式可以表述為：
(3)
從上式可以看出，對于微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率而言，實際上是將總體劃分成電、熱、冷三部分與輸入總能量的比率。上式的第一項為電效率，第二項為用于熱部分的回收率，第三項為整個系統(tǒng)的制冷效率。所以，為了提高MCCHP系統(tǒng)PER值，必須著眼于系統(tǒng)的發(fā)電效率、熱回收效率和制冷效率的提高，以及合適的熱量分配比。因此，上式表明具體影響MCCHP系統(tǒng)PER值的因素主要是、、和COP。下面將通過計算，考察不同因素對系統(tǒng)PER值的影響。
2.3 各影響因素的靈敏度分析
為了比較不同影響因素對PER值的影響程度，這里進行各影響因素的靈敏度分析。對于冬季工況＝0，所以，
(6)
而且，
(7)
一般微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的<0.35，所以在冬季工況，對系統(tǒng)PER影響最大的是發(fā)電效率。因此，在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)動機選型時應(yīng)該選擇發(fā)電效率高的機組，并且盡可能在其高效率工況下運行。
對于其他工況，有部分的熱量用于熱冷轉(zhuǎn)換。這里假定在電效率為，熱回收率為定值，則
(8)
而且，
(9)
因此，對于其他工況，為了提高系統(tǒng)的一次能源利用率，應(yīng)該盡可能提高吸附式制冷機的COP值，從而提高系統(tǒng)效率。
下面將只取一個參數(shù)作為獨立變量，考察各影響因素的靈敏度。
圖3 各影響參數(shù)的靈敏度分析
從圖3可以看出，在各影響因素中，發(fā)電效率對系統(tǒng)PER值提高的影響是最大的，下面依次是余熱回收率和吸附制冷機COP和熱量分配系數(shù)。例如，當發(fā)電效率和余熱回收率各自增加10％時，PER值的增加量分別為10％和7.5％。同時，由于吸附制冷機的COP值小于1，因此當分配給吸附制冷空調(diào)的熱量增多時，會影響聯(lián)供系統(tǒng)PER值的提高。這一點可以從圖3中熱量分配系數(shù)為負值這一點體現(xiàn)出來。因此，對于微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)而言，應(yīng)該盡量提高吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)的COP值。
由于發(fā)電效率對系統(tǒng)PER值的影響程度最大，因此這里先著重考察對聯(lián)供系統(tǒng)PER值的影響。為了排除COP值和熱量分配系數(shù)的影響，下面主要在冬季工況下(＝0)考察發(fā)電效率對系統(tǒng)PER值產(chǎn)生的影響。
圖4發(fā)電效率對系統(tǒng)PER值的影響
從圖4可以看出，在一定余熱回收率的情況下，發(fā)電效率越高，則系統(tǒng)PER值也越高，發(fā)電效率提升一點，PER值就會有大幅提高。而且不同的余熱回收率都有著相似的規(guī)律。例如，當發(fā)電效率由0.2變化到0.3時，在余熱回收率率為0.5時，聯(lián)供系統(tǒng)的PER值由0.7變化到0.8；另外，在一定發(fā)電效率的條件下，余熱回收率越高，系統(tǒng)的PER值也越高。即，在發(fā)電效率為定值的情況下，對系統(tǒng)對回收熱量越充分，則PER值將有顯著的提高。例如，當系統(tǒng)發(fā)電效率為0.25時，余熱回收效率由0.5增加到0.6時，系統(tǒng)的PER值將由0.75增加到0.85。
2.4 微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對一次能源利用率的分析
對于分供系統(tǒng)而言，只是通過燃料的燃燒放出熱量，從而驅(qū)動熱機做功，并不回收做功回收過程中的熱量。聯(lián)供系統(tǒng)恰恰是回收了這部分熱量，因而從這個意義上講，聯(lián)供系統(tǒng)要比相應(yīng)的分供系統(tǒng)PER值要高。
在只有原動機的分供系統(tǒng)中，原動機只用來發(fā)電，并不回收產(chǎn)生的余熱，則其PER值可以表示為：
(10)
上式中，表示只有原動機的分供系統(tǒng)的一次能源利用率。
為了比較聯(lián)供系統(tǒng)相對分供系統(tǒng)的節(jié)能性，更深入的探討聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能潛力，這里引入相對一次能源利用率的概念，它是聯(lián)供系統(tǒng)的PER值相對只有原動機的分供系統(tǒng)PER值的增加量，即
(11)
從式(11)可以看出，相對一次能源利用率總是大于0的。它是表征聯(lián)供系統(tǒng)對于分供系統(tǒng)節(jié)能性相對高低的量，因而該值越大越好。但其具體值的大小要依據(jù)聯(lián)供系統(tǒng)的、和COP具體的值而定。
假定吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)的COP值為0.5，且為定值，下面著重考察余熱回收率和吸附制冷空調(diào)COP值對值產(chǎn)生的影響。
圖5 聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收率對的影響
圖6 吸附制冷空調(diào)COP值對的影響
從圖5可以看出，隨著余熱回收率的增加，聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性都有所增長。例如，在夏季工況＝1時，系統(tǒng)余熱回收率由0.3增長到0.5時，系統(tǒng)的相對一次能源利用率值也由0.15增長到0.25。
從圖6可以看出，隨著吸附制冷空調(diào)COP值的增加，聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性不斷增加。并且隨著聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收率值的增加，斜率也隨之增加。例如，在當余熱回收率分別為0.4和0.6的情況下，吸附制冷空調(diào)的COP值由0.35增加到0.5時，相對一次能源率由0.12和0.18，分別增加到0.16和0.24。
3 結(jié)論
微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(MCCHP)以清潔的天然氣為燃料，有效結(jié)合了燃氣內(nèi)燃機、發(fā)電機和固體吸附式制冷機，實現(xiàn)了能量的梯級利用。由于聯(lián)供系統(tǒng)充分利用了熱機做功過程產(chǎn)生的余熱，因此聯(lián)供系統(tǒng)總是要比中存在原動機的分供系統(tǒng)節(jié)能。
本文主要從系統(tǒng)一次能源利用率(PER)的角度，對MCCHP系統(tǒng)進行分析節(jié)能潛力的分析。從分析中可以發(fā)現(xiàn)，影響系統(tǒng)PER值的因素主要有發(fā)電效率、余熱回收率、熱量分配系數(shù)和制冷機COP值。在各影響因素中，對提高系統(tǒng)PER值影響程度順序依次為、、COP和。其中，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率對PER值的影響最大。對于相對一次能源利用率而言，增加系統(tǒng)余熱回收率和吸附制冷空調(diào)COP值的增加都會促進該值的增長。
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