微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能潛力的

微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析摘要：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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和小型吸附制冷機(jī)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(xué)研究。本文以一次能源利用率(PER)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出該系統(tǒng)節(jié)能的潛力和方向。關(guān)鍵字：冷熱電三聯(lián)供燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)吸附式制冷CCHP0前言能源是社會(huì)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(jìn)。分布式能源系統(tǒng)(DES)作為緩解我國(guó)嚴(yán)重缺電局面、節(jié)能降耗、保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)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(dú)立供能、綜合效率高等特點(diǎn)，逐漸成為能源領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1-4]。冷熱電聯(lián)供技術(shù)利用高品位的能量進(jìn)行發(fā)電，充分回收熱機(jī)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(jìn)行制冷，是實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)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(dòng)機(jī)、換熱設(shè)備和制冷設(shè)備等構(gòu)成。由于燃?xì)廨啓C(jī)和溴化鋰制冷機(jī)在價(jià)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(guó)國(guó)情，建立基于小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和吸附制冷機(jī)的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(micro-scalecombinedcooling,heatingandpowerorMCCHP)成為了可能[5-6]。文獻(xiàn)[7]完成了對(duì)微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集成與部分的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)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(jì)與匹配做好準(zhǔn)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12kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，制冷量9kW的吸附制冷機(jī)，換熱設(shè)備、風(fēng)機(jī)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)以天然氣或者LPG為燃料，發(fā)電機(jī)組可提供400/230V、50Hz、3相4線制交流電。吸附制冷機(jī)采用硅膠-水為工質(zhì)對(duì)，熱源驅(qū)動(dòng)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(duì)傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的能量供應(yīng)的依賴。系統(tǒng)可以同時(shí)向外界發(fā)電、供熱和制冷，并可以作為對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量管理和運(yùn)行策略研究的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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。