燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统可行性研究

燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统可行性研究

徐强  ,刘州 ,张焕

新疆维吾尔自治区巴州和硕县  841200

摘要燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统，实现了二者在运营模式上的互补，提高了能源利用率，降低了环境危害，经济性也显著提升。但目前耦合系统往往只是利用各自供能特点进行并联，调峰运行，未能实现真正意义上的耦合。本文选择了淮安某国际酒店项目，模拟优化建筑全年逐时负荷，并根据能源系统配置原则，进行配置选型，对比分供系统，就系统用能合理性、环保性能以及负载率变化时系统各项指标的变化情况等进行了研究。

关键字 燃气冷热电三联供 地源热泵 深度耦合  用能合理性 负载率

A Research on the Feasibility of CCHP—GSHP Deeply Coupling System

By Xu Qiang，Liu Zhou，Zhang Huan

Abstract  Combined cooling, heating and power system with ground source heat pump deeply coupling system can achieve complementary goals in operation and improve the efficiency of energy utilization, and it can also reduce the pollution of environment, while it has  superiorities on economy. But the coupling system is usually in parallel operation with their respective characteristic for peaking load, which can not be real coupling system. Taking a hotel in Huaian as an example for research, comparing with traditional pided energy supply system, the problems on energy rational use, environmental performance and the variation of  the indicators with the load rate are studied, which is based on the optimization of building load and configuration optimization of the equipment.

KeywordsCCHP, GSHP, Deeply coupling system, Energy rational use, Load rate

0 引言

燃气冷热电三联供系统是传统热电联产系统的一种进化和发展，在应对能源短缺、资源贫乏、环境恶化等问题方面发挥着日益重要的作用，而且随着研究日渐深入、技术更为成熟，其应用越发广泛。同时，伴随着城市的快速发展，地源热泵作为洁净且能效比较高的空调系统形式之一，在我国适宜的地质条件与气候特征下，表现出很强的适用性，为建筑空调系统的规模化使用与深入发展带来了巨大潜力。两种高效的供能系统，各自发展与应用都日趋成熟，但少有交叉融合，即便有研究指明了二者联合运行的优越性，也只是错峰使用，简单配比，或以地源热泵为辅助装置，制定相应运行策略来满足建筑负荷需求，未能充分发挥耦合的作用，致使烟气热量流失，系统能源利用率下降。

为使传统耦合系统真正实现耦合，在保证系统用能合理性的情况下，充分利用燃气发电机组烟气余热，减少一次能源供应，实现节能减排，寻求可行的深度耦合策略具有重要意义。

本文选择优化模拟淮安某国际酒店能耗状况，利用常规分供系统对比冷热电深度耦合系统，就其用能合理性与环保性能进行探讨，以期获得更好的耦合方案。

1  燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统

燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统，是以燃气（天然气）作为一次能源，以燃气轮机、燃气内燃机及微型燃气轮机等为原动机驱动发电机组发电以满足建筑电负荷[1]，在余热装置回收部分高温烟气热能后，利用地源热泵系统再次深度回收余热，必要时辅以调峰装置为用户供冷、制热及供电，保证建筑空间冷、热、电等能源需求的分布式能源系统[2]。燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦

合系统与传统分布式能源系统类似，供电时满足 “并网不上网、自备自用”的原则，所发电力与市电以相应的供电策略持续为建筑供电，满足建筑电负荷需求。在传统耦合系统中，燃气冷热电三联供系统运行供电满足地源热泵系统的用电需求，系统协调运行，在一定的运行策略下供给建筑用能，因此系统的协调运行主要体现在电能的利用与策略性启停方面，致使未能被吸收式机组充分吸收利用的烟气余热大量流失。为提高烟气余热利用率，本文提出了深度耦合系统，即在传统耦合系统基础上增设汽水换热器，以充分吸收烟气余热，并通过其与地源热泵需求侧出口耦合为建筑供能来实现烟气的深度回收利用，图1即为 “耦合系统”示意图。以不同的线型代表能量的利用过程。

