摘要：大力推廣家用熱電聯供技術在中國的發展，不僅可以減少對城市大電網的依賴，還可以提高能源系統綜合利用效率。本文分析了燃氣發動機型熱電聯供技術的發展，指出了家用熱電聯產技術在中國發展所面臨的障礙，并對家用熱電聯產在中國的發展進行了展望。
關鍵詞：家用熱電聯產斯特林發動機燃料電池
引言
隨著天然氣的開發和環保要求的提高，無論是發達國家還是發展中國家，分布式能源站都已先后進入了市場大力推廣時期，各國政府更是在配套政策、法律等方面大力支持，中國分布發展式能源也正面臨著前所未有的好機遇［1］。2008年的一場雪災給國人上了一堂深刻的能源和電力安全課，警示我國的能源和電力供應安全問題應該更加引起高度重視，我國的能源和電力體制必須進一步加快改革［2］。隨著城市的發展，建設分布式小城鎮是一個必然趨勢，新建小區也應當逐步走向家用熱電聯產（Domestic-CHP）方式。家用熱電聯產是指以取代現有的家用熱水爐的市場目標的，針對家庭用戶的熱電聯產裝置。該裝置利用以天然氣為燃料的小型發動機驅動一個迷你發電機，產生家庭所需的大部分電力，發動機的尾氣余熱進入家庭熱水系統提供家庭所需生活熱水［3］。與傳統的大型中央發電站相比，家用CHP系統可以更快地實現其價值，減少對電網的需求壓力，減少傳統電站在傳輸和分配時的損失，在城市大電網出現故障時可以保障家庭生活不受太大影響。這種系統已經得到越來越多的國家的政策制定者、設備制造商和業主的認可，產品將在全球范圍內大量使用。
1燃氣發動機型CHP的發展
要使家用CHP成為現實，原動機的合理選擇是關鍵。家用CHP系統目前可以采用燃氣發動機進行發電，也可采用燃料電池發電（家用熱電聯產技術的發展）。
1。1內燃機發動型家用CHP的發展
世界上銷售量最大的采用內燃機的家用燃氣熱電聯產裝置的產品是日本商品名為EcoWill（生態愿境）的產品。該產品在1996年由日本政府組織，多家企業、大學和研究機構聯合開發，于2002年底開始投入市場，2008年當年的銷售量約為5萬臺，采用燃氣內燃發動機發電的同時利用發動機的余熱提供熱水和電能，額定發電功率為1kW，供熱量為2。8kW，燃氣利用效率約85%。2009年9月，德國大眾和LichtbLick能源公司發布了合作開發的家用熱電聯產機組，以天然氣為燃料，在煙氣熱回收過程采用了煙氣冷凝換熱技術，燃氣能源利用效率高達94%。
1。2外燃機發動型家用CHP的發展
外燃發動機具有功率小、容量變化范圍較大、熱源廣泛、廢棄排放量小、結構簡單、振動輕、噪聲小、熱效率高等顯著特點［4］。雖然外燃機有多種類型，不過目前家用熱電聯產裝置基本是配套斯特林發動機。斯特林發動機是一種以多種燃料為能源的閉循環回熱式發動機，機組震動小，噪音低，燃燒溫度在450℃以上的任何燃料均可作為斯特林發動機的能源，當使用天然氣作燃料時效率可達到25%~30%。雖然斯特林發動機應用于家用熱電聯產裝置目前尚處于起步階段，短期內大規模應用的條件目前不具備，但是我國多年來從事斯特林發動機的研究和開發工作，已經取得了一些階段性的成果，包括使用燃料驅動和太陽能熱驅動的斯特林發動機已經投入試驗性運行。從技術發展的趨勢角度，家用燃氣斯特林發動機熱電聯產裝置在未來仍然是燃氣利用技術發展的重點發展領域。荷蘭MEC子公司生產的斯特林發動機由于采用自由活塞式結構，雖然發電效率偏低，但是維護工作量小，原則上在使用期內免維修，目前占全球斯特林發動機型熱電聯產機組市場的60%以上［5］。此外，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）近年開發成功的面向寒冷地區的家用熱電聯產系統配備有可利用各種燃料發電的斯特林發動機，發電輸出功率為841W，發電效率為30%，不僅優于同類斯特林發動機，也優于功率相同的內燃機，試驗情況良好，短期內有望批量生產。
1。3燃料電池型家用CHP的發展
燃料電池是一種在等溫條件下，不經過燃燒直接以電化學反應方式將富氫燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有無噪音、可靠性高、模塊化、對負載變化可以快速響應等顯著優點［6~7］。日本松下電器產業公司日前開發出家庭用燃料電池熱電聯產系統，它在輸出功率750瓦時的發電效率達39%，居目前世界同類產品之首，該公司目前銷售的ENE-FARM產品的使用壽命達到4萬小時以上，可以滿足在住宅場所正常使用10年的要求。此外，歐美國家已經有多家企業發布了家用燃料電池的產業化計劃，預期2012年歐美地區的燃料市場將陸續啟動。
