【關鍵詞】冷熱電三聯供,燃氣內燃機,吸附式制冷,CCHP
【摘要】冷熱電聯供系統(CCHP)作為一種分布式能源供應系統，受到越來越廣泛的重視。本文介紹了一種基于燃氣內燃機和小型吸附制冷機的微型冷熱電聯供系統(MCCHP)。該系統集發電，夏季空調制冷、冬季地板采暖，全年生活熱水供應為一體，適合家用及小規模業務領域的應用，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進行了詳細的分析，指出該系統節能的潛力和方向。
0 前言
能源是社會發展的物質基礎，目前全世界的能源結構正逐步由第一代集中式能源系統朝著第二代分布式能源系統建設的方向邁進。分布式能源系統(DES)作為緩解我國嚴重缺電局面、節能降耗、保證可持續發展戰略實施的有效途徑受到普遍的關注。冷熱電聯供系統(CCHP) 作為分布式能源供應系統的一種，以其獨立供能、綜合效率高等特點，逐漸成為能源領域內研究的熱點[1-4]。冷熱電聯供技術利用高品位的能量進行發電，充分回收熱機做功過程中產生的低品位余熱熱能，并采用熱/冷、或電/冷轉換設備進行制冷，是實現能量梯級利用的一種有效手段。一般來說，CCHP系統主要由不同的原動機、換熱設備和制冷設備等構成。由于燃氣輪機和溴化鋰制冷機在價格與規模上的局限性，使得無法應用于家庭及小型商用的領域。因此，根據我國國情，建立基于小型燃氣內燃機和吸附制冷機的微型冷熱電聯供系統(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供系統的集成與部分的實驗研究。該系統集發電、夏季制冷、冬季地板采暖、全年生活熱水供應為一體，并且系統中水泵、電子設備等所需的電量完全由系統本身提供，因而可以脫離對外界分供系統的依賴，充分體現了小型“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進行了詳細的分析，指出該系統節能的潛力和方向，今后為系統的優化設計與匹配做好準備。
1 微型冷熱電聯供系統的組成
微型冷熱電聯供系統是由額定發電量12 kW的燃氣內燃機，制冷量9kW的吸附制冷機，換熱設備、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備組成，實驗系統如圖1所示。燃氣內燃機以天然氣或者LPG為燃料，發電機組可提供400/230V、50Hz、3相4線制交流電。吸附制冷機采用硅膠-水為工質對，熱源驅動溫度為60-95℃。由于系統監控硬件設備和軟件系統的開發，使得系統的自耗電（如水泵、電子設備等）完全由自發電提供，從而聯供系統可以脫離對傳統分供系統的能量供應的依賴。系統可以同時向外界發電、供熱和制冷，并可以作為對冷熱電聯供系統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供系統中。
圖1 實驗系統照片
圖2 基于燃氣內燃機和固體吸附式制冷機組的微型冷熱電聯供系統示意圖
圖2表示了實驗系統的流程圖。從功能上來分，系統是由下面的一些功能單元所組成：能量發生單元，能量轉換單元，冷量供應單元，生活熱水供應單元，地板采暖單元和電能供應單元。能量發生單元是由原動機燃燒天然氣，向外界提供電能和熱量，并通過能量轉換單元將產生的熱能分別用于吸附機制冷，生活熱水供應和地板采暖。系統熱能的利用和轉換是由下面兩個水回路實現的：內環水路和外環水路。內環水路從聯供系統的原動機中吸收熱能，并存儲系統多余的熱量。外環水路則吸收內環水路傳出的熱量，并用于吸附機制冷、生活熱水和采暖的用熱所需。
2 系統節能潛力的分析
2.1 MCCHP系統一次能源利用率的表述
評價冷熱電聯供系統的節能性，最常用的指標是一次能源利用率(PER)，它是系統輸出的可用能量之和與系統輸入的能量的比值[8-9]，即
(1)
在對MCCHP系統的節能潛力分析中，本文通過對影響系統PER值的各種因素進行詳細的分析，進而得出提高系統節能性的方向。
對于微型冷熱電三聯供系統，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。系統輸入的總能量為。在夏季工況時，設總回收的余熱中有份額用于熱冷轉換，這里稱為熱量分配系數。另外，設系統所發出的電量為。所以，微型冷熱電三聯供系統的一次能源利用率PER可表述為：
(2)
其中，表示微型冷熱電聯供系統的PER值。當系統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PER值的因素分析
設微型冷熱電三聯供系統的電效率為，為三聯供系統的余熱回收率，其中，。則微型冷熱電系統一次能源利用率的表達式可以表述為：
(3)