眠圖風(fēng)1相晉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)純照片潤(rùn)圖篩2毛頌基于燃?xì)鈦韮?nèi)燃機(jī)和梨固體吸附夜式制冷機(jī)暈組的微型像冷熱電聯(lián)胳供系統(tǒng)示縮意圖圖2表示了實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(jī)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(gè)水回路實(shí)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(dòng)機(jī)中吸收熱能，并存儲(chǔ)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(jī)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2.1MCCHP系統(tǒng)一次能源利用率的表述評(píng)價(jià)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性，最常用的指標(biāo)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(duì)MCCHP系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析中，本文通過對(duì)影響系統(tǒng)PER值的各種因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，進(jìn)而得出提高系統(tǒng)節(jié)能性的方向。對(duì)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(shí)，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(dāng)系統(tǒng)在冬季工況時(shí)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(dá)式可以表述為：(3)從上式可以看出，對(duì)于微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率而言，實(shí)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(xiàng)為電效率，第二項(xiàng)為用于熱部分的回收率，第三項(xiàng)為整個(gè)系統(tǒng)的制冷效率。所以，為了提高M(jìn)CCHP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(jì)算，考察不同因素對(duì)系統(tǒng)PER值的影響。漲2.3膜鞭各影響因漠素的靈敏歸度分析落為了比較攻不同影響籮因素對(duì)恩PER鬼值的影響分程度，這諷里進(jìn)行各微影響因素瓶的靈敏度輝分析。對(duì)怒于冬季工弄況刺＝瑞0案，所以，(6)而且，(7)傲一般微型繡冷熱電聯(lián)訂供系統(tǒng)的夫<0.3否5貼，所以在盆冬季工況稍，對(duì)系統(tǒng)染PER適影響最大闖的是發(fā)電夾效率。因范此，在冷彩熱電聯(lián)供肝系統(tǒng)發(fā)動(dòng)拍機(jī)選型時(shí)配應(yīng)該選擇故發(fā)電效率喇高的機(jī)組撇，并且盡藝可能在其茶高效率工蠢況下運(yùn)行爆。目對(duì)于其他黨工況，有穗部分的熱馳量用于熱栗冷轉(zhuǎn)換。刷這里假定帝在電效率蒙為昌，熱回收晚率曲為定值，肅則(8)而且，(9)獄因此，對(duì)盛于其他工啦況，為了食提高系統(tǒng)樹的一次能普源利用率熔，應(yīng)該盡鄉(xiāng)可能提高低吸附式制違冷機(jī)的蓬COP刃值，從而摩提高系統(tǒng)拼效率。拖下面將只寨取一個(gè)參蛋數(shù)作為獨(dú)膨立變量，挎考察各影樂響因素的蘿靈敏度。象圖犯3仗替各影響參喚數(shù)的靈敏高度分析穩(wěn)從物圖蜂3忘可以看出頌，在各影災(zāi)響因素中煙，發(fā)電效筒率芹對(duì)系統(tǒng)榜PER攜值提高的更影響是最罵大的，下狀面依次是海余熱回收穩(wěn)率愿和吸附制漠冷機(jī)穗COP跡和熱量分潛配系數(shù)爬。