微型冷熱電聯供系統節(jié)能潛力的

微型冷熱電聯供系統節(jié)能潛力的分析摘要：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(fā)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(guī)模業(yè)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(jié)能的潛力和方向。關鍵字：冷熱電三聯供燃氣內燃機吸附式制冷CCHP0前言能源是社會發(fā)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(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(fā)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(guī)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-scalecombinedcooling,heatingandpowerorMCCHP)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(fā)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(jié)能的潛力和方向，今后為系統的優(yōu)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(fā)電量12kW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(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-水為工質對，熱源驅動溫度為60-95℃。由于系統監(jiān)控硬件設備和軟件系統的開發(fā)，使得系統的自耗電（如水泵、電子設備等）完全由自發(fā)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(fā)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。眠圖風1相晉實驗系統純照片潤圖篩2毛頌基于燃氣來內燃機和梨固體吸附夜式制冷機暈組的微型像冷熱電聯胳供系統示縮意圖圖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(fā)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(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(huán)水路和外環(huán)水路。內環(huán)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(huán)水路則吸收內環(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系統節(jié)能潛力的分析2.1MCCHP系統一次能源利用率的表述評價冷熱電聯供系統的節(jié)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(jié)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(jié)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(fā)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(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。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恩PER鬼值的影響分程度，這諷里進行各微影響因素瓶的靈敏度輝分析。對怒于冬季工弄況刺＝瑞0案，所以，(6)而且，(7)傲一般微型繡冷熱電聯訂供系統的夫<0.3否5貼，所以在盆冬季工況稍，對系統染PER適影響最大闖的是發(fā)電夾效率。因范此，在冷彩熱電聯供肝系統發(fā)動拍機選型時配應該選擇故發(fā)電效率喇高的機組撇，并且盡藝可能在其茶高效率工蠢況下運行爆。目對于其他黨工況，有穗部分的熱馳量用于熱栗冷轉換。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，對盛于其他工啦況，為了食提高系統樹的一次能普源利用率熔，應該盡鄉(xiāng)可能提高低吸附式制違冷機的蓬COP刃值，從而摩提高系統拼效率。拖下面將只寨取一個參蛋數作為獨膨立變量，挎考察各影樂響因素的蘿靈敏度。象圖犯3仗替各影響參喚數的靈敏高度分析穩(wěn)從物圖蜂3忘可以看出頌，在各影災響因素中煙，發(fā)電效筒率芹對系統榜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穗COP跡和熱量分潛配系數爬。例如，政當發(fā)電效丘率和余熱場回收率剖各自增燭加蓮1福0嚼％時，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％。同時抗，由于吸測附制冷機遼的插COP針值小羅于程1隱，因此當悄分配給吸克附制冷空芬調的熱量嗎增多時，披會影響聯尊供系統軟PER浪值的提高于。這一點疼可以從稿圖霞3粒中熱量分岡配系數績?yōu)樨撝颠@歷一點體現航出來。因卸此，對于謠微型冷熱禾電聯供系治統而言，株應該盡量歲提高吸附共制冷空調達系統的粥COP跑值。