從上式可以看出，對于微型冷熱電聯供系統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，第三項為整個系統的制冷效率。所以，為了提高MCCHP系統PER值，必須著眼于系統的發電效率、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)
一般微型冷熱電聯供系統的<0.35，所以在冬季工況，對系統PER影響最大的是發電效率。因此，在冷熱電聯供系統發動機選型時應該選擇發電效率高的機組，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，為了提高系統的一次能源利用率，應該盡可能提高吸附式制冷機的COP值，從而提高系統效率。
下面將只取一個參數作為獨立變量，考察各影響因素的靈敏度。
圖3 各影響參數的靈敏度分析
從圖3可以看出，在各影響因素中，發電效率對系統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。例如，當發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的熱量增多時，會影響聯供系統PER值的提高。這一點可以從圖3中熱量分配系數為負值這一點體現出來。因此，對于微型冷熱電聯供系統而言，應該盡量提高吸附制冷空調系統的COP值。
由于發電效率對系統PER值的影響程度最大，因此這里先著重考察對聯供系統PER值的影響。為了排除COP值和熱量分配系數的影響，下面主要在冬季工況下(＝0)考察發電效率對系統PER值產生的影響。
圖4發電效率對系統PER值的影響
從圖4可以看出，在一定余熱回收率的情況下，發電效率越高，則系統PER值也越高，發電效率提升一點，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律。例如，當發電效率由0.2變化到0.3時，在余熱回收率率為0.5時，聯供系統的PER值由0.7變化到0.8；另外，在一定發電效率的條件下，余熱回收率越高，系統的PER值也越高。即，在發電效率為定值的情況下，對系統對回收熱量越充分，則PER值將有顯著的提高。例如，當系統發電效率為0.25時，余熱回收效率由0.5增加到0.6時，系統的PER值將由0.75增加到0.85。
2.4 微型冷熱電聯供系統相對一次能源利用率的分析
對于分供系統而言，只是通過燃料的燃燒放出熱量，從而驅動熱機做功，并不回收做功回收過程中的熱量。聯供系統恰恰是回收了這部分熱量，因而從這個意義上講，聯供系統要比相應的分供系統PER值要高。
在只有原動機的分供系統中，原動機只用來發電，并不回收產生的余熱，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的一次能源利用率。
為了比較聯供系統相對分供系統的節能性，更深入的探討聯供系統的節能潛力，這里引入相對一次能源利用率的概念，它是聯供系統的PER值相對只有原動機的分供系統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。它是表征聯供系統對于分供系統節能性相對高低的量，因而該值越大越好。但其具體值的大小要依據聯供系統的、和COP具體的值而定。
假定吸附制冷空調系統的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COP值對值產生的影響。
圖5 聯供系統余熱回收率對的影響
圖6 吸附制冷空調COP值對的影響
從圖5可以看出，隨著余熱回收率的增加，聯供系統的節能性都有所增長。例如，在夏季工況＝1時，系統余熱回收率由0.3增長到0.5時，系統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COP值的增加，聯供系統的節能性不斷增加。并且隨著聯供系統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 結論
微型冷熱電聯供系統(MCCHP)以清潔的天然氣為燃料，有效結合了燃氣內燃機、發電機和固體吸附式制冷機，實現了能量的梯級利用。由于聯供系統充分利用了熱機做功過程產生的余熱，因此聯供系統總是要比中存在原動機的分供系統節能。
本文主要從系統一次能源利用率(PER)的角度，對MCCHP系統進行分析節能潛力的分析。從分析中可以發現，影響系統PER值的因素主要有發電效率、余熱回收率、熱量分配系數和制冷機COP值。在各影響因素中，對提高系統PER值影響程度順序依次為、、COP和。其中，提高系統的發電效率對PER值的影響最大。對于相對一次能源利用率而言，增加系統余熱回收率和吸附制冷空調COP值的增加都會促進該值的增長。
參考文獻
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