例如，政當(dāng)發(fā)電效丘率和余熱場(chǎng)回收率剖各自增燭加蓮1福0嚼％時(shí)，鞋PER筒值的增加錢量分別疏為屆1溝0托％昌和茄7.菠5們％。同時(shí)抗，由于吸測(cè)附制冷機(jī)遼的插COP針值小羅于程1隱，因此當(dāng)悄分配給吸克附制冷空芬調(diào)的熱量嗎增多時(shí)，披會(huì)影響聯(lián)尊供系統(tǒng)軟PER浪值的提高于。這一點(diǎn)疼可以從稿圖霞3粒中熱量分岡配系數(shù)績(jī)?yōu)樨?fù)值這歷一點(diǎn)體現(xiàn)航出來。因卸此，對(duì)于謠微型冷熱禾電聯(lián)供系治統(tǒng)而言，株應(yīng)該盡量歲提高吸附共制冷空調(diào)達(dá)系統(tǒng)的粥COP跑值。右由于發(fā)電扶效率對(duì)系褲統(tǒng)之PER國(guó)值的影響膀程度最大們，因此這喜里先著重互考察墨對(duì)聯(lián)供系供統(tǒng)販PER蟲值的影響戀。為了排異除珍COP紹值和熱量懸分配系數(shù)埋的影響，崗下面主要先在冬季工剝況掩下朽(售＝價(jià)0齊)宿考察發(fā)電村效率床對(duì)系統(tǒng)茅PER售值產(chǎn)生的繳影響。探圖俯4海發(fā)電效率景對(duì)系統(tǒng)戴PER蕩值的影響達(dá)從史圖挺4屋可以看出偷，在一定辣余熱回收怨率的情況美下，發(fā)電持效率越高擱，則系統(tǒng)攔PER粱值也越高太，發(fā)電效何率提升一翠點(diǎn)，沒PER簽值就會(huì)有見大幅提高劑。而且不有同的余熱款回收率都樹有著相似配的規(guī)律。只例如，當(dāng)之發(fā)電效率悼由哲0.悔2句變化徑到濟(jì)0.際3良時(shí)，在余使熱回收率煩率雀為舒0.斗5駁時(shí)，聯(lián)供報(bào)系統(tǒng)的獅PER把值側(cè)由庫(kù)0.某7購(gòu)變化陵到述0.逆8躁；另外，御在一定發(fā)提電效率的攝條件下，煉余熱回收桶率越高，棕系統(tǒng)的棕PER佛值也越高唉。即，在車發(fā)電效率伐為定值的元情況下，慚對(duì)系統(tǒng)對(duì)策回收熱量鳳越充分，揉則妥PER雪值將有顯慮著的提高削。例如，燦當(dāng)系統(tǒng)發(fā)啦電效率鏈為員0.2窄5研時(shí)，余熱呀回收效率憑由輪0.倒5落增加廊到排0.強(qiáng)6訪時(shí)，系統(tǒng)哥的舊PER絡(luò)值將石由噸0.7負(fù)5讓增加緒到圣0.8冒5旬。琴2.4霧濫微型冷熱城電聯(lián)供系村統(tǒng)相對(duì)一退次能源利更用率的分抱析資對(duì)于分供面系統(tǒng)而言車，只是通離過燃料的蟲燃燒放出捏熱量，從賽而驅(qū)動(dòng)熱綿機(jī)做功，籃并不回收狐做功回收奮過程中的昏熱量。聯(lián)婚供系統(tǒng)恰洗恰是回收兆了這部分刪熱量，因痛而從這個(gè)迫意義上講柿，聯(lián)供系蔽統(tǒng)要比相著應(yīng)的分供敗系統(tǒng)肯PER蠟值要高。眉在只有原頭動(dòng)機(jī)的分復(fù)供系統(tǒng)中布，原動(dòng)機(jī)股只用來發(fā)指電，并不黑回收產(chǎn)生絮的余熱，煌則其城PER抵值可以表敘示為：(10)擠上式中，寫表示只有奪原動(dòng)機(jī)的擊分供系統(tǒng)美的一次能史源利用率黎。曲為了比較斜聯(lián)供系統(tǒng)點(diǎn)相對(duì)分供辨系統(tǒng)的節(jié)思能性，更習(xí)深入的探夏討聯(lián)供系并統(tǒng)的節(jié)能斜潛力，這毀里引入相解對(duì)一次能圾源利用率斜的概念，擇它是聯(lián)供儉系統(tǒng)的臨PER捏值相對(duì)只謠有原動(dòng)機(jī)凝的分供系深統(tǒng)勢(shì)PER碧值的增加舍量，即(11)今從腐式濾(11醫(yī))讀可以看出技，相對(duì)一佳次能源利到用率總是孔大撕于林0系的。它是火表征聯(lián)供威系統(tǒng)對(duì)于挽分供系統(tǒng)妄節(jié)能性相館對(duì)高低的史量，因而桐該值越大洗越好。但勺其具體值食的大小要定依據(jù)聯(lián)供理系統(tǒng)的已、慨和堅(jiān)COP韻具體的值掠而定。士假定吸附蹦制冷空調(diào)帽系統(tǒng)的納COP辱值甜為舒0.史5雄，且為定怒值，下面與著重考察望余熱回收攝率病和吸附制綢冷空調(diào)漲COP籃值對(duì)共值產(chǎn)生的浸影響。柜圖嘆5葡頁聯(lián)供系統(tǒng)晨余熱回收孤率怠對(duì)尸的影響尚圖要6哈蔥吸附制冷敬空調(diào)各COP友值對(duì)閣的影響依從堂圖闖5呼可以看出詠，隨著余鴨熱回收率久的增加，散聯(lián)供系統(tǒng)尊的節(jié)能性累都有所增擇長(zhǎng)。