图1  冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统示意图

、分别为市政电网、内燃机供电量。、分别为内燃机、燃气锅炉消耗天然气量。、、分别为建筑、电制冷机、地源热泵系统耗电量。、、分别为建筑冷、热、生活热水负荷。

燃气机组在运行时，燃料燃烧产生的能量只有35%～40%可以转化为电能，其余都是以热的形式散发。其中约有25%从发电机尾气中排掉，15%左右从缸套冷却器散发，10%将从发电机组本身散发。因此，为提升系统能源利用率，回收利用发电机高温烟气以及缸套冷却器中的热量成为了重要手段。

制冷工况时，高温烟气进入吸收式空调机组，向系统提供冷冻水，同时地源热泵受到内燃机发电机组所发电力驱动，制冷运行。制冷高峰时段，电制冷机启动，补充建筑所需冷量。

供热工况时，吸收式机组吸收高温烟气热量供热运行，向系统提供热水满足建筑采暖负荷需求，同时余热烟气通过汽水换热器与耦合系统电力驱动下的地源热泵机组用户侧进行耦合，加热用户侧热水，达到需求温度后持续为用户提供生活热水，供热高峰时段由燃气锅炉补充。

内燃机发电机组高温烟气可以通过多种形式与地源热泵机组进行深度耦合。当余热烟气与地源热泵地源侧机组进口耦合时可以减少打井面积，而在余热与地源热泵需求侧机组出口耦合时，可以明显提高余热利用效率[3]。本文即利用后者来提高系统余热利用效率。

2  淮安某国际酒店简介

酒店位于江苏淮安地区，区域地质、水文环境较好，建筑结构规则，地下一层4m，以停车场、库房及空调机房为主，地上四层总高18.4m，共有客房162套，总建筑面积31105m2，是集住宿、休闲、会议等多功能于一体的综合型酒店。

3  建筑冷热电负荷优化

3.1 建筑全年逐时冷热负荷确定

相比面积指标法，DeST进行建筑负荷模拟准确性、合理性都有提升。根据建筑信息，按功能性划分区域，选择合适的窗墙比，设置天井、天窗，完善模型，酒店外观结构如图2所示。

图2  酒店DeST建筑模型

全年最大冷、热负荷分别为2616.39kW、1544.80kW。建筑全年负荷分布明显，波动较大，制冷季与供热季尤为突出，冷负荷在制冷季达到最大值，冬季则主要表现为热负荷，过渡季节仅有少量负荷，负荷逐时值及分布规律如图3所示。

图3  酒店全年逐时冷热负荷变化图

3.2 生活热水负荷

根据规范进行热水负荷计算。全日供应热水的酒店式公寓及宾馆客房集中热水供应系统的设计小时耗热量应按下式计算[2]：

=                    (1)

式中：

Qh—设计小时耗热量，(kJ/h)；

m — 用水计算单位数，(人数或床位数)；

qr—热水用水定额，（L/人·d或L/床·d）；

C —水的比热，（kJ/ kg·℃）；

tr—热水温度，(℃)；

tl—冷水温度，(℃)；

Kh—小时变化系数；

根据建筑类型及酒店需要，设定相关系数，其中m=324人，qr=120L/人·d，C=4.187 kJ/ kg·℃，tr=60℃，小时变化系数Kh=3.33。

酒店全年逐时生活热水负荷如图4所示。受气候条件影响生活热水负荷呈现不同规律。优化耦合系统能源配置，冬季利用汽水换热器深度耦合余热烟气与地源热泵机组，充分利用烟气热量，提高系统能效。

图4  酒店全年逐时生活热水负荷

3.3 电负荷计算

耦合系统 “并网不上网”时，为满足发电机组年运行小时数及负荷率的要求，在进行能源系统设计时，发电机组满足电力基本负荷即可，超出部分由市政电网提供[4]。因此，可用单位指标法校核发电机组容量，以保证发电机组高效稳定运行[5]。但为了确定不同负载率下系统运行情况，充分发挥各机组性能，需利用建筑全年负荷分布规律进行分析图5  酒店全年逐月耗电量

计算，电力单位指标法已不能满足要求。为尽可能准确模拟建筑全年逐时电负荷，本文利用eQUEST建模，设定能源系统方案。以常规系统为基准，采用电制冷机组制冷，燃气锅炉供热，市政电网供电，满足建筑用能需求。全年各项电负荷如图5所示。照明耗电、电气设备耗电、末端设备耗电较为稳定。制冷季因制冷机组运行耗电量明显增大。