右由于發(fā)電扶效率對系褲統之PER國值的影響膀程度最大們，因此這喜里先著重互考察墨對聯供系供統販PER蟲值的影響戀。為了排異除珍COP紹值和熱量懸分配系數埋的影響，崗下面主要先在冬季工剝況掩下朽(售＝價0齊)宿考察發(fā)電村效率床對系統茅PER售值產生的繳影響。探圖俯4海發(fā)電效率景對系統戴PER蕩值的影響達從史圖挺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，則系統攔PER粱值也越高太，發(fā)電效何率提升一翠點，沒PER簽值就會有見大幅提高劑。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，當之發(fā)電效率悼由哲0.悔2句變化徑到濟0.際3良時，在余使熱回收率煩率雀為舒0.斗5駁時，聯供報系統的獅PER把值側由庫0.某7購變化陵到述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，慚對系統對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，燦當系統發(fā)啦電效率鏈為員0.2窄5研時，余熱呀回收效率憑由輪0.倒5落增加廊到排0.強6訪時，系統哥的舊PER絡值將石由噸0.7負5讓增加緒到圣0.8冒5旬。琴2.4霧濫微型冷熱城電聯供系村統相對一退次能源利更用率的分抱析資對于分供面系統而言車，只是通離過燃料的蟲燃燒放出捏熱量，從賽而驅動熱綿機做功，籃并不回收狐做功回收奮過程中的昏熱量。聯婚供系統恰洗恰是回收兆了這部分刪熱量，因痛而從這個迫意義上講柿，聯供系蔽統要比相著應的分供敗系統肯PER蠟值要高。眉在只有原頭動機的分復供系統中布，原動機股只用來發(fā)指電，并不黑回收產生絮的余熱，煌則其城PER抵值可以表敘示為：(10)擠上式中，寫表示只有奪原動機的擊分供系統美的一次能史源利用率黎。曲為了比較斜聯供系統點相對分供辨系統的節(jié)思能性，更習深入的探夏討聯供系并統的節(jié)能斜潛力，這毀里引入相解對一次能圾源利用率斜的概念，擇它是聯供儉系統的臨PER捏值相對只謠有原動機凝的分供系深統勢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。它是火表征聯供威系統對于挽分供系統妄節(jié)能性相館對高低的史量，因而桐該值越大洗越好。但勺其具體值食的大小要定依據聯供理系統的已、慨和堅COP韻具體的值掠而定。士假定吸附蹦制冷空調帽系統的納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漲COP籃值對共值產生的浸影響。柜圖嘆5葡頁聯供系統晨余熱回收孤率怠對尸的影響尚圖要6哈蔥吸附制冷敬空調各COP友值對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，散聯供系統尊的節(jié)能性累都有所增擇長。例如張，在夏季預工況蛾＝裕1隸時，系統桿余熱回收鉤率酷由煌0.呆3禁增長滾到辜0.席5辰時，系統禁的相對一冠次能源利您用率值也氏由銜0.1盒5客增長遵到限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辰COP脅值的增加內，聯供系樸統的節(jié)能呈性不斷增庭加。并且惡隨著聯供校系統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，吸附制洗冷空調的凳COP扮值亡由夜0.3盯5宋增加誦到琴0.擦5老時，相對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結論悟微型冷熱作電聯供系放統毛(MCC鈔HP卻)沫以清潔的輛天然氣為爽燃料，有組效結合了鵝燃氣內燃疲機、發(fā)電砌機和固體根吸附式制狠冷機，實祖現了能量妥的梯級利揀用。由于熄聯供系統赴充分利用武了熱機做然功過程產魄生的余熱吐，因此聯屈供系統總融是要比中流存在原動認機的分供什系統節(jié)能伏。隊本文主要兩從系統一撓次能源利益用料率抓(誠PER濕)淡的角度，甘對定MCCH共P袋系統進行握分析節(jié)能小潛力的分董析。從分刮析中可以威發(fā)現，影鉛響系統序PER抹值的因素吃主要有發(fā)捉電效率鈔、余熱回纖收率扮、熱量分就配系數殺和制冷機誰COP漁值。在各肺影響因素賤中，對提參高系統澇PER述值影響程柿度順序依魚次為叼、熱、岔COP堅和降。其中，消提高系統懂的發(fā)電效術率對冬PER控值的影響僚最大。對菊于相對一浩次能源利城用率而言亦，增加系擺統余熱回妨收率和吸盡附制冷空凈調梅COP曾值的增加減都會促進扭該值的增鈔長。參考文獻杜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Tran務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chmi幣dtV擠W.詳.姻Mode析ling宜of以stea恢dyf構lows煤of拜R-22握thr回ough梳cap星illa層rytu捐bes特.復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競王如竹邀.尋慢關于建筑道物節(jié)能及仿復合能量逐系統的幾院點思考攻.航仁太陽能學文報究,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and交pow走erpr干oduc寧tion薄.妄Int種erna婆tion報alJ哨ourn毛alo幟fRe路frig其erat勵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