例如張，在夏季預(yù)工況蛾＝裕1隸時(shí)，系統(tǒng)桿余熱回收鉤率酷由煌0.呆3禁增長(zhǎng)滾到辜0.席5辰時(shí)，系統(tǒng)禁的相對(duì)一冠次能源利您用率值也氏由銜0.1盒5客增長(zhǎng)遵到限0.2賄5沾。舒從韻圖攻6麻可以看出痛，隨著吸滴附制冷空陰調(diào)辰COP脅值的增加內(nèi)，聯(lián)供系樸統(tǒng)的節(jié)能呈性不斷增庭加。并且惡隨著聯(lián)供校系統(tǒng)余熱哨回收率值就的增加，稿斜率也隨吼之增加。封例如，在鼓當(dāng)余海熱回收率愛分別垮為投0.賤4防和監(jiān)0.飲6跳的情況下傭，吸附制洗冷空調(diào)的凳COP扮值亡由夜0.3盯5宋增加誦到琴0.擦5老時(shí)，相對(duì)薪一次能源艷率鑼由派0.1紋2亞和清0.1襲8緞，分別增榜加唇到繳0.1的6灣和完0.2柏4扎。3結(jié)論悟微型冷熱作電聯(lián)供系放統(tǒng)毛(MCC鈔HP卻)沫以清潔的輛天然氣為爽燃料，有組效結(jié)合了鵝燃?xì)鈨?nèi)燃疲機(jī)、發(fā)電砌機(jī)和固體根吸附式制狠冷機(jī)，實(shí)祖現(xiàn)了能量妥的梯級(jí)利揀用。由于熄聯(lián)供系統(tǒng)赴充分利用武了熱機(jī)做然功過程產(chǎn)魄生的余熱吐，因此聯(lián)屈供系統(tǒng)總?cè)谑且戎辛鞔嬖谠瓌?dòng)認(rèn)機(jī)的分供什系統(tǒng)節(jié)能伏。隊(duì)本文主要兩從系統(tǒng)一撓次能源利益用料率抓(誠(chéng)PER濕)淡的角度，甘對(duì)定MCCH共P袋系統(tǒng)進(jìn)行握分析節(jié)能小潛力的分董析。從分刮析中可以威發(fā)現(xiàn)，影鉛響系統(tǒng)序PER抹值的因素吃主要有發(fā)捉電效率鈔、余熱回纖收率扮、熱量分就配系數(shù)殺和制冷機(jī)誰COP漁值。在各肺影響因素賤中，對(duì)提參高系統(tǒng)澇PER述值影響程柿度順序依魚次為叼、熱、岔COP堅(jiān)和降。其中，消提高系統(tǒng)懂的發(fā)電效術(shù)率對(duì)冬PER控值的影響僚最大。對(duì)菊于相對(duì)一浩次能源利城用率而言亦，增加系擺統(tǒng)余熱回妨收率和吸盡附制冷空凈調(diào)梅COP曾值的增加減都會(huì)促進(jìn)扭該值的增鈔長(zhǎng)。參考文獻(xiàn)杜1Li串RY,陪Lin嘩S,C敞hen陷ZH.冤連.爐Num摟eric失alm板odel從ing盈oft鹽herm氧odyn懼amic渴non蠢-equ抹ilib世rium際flow腐of艷refr茫iger秤ant笛thro圣ugh家capi鎮(zhèn)llar記ytu很bes底.株ASH韻RAE點(diǎn)Tran務(wù)sact美ions鞠,19梅90,9紫6(1)刮:54跳2-54竊9可2Kue授hlS遙J,G薯olds儲(chǔ)chmi幣dtV擠W.詳.姻Mode析ling宜of以stea恢dyf構(gòu)lows煤of拜R-22握thr回ough梳cap星illa層rytu捐bes特.復(fù)ASH椅RAE善Tran饅sact洪ions盈,19柏91,斜97(1盯):1屑39-1港48啄3競(jìng)王如竹邀.尋慢關(guān)于建筑道物節(jié)能及仿復(fù)合能量逐系統(tǒng)的幾院點(diǎn)思考攻.航仁太陽能學(xué)文報(bào)究,20司02,3彈:32閱2-33麗5榴4X.Q周.Kon銜g,R.豪Z.Wa切ng,翠X.H.莊Huan茄g.懸.身Ener沖gye未ffic崗ienc咽yan船dec旬onom脾icf食easi頂bili圈tyo勤fCC玻HPd咱rive仁nby演stir糞ling玉eng鬼ine舞.峰Ener稅gyC久onve像rsio兄nan灰dMa灘nage股ment魯.20秤04,證45:痰1443齒-144關(guān)2微5Hav啊elsk京yV.端游.堪Ener圣geti蹄cef粱fici姿ency他of攏coge口nera景tion扛sys抱tems原for濾com說bine濕dhe脾at,焰cold潤(rùn)and交pow走erpr干oduc寧tion薄.妄Int種erna婆tion報(bào)alJ哨ourn毛alo幟fRe路frig其erat勵(lì)ion,螺1999斷,22巡:47商9-48暴5嶼6M.A抬.Smi慣th,P察.C.F脈ew但.遇Dom翠esti烏c-sc棉ale應(yīng)comb血ined喪heat搞-and弄-pow唇ers芽yste在min灶corp比orat班ing屠ahe丈atp拳ump:失