2家用熱電聯產技術在中國發展所面臨的障礙
2。1熱電聯產的經濟因素與技術難題
作為大眾化的家用產品，家用CHP除了要求有天然氣供應、有一定的熱水需求、開放的電網等三個基本條件外，關鍵問題是發動機的熱、電輸出比要與該家庭的熱、電需求比相當。家庭使用CHP的成本很大程度上是固定的，而節省額是與運行的小時數成比例，具有給定的效率、大小和投資額的系統需要最少的運行小時數以使他們本身的投資合理化。在英國，以CCHP為例，超過100kWe的設備每年最少運行時間大約為4500小時；低于100kW的則很少有設備具有經濟效益，這對家用熱電聯產在市場的發展帶來很大的障礙［8］。
對電力需求數據的研究發現，雖然一個家庭的電力需求曲線上有許多峰值，但滿足峰值時的電力需求持續時間很短，幾乎沒有任何經濟價值。70%的用戶電力消耗量低于1kW，從理論上說，這一部分的電力需求可以由一部1kW的發電機來滿足。當超過1kW時，通過增加電輸出而獲得的節約大幅度下降，因此使用大于1kW的引擎幾乎無經濟優勢可言。另外，在夜晚和空閑時段里，許多家庭的電力需求低于100W，而這時沒有明顯和持續的負載，許多發電機在技術上有最小功率的限額，這意味著任何低于這個限額的負載是無法滿足的，這一點也是目前家用CHP所面臨的瓶頸。
2。2熱電聯產的政策導向與支持
對不同國家生產和使用家用CHP系統的調查顯示，目前全球排前三位的國家是德國、日本和韓國。由于電網故障的頻繁發生，這些國家均出臺了明確的政策，包括對使用者的一系列鼓勵計劃以及當地建立了規模化生產基地。最近幾年，我國熱電聯產事業得到了迅速的發展，經過40多年來熱電建設的經驗積累，目前已形成一條中國式的熱電聯產發展道路，然而在家用熱電聯產方面，我國目前還處于起步階段。30年經濟快速發展，沒出過類似2008年極端天氣引發大規模停電的事故，因而過度依賴大電網，形成了國電公司全面壟斷的機制。這是家用CHP在中國難以發展的根本原因。對小規模CHP技術而言，在中國大中城市，天然氣供應充分，發展家用熱電聯供條件成熟，因此要充分利用政府提供的有利條件，加大研究和開發力度，開創出一條中國式的家用熱電聯產系統。
3結束語
最新報告指出，家用熱電聯產系統包括別墅和公寓等，到2022年，其安裝總量將達到1350萬個。清潔能源市場機構預計，這些系統所帶來的市場產值將在2022年達到410億美元。目前，世界各國都在加大對家用CHP技術的投入以加速該技術的商業化和應用進程。
國際上家用CHP已進入商業化，以該技術為核心的建筑熱電聯產系統，將因為其極高的能源綜合利用效率和環境相容性，逐漸成為21世紀分布式能源系統的重要組成。
中國要建設資源節約型和環境友好型社會，要實現可持續發展，能源利用效率必須得到提高。不僅要提高發電效率，也要提高供熱效率。大力推廣家用CHP在中國的發展，不僅可以減少對城市大電網的依賴，以應對極端天氣或其他突發情況下的電網故障，還可以提高能源系統綜合利用效率，應引起足夠的重視。
參考文獻
［1］華賁。我國發展分布式能源的迫切性、意義及前景［J］。沈陽工程學院學報（自然科學版），2005，1（2）：1-6。
［2］蒙琦，華賁。2008雪災-中國能源格局的思考：分布式能源與大電網的安全保障［C］。//第五屆海峽兩岸熱電聯產、汽電共生學術交流會論文集。2008：161-164。
［3］厲戌吟，馮良。家用熱電聯產技術［J］。上海煤氣，2004，（6）：33-37。
［4］朱辰元，薛飛，汪海貴等。家用熱電聯供產品（MCHP）的設計要求與原動機的選擇［J］。能源技術，2006，27（1）：25-28。
［5］黃遜青。家用燃氣斯特林發動機熱電聯產裝置［J］。家電科技，2011，（4）：48。
［6］蘭麗，張泠，尹應德等。燃料電池與冷熱電聯產系統［J］。制冷與空調（四川），2005，20（3）：58-63。
［7］張穎穎，曹廣益，朱新堅等。小規模熱電聯供（CHP）技術的特點及發展前景［J］。華東電力，2005，33（4）：4-7。