图6反映了酒店全年电负荷变化规律，基本符合全年逐月耗电量的变化，制冷季耗电显著增大。为保证能源系统持续稳定为建筑供能，满足建筑冷热电负荷，本文具体分析全年各项负荷情况，制定相应运行策略。

图6 酒店全年逐时电负荷

4  能源系统配置

4.1 耦合系统配置

综合酒店冷热电负荷，分析能源系统热电比，可知全年近一半时间能源系统供热量大于供电量。如图7所示全年热电比变化趋势，热电比小于2的小时数超过8000，有3000h以上在1左右，而电负荷大都低于1000kW，适合采用单机容量及热电比都较小的内燃机组。同时为保证烟气余热的充分回收利用，根据建筑用电来选择合适的燃气内燃机发电机组。

图7  全年热电比变化趋势

图8为电力负荷延时曲线。分析全年电力负荷变化特点，全年稳定负荷集中在550kW～750 kW，电力负荷在750 kW以上约2800h，负荷在550 kW以上约5700h。根据延时曲线，为保证全年满负荷时数在3500h以上的最低负荷在650 kW左右，选择两台325 kW左右的燃气内燃发电机。根据参数选型，选用2台额定输出功率为350 kW的内燃机组与2台制冷量为478 kW、供热量为415 kW的烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组直接对接。

能源系统其他机组应按照原则进行配置选型，具体如下：

图8  电力负荷变化延时曲线

2台制冷量为116kW、供热量为124kW的地源热泵机组夏季制冷，冬季吸收烟气余热后持续为建筑提供生活热水。

调峰设备选择2台单机制冷量为780kW的螺杆式水冷式冷水机组。

1台最大供热量为700kW的燃气热水锅炉，主要承担冬季采暖峰值负荷；1台最大供热量为350kW的燃气热水锅炉，保证生活热水的供应。

4.2能源系统运行策略

为提高综合能效，耦合系统采用“以热定电”的运行策略。

年平均综合能源利用率作为衡量系统利用燃气及发电后余热有效利用情况的重要指标，会随着吸收式冷水机组的负载率变化，υ值需达到70%以上。

                                   (2)

式中W（kWh）为年净输出电量；Q1（MJ）为年有效供热利用余热总量；Q2（MJ）为年有效利用制冷利用余热总量；B(m3)为年天然气消耗总量；QL（MJ/m3）为天然气低位发热值[6]。

如图9所示，负载率增大，利用率增大。负载率为55%时，综合效率为69.6%；负载率为60%时，综合效率接近71%。为了满足相应标准，因此吸收式机组的负载率需要在60%以上。

图9  年平均能源综合利用率随负载率的变化

当吸收式机组负载率为60%时，制定相应的运行策略，保证能源系统持续稳定供能。制冷季典型日能源系统运行模式如图10所示。

图10  供冷季典型日能源系统运行模式

夏季工况，低负荷时，电制冷机运行制冷，提供建筑需要的冷量；负载率达到60%以上，吸收式机组和地源热泵机组共同为建筑提供冷量。随着冷负荷继续增大，超出吸收式机组与地源热泵制冷能力，开启电制冷机调峰制冷，满足建筑冷负荷需求。生活热水由燃气锅炉提供。

冬季工况，吸收式机组运行，制备供热热水。余热烟气通过汽水换热器与地源热泵系统联合运行，加热地源热泵用户侧热水到相应温度，持续为酒店提供生活热水。如图11，生活热水负荷较小时，燃气锅炉运行供给生活热水，随着负荷增大，由吸收式机组与地源热泵共同供给生活热水，供热量不足时启用燃气锅炉。

图11  供热季典型日能源系统供应生活热水运行模式

建筑热负荷较小时，燃气锅炉运行供热，随着负荷增大，吸收式机组开启，机组供热能力不足时，燃气锅炉运行调峰。具体如图12。

图12  供热季典型日能源系统供热运行模式

5  耦合系统能源利用评价

5.1节能率

分供系统是指由市政电网供电、燃气锅炉供热、电制冷机制冷的系统。耦合系统的节能率是以常规系统或“分供”系统为准，对比分析系统节能效果，节能率如下式：

==1-                                        (3)