［8］黃遜青。分布式熱電聯產系統制約因素探討［J］。中國勘察設計，2006，（5）：36-39。
關鍵詞：家用熱電聯產斯特林發動機燃料電池
引言
隨著天然氣的開發和環保要求的提高，無論是發達國家還是發展中國家，分布式能源站都已先后進入了市場大力推廣時期，各國政府更是在配套政策、法律等方面大力支持，中國分布發展式能源也正面臨著前所未有的好機遇［1］。2008年的一場雪災給國人上了一堂深刻的能源和電力安全課，警示我國的能源和電力供應安全問題應該更加引起高度重視，我國的能源和電力體制必須進一步加快改革［2］。隨著城市的發展，建設分布式小城鎮是一個必然趨勢，新建小區也應當逐步走向家用熱電聯產（Domestic-CHP）方式。家用熱電聯產是指以取代現有的家用熱水爐的市場目標的，針對家庭用戶的熱電聯產裝置。該裝置利用以天然氣為燃料的小型發動機驅動一個迷你發電機，產生家庭所需的大部分電力，發動機的尾氣余熱進入家庭熱水系統提供家庭所需生活熱水［3］。與傳統的大型中央發電站相比，家用CHP系統可以更快地實現其價值，減少對電網的需求壓力，減少傳統電站在傳輸和分配時的損失，在城市大電網出現故障時可以保障家庭生活不受太大影響。這種系統已經得到越來越多的國家的政策制定者、設備制造商和業主的認可，產品將在全球范圍內大量使用。
1燃氣發動機型CHP的發展
要使家用CHP成為現實，原動機的合理選擇是關鍵。家用CHP系統目前可以采用燃氣發動機進行發電，也可采用燃料電池發電（家用熱電聯產技術的發展）。
1。1內燃機發動型家用CHP的發展
世界上銷售量最大的采用內燃機的家用燃氣熱電聯產裝置的產品是日本商品名為EcoWill（生態愿境）的產品。該產品在1996年由日本政府組織，多家企業、大學和研究機構聯合開發，于2002年底開始投入市場，2008年當年的銷售量約為5萬臺，采用燃氣內燃發動機發電的同時利用發動機的余熱提供熱水和電能，額定發電功率為1kW，供熱量為2。8kW，燃氣利用效率約85%。2009年9月，德國大眾和LichtbLick能源公司發布了合作開發的家用熱電聯產機組，以天然氣為燃料，在煙氣熱回收過程采用了煙氣冷凝換熱技術，燃氣能源利用效率高達94%。
1。2外燃機發動型家用CHP的發展
外燃發動機具有功率小、容量變化范圍較大、熱源廣泛、廢棄排放量小、結構簡單、振動輕、噪聲小、熱效率高等顯著特點［4］。雖然外燃機有多種類型，不過目前家用熱電聯產裝置基本是配套斯特林發動機。斯特林發動機是一種以多種燃料為能源的閉循環回熱式發動機，機組震動小，噪音低，燃燒溫度在450℃以上的任何燃料均可作為斯特林發動機的能源，當使用天然氣作燃料時效率可達到25%~30%。雖然斯特林發動機應用于家用熱電聯產裝置目前尚處于起步階段，短期內大規模應用的條件目前不具備，但是我國多年來從事斯特林發動機的研究和開發工作，已經取得了一些階段性的成果，包括使用燃料驅動和太陽能熱驅動的斯特林發動機已經投入試驗性運行。從技術發展的趨勢角度，家用燃氣斯特林發動機熱電聯產裝置在未來仍然是燃氣利用技術發展的重點發展領域。荷蘭MEC子公司生產的斯特林發動機由于采用自由活塞式結構，雖然發電效率偏低，但是維護工作量小，原則上在使用期內免維修，目前占全球斯特林發動機型熱電聯產機組市場的60%以上［5］。此外，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）近年開發成功的面向寒冷地區的家用熱電聯產系統配備有可利用各種燃料發電的斯特林發動機，發電輸出功率為841W，發電效率為30%，不僅優于同類斯特林發動機，也優于功率相同的內燃機，試驗情況良好，短期內有望批量生產。
1。3燃料電池型家用CHP的發展
燃料電池是一種在等溫條件下，不經過燃燒直接以電化學反應方式將富氫燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有無噪音、可靠性高、模塊化、對負載變化可以快速響應等顯著優點［6~7］。日本松下電器產業公司日前開發出家庭用燃料電池熱電聯產系統，它在輸出功率750瓦時的發電效率達39%，居目前世界同類產品之首，該公司目前銷售的ENE-FARM產品的使用壽命達到4萬小時以上，可以滿足在住宅場所正常使用10年的要求。此外，歐美國家已經有多家企業發布了家用燃料電池的產業化計劃，預期2012年歐美地區的燃料市場將陸續啟動。
2家用熱電聯產技術在中國發展所面臨的障礙
2。1熱電聯產的經濟因素與技術難題
作為大眾化的家用產品，家用CHP除了要求有天然氣供應、有一定的熱水需求、開放的電網等三個基本條件外，關鍵問題是發動機的熱、電輸出比要與該家庭的熱、電需求比相當。家庭使用CHP的成本很大程度上是固定的，而節省額是與運行的小時數成比例，具有給定的效率、大小和投資額的系統需要最少的運行小時數以使他們本身的投資合理化。在英國，以CCHP為例，超過100kWe的設備每年最少運行時間大約為4500小時；低于100kW的則很少有設備具有經濟效益，這對家用熱電聯產在市場的發展帶來很大的障礙［8］。
對電力需求數據的研究發現，雖然一個家庭的電力需求曲線上有許多峰值，但滿足峰值時的電力需求持續時間很短，幾乎沒有任何經濟價值。70%的用戶電力消耗量低于1kW，從理論上說，這一部分的電力需求可以由一部1kW的發電機來滿足。當超過1kW時，通過增加電輸出而獲得的節約大幅度下降，因此使用大于1kW的引擎幾乎無經濟優勢可言。另外，在夜晚和空閑時段里，許多家庭的電力需求低于100W，而這時沒有明顯和持續的負載，許多發電機在技術上有最小功率的限額，這意味著任何低于這個限額的負載是無法滿足的，這一點也是目前家用CHP所面臨的瓶頸。
2。2熱電聯產的政策導向與支持
對不同國家生產和使用家用CHP系統的調查顯示，目前全球排前三位的國家是德國、日本和韓國。由于電網故障的頻繁發生，這些國家均出臺了明確的政策，包括對使用者的一系列鼓勵計劃以及當地建立了規模化生產基地。最近幾年，我國熱電聯產事業得到了迅速的發展，經過40多年來熱電建設的經驗積累，目前已形成一條中國式的熱電聯產發展道路，然而在家用熱電聯產方面，我國目前還處于起步階段。30年經濟快速發展，沒出過類似2008年極端天氣引發大規模停電的事故，因而過度依賴大電網，形成了國電公司全面壟斷的機制。這是家用CHP在中國難以發展的根本原因。對小規模CHP技術而言，在中國大中城市，天然氣供應充分，發展家用熱電聯供條件成熟，因此要充分利用政府提供的有利條件，加大研究和開發力度，開創出一條中國式的家用熱電聯產系統。
3結束語
最新報告指出，家用熱電聯產系統包括別墅和公寓等，到2022年，其安裝總量將達到1350萬個。清潔能源市場機構預計，這些系統所帶來的市場產值將在2022年達到410億美元。目前，世界各國都在加大對家用CHP技術的投入以加速該技術的商業化和應用進程。
國際上家用CHP已進入商業化，以該技術為核心的建筑熱電聯產系統，將因為其極高的能源綜合利用效率和環境相容性，逐漸成為21世紀分布式能源系統的重要組成。
中國要建設資源節約型和環境友好型社會，要實現可持續發展，能源利用效率必須得到提高。不僅要提高發電效率，也要提高供熱效率。大力推廣家用CHP在中國的發展，不僅可以減少對城市大電網的依賴，以應對極端天氣或其他突發情況下的電網故障，還可以提高能源系統綜合利用效率，應引起足夠的重視。
參考文獻
［1］華賁。我國發展分布式能源的迫切性、意義及前景［J］。沈陽工程學院學報（自然科學版），2005，1（2）：1-6。
［2］蒙琦，華賁。2008雪災-中國能源格局的思考：分布式能源與大電網的安全保障［C］。//第五屆海峽兩岸熱電聯產、汽電共生學術交流會論文集。2008：161-164。
［3］厲戌吟，馮良。家用熱電聯產技術［J］。上海煤氣，2004，（6）：33-37。
［4］朱辰元，薛飛，汪海貴等。家用熱電聯供產品（MCHP）的設計要求與原動機的選擇［J］。能源技術，2006，27（1）：25-28。
［5］黃遜青。家用燃氣斯特林發動機熱電聯產裝置［J］。家電科技，2011，（4）：48。
［6］蘭麗，張泠，尹應德等。燃料電池與冷熱電聯產系統［J］。制冷與空調（四川），2005，20（3）：58-63。
［7］張穎穎，曹廣益，朱新堅等。小規模熱電聯供（CHP）技術的特點及發展前景［J］。華東電力，2005，33（4）：4-7。
［8］黃遜青。分布式熱電聯產系統制約因素探討［J］。中國勘察設計，2006，（5）：36-39。