式中A(m3)为分供系统一次能源消耗量；B(m3)为耦合系统一次能源消耗量。

5.2一次能源综合利用效率

耦合系统供能形式多样，一次能源综合利用率为评价其用能合理性重要指标，表达式如下：

=                          (4)

式中Ef（kWh）为燃气内燃机年发电量；Fc（kWh）为年制冷量；Fh（kWh）为年供热量；G（m3）为年耗燃气量；Gg（m3）为系统年运行所耗电量折算成一次能源所消耗的天然气量[7]；QL（MJ/m³）为天然气热值。

                                               (5)

式中（kWh）为耦合系统年耗电量；为电网供电至终端的供电效率，为电网发电效率与电网

5.4减排量

对比分供，耦合系统各类污染物的减排量如下式：

=(E1-E2)×ξ=                           (7)

E1（t/a）为耦合系统一段时间内一次能源消耗量；E2（t/a）为一段时间内分供系统一次能源消耗量；（t/a）为耦合系统一段时间内一次能源节省量折算成的标煤量；ξ（t/t）为标准煤污染物排放因子。

6  系统能源评价分析

经分析，耦合系统所能满足的电负荷不足系统电负荷总量的一半，不足部分以及系统自耗电量需要从市政电网购入。而常规系统所耗电量则全部由市政电网提供。电网供电效率取值36%，吸收式机组制冷=1.1，冬季供热=0.9。当吸收式机组负载率为60%时，可得耦合系统相比分供系统节能率=17.2%，一次能源综合利用效率=81.1%，热电比=106%，一次能源节省量=368.16（t/a）。

综合分析，当吸收式机组负载率为60%时，耦合系统热电比年平均值为106%，大于规范要求的100%，故方案可行。耦合系统一次能源综合利用效率高，达到81.1%，大量节省了一次能源。而耦合系统节能率高达17.2%，节能效果明显。同时随着机组负载率变化，耦合系统各项指标随之改变，以耦合系统节能率为例，随着负载率的增大，系统节能率由17.2%增加到18.7%，节能效果提高。根据负载率的变化计算各项指标，进行综合评价分析，进一步确定耦合系统可行性。

7  能源系统综合评价分析

耦合系统负载率达到60%，年平均综合能源利用率即可达到70%，满足用能合理性需求。但耦合系统在运行过程中，负载率会随着建筑负荷变化而变化，系统评价指标体系也会随之变化。

图13   用能指标随负载率的变化

由图 13 可知，随着负载率的升高，热电比明显增加，节能率、一次能源综合利用效率、年平均能源综合利用率均呈略微增大趋势。而负载率为60%时，耦合系统各项能源指标都能满足系统运行的需要。因此，只要负载率不低于60%，系统可以稳定运行。

8  能源系统减排量分析

耦合系统各类污染物的减排量用一次能源节省量乘以相应的排放因子即可求得。表1为标准煤污染物排放因子。

表1  标准煤污染物排放因子

随着负载率的变化，减排量随之变化。图14反映了各类污染物随负载升高的变化规律。当负载率为60%时，CO2、SO2及NOX减排量相对较大。随着负载率增大各污染物减排量逐渐减小，在负载率为100%时，各类污染物减排量达到最小值。经分析计算，负载率为60%时，CO2、SO2及NOX年减排量分别为905.67、27.61、13.81t。负载率为100%时，CO2、SO2及NOX年减排量分别为794.70、24.23、12.11t。

图14  污染物减排量随负载率的变化

9  结论

燃气冷热电三联供和地源热泵深度耦合系统充分实现了一次能源的利用，提高了能源利用率，通过汽水换热器达到了余热烟气与地源热泵系统深度耦合的目的。不同于以往二者在形式上的简单配比，错峰使用，耦合系统不仅利用燃气内燃机所发电量为建筑空间制冷、供热，而且充分利用了烟气热量，实现了真正意义的耦合。本文以淮安酒店项目为例，通过对实际运行策略以及评价指标的综合研究，表明了深度耦合系统用能的合理性。同时分析了系统不同负载运行时，耦合系统用能指标与环保性能的改变，可为实际耦合系统的设计与运行提供参考。

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