冷熱電三聯(lián)供(CCHP)作為一種分布式供能技術(shù)，通過回收余熱用于供熱與制冷實現(xiàn)能源的梯級利用，可以同時提供冷、熱、電3種能量，將能源利用效率從普通火力發(fā)電的40%左右提升至70%～90%。該技術(shù)在多個國家得到了廣泛應(yīng)用，美、日、歐盟陸續(xù)出臺了冷熱電三聯(lián)供和熱電聯(lián)供(CHP)的發(fā)展規(guī)劃、鼓勵與保護政策，分布式能源技術(shù)在這些國家的應(yīng)用發(fā)展十分迅速。我國對樓宇型冷熱電三聯(lián)供項目的支持與發(fā)展力度越來越強，根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會頒布的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，到“十三五”末，全國要實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)裝機規(guī)模達5 000萬kW，在全國規(guī)模以上城市得到廣泛應(yīng)用。

然而多項調(diào)研結(jié)果表明，目前國內(nèi)已投入運行的燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)試點運行效果均不太理想。楊干等人研究指出，我國已建成的40多個以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為主的天然氣分布式能源項目有半數(shù)因效益、技術(shù)等問題處于停運狀態(tài)；李永紅調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院、浦東國際機場、北京燃氣集團調(diào)壓站、北京燃氣調(diào)度指揮大樓均由于設(shè)備容量配置過大，造成聯(lián)供機組運行效率低或經(jīng)濟性較差，導(dǎo)致系統(tǒng)停置擱用或根本無法運行的情況。我國對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展的鼓勵政策日益增多，發(fā)展環(huán)境日益規(guī)范，而實際試點的系統(tǒng)的運行狀況卻差強人意，這引起了學(xué)者們的重視。李永紅和張文等人分別提出了帶蓄能裝置的樓宇冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)方案，通過建模計算，得出了其相對于傳統(tǒng)方案在某些條件下可以提高機組效率的結(jié)論；李輝通過實驗證實了熱網(wǎng)和聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以電定熱的可行性；康書碩、Wang和Li等人采用不同的方法對CCHP系統(tǒng)進行建模，針對不同案例給出了設(shè)備配置、系統(tǒng)方案、運行方式的優(yōu)化結(jié)果。

目前，對于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的研究多集中在系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)運行的建模優(yōu)化等方面，然而這些研究其實只是錦上添花，對于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)而言，最基本的問題在于建筑對于這些能源需求的波動性與聯(lián)供系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性之間的矛盾。因此，建筑的冷熱電負荷需求特征是否適宜聯(lián)供系統(tǒng)的能源供應(yīng)特征是更值得研究探討的問題。筆者在辦公建筑、商場建筑、賓館飯店建筑、綜合建筑這4種公共建筑類型中，分別選取1棟實際運行的建筑作為典型建筑，以建筑能耗計量系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在建筑真實的冷熱電消耗狀態(tài)下模擬聯(lián)供系統(tǒng)的運行效果，并評價聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能性。

4棟典型建筑的熱工分區(qū)覆蓋寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)，收集的數(shù)據(jù)包括用電量、夏季供冷量、冬季供熱量、生活熱水熱量等，從4棟典型建筑的能耗數(shù)據(jù)可以分析歸納出不同地區(qū)不同類型建筑冷熱電需求的特點。在下文分析中，建筑的能源“負荷”“需求”，均以實際建筑的電、冷、熱用量表示。為了方便比較以及使結(jié)論具有普適性，能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)一以單位建筑面積消耗量(W/m2，kW·h/m2)表示。

1.1 寒冷地區(qū)辦公建筑

選取的寒冷地區(qū)辦公建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)夏季冷源為電制冷機，冬季熱源為市政熱網(wǎng)(有熱計量裝置)。該建筑全年耗電，耗電量較高時段為辦公時間，有近2/3的時間電力負荷不高，低于5 W/m2，全年用電的尖峰值為22.3 W/m2。由于在寒冷地區(qū)，相較于夏季供冷需求，冬季供暖需求時間較長，供暖需求量較大，全年供暖約3 500 h，供冷約850 h，供暖時長約為供冷時長的4.1倍。其全年冷熱電負荷如圖1所示。

該建筑全年尖峰熱負荷約為31.1 W/m2，尖峰冷負荷約為26.0 W/m2，與尖峰電負荷相差不大。但應(yīng)注意，冷熱電尖峰負荷的出現(xiàn)時間并不一致，夏季出現(xiàn)用電高峰是因為開啟了電制冷空調(diào)系統(tǒng)。如果應(yīng)用三聯(lián)供系統(tǒng)，則夏季制冷機的電耗可以省去，考慮制冷機COP為5，參考冷量數(shù)據(jù)對電量數(shù)據(jù)進行修正，全年冷熱電逐時負荷如圖2所示。

由圖2可見：冬季尖峰供暖需求約為供電需求的2～3倍，而夏季尖峰供冷需求約為供電需求的1.5倍；夏季供冷需求不連續(xù)，下班之后和周末近似為零。由于春季和秋季2個過渡季的存在，冷電量需求之比、熱電量需求之比在全年中有較大幅度的變化。

1.2 夏熱冬冷地區(qū)商場建筑

選取的夏熱冬冷地區(qū)商場建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)夏季冷源為電制冷機，冬季熱源為燃氣鍋爐。該建筑全年耗電，由于商場建筑營業(yè)時間長于辦公建筑，因此全年有過半的時間電負荷高于10.0 W/m2，全年用電的尖峰值為34.0 W/m2。供冷供暖時長較為接近，全年供暖約1 700 h，供冷約2 400 h。全年冷熱電負荷如圖3所示。

該建筑全年尖峰熱負荷約為48.4 W/m2，尖峰冷負荷約為45.3 W/m2，供冷供熱尖峰負荷相近。如果采用三聯(lián)供系統(tǒng)，則夏季制冷機的電耗可以省去，該項目實測制冷機COP較高，考慮制冷機COP以6.5計算，參考冷量數(shù)據(jù)對電量數(shù)據(jù)進行修正，全年冷熱電逐時負荷如圖4所示。由圖4可見：冬季尖峰供暖需求約為供電需求的2.5～3倍，而夏季尖峰供冷需求可達到供電需求的近2倍。

1.3 夏熱冬暖地區(qū)綜合建筑

選取的夏熱冬暖地區(qū)綜合建筑包括商場和辦公樓，其空調(diào)系統(tǒng)夏季冷源為電制冷機，冬季不供暖。由于辦公樓中有數(shù)據(jù)機房存在，該建筑全年耗電，供冷時長8 760 h(冬季為數(shù)據(jù)機房供冷)，全年用電的尖峰值為56.6 W/m2。全年冷電負荷如圖5所示。

該建筑全年尖峰冷負荷約為111.0 W/m2。如果采用三聯(lián)供系統(tǒng)，則夏季制冷機的電耗可以省去，該項目實測制冷機COP較高，考慮制冷機COP以6.5計算，參考冷量數(shù)據(jù)對電量數(shù)據(jù)進行修正，全年冷電逐時負荷如圖6所示，尖峰電負荷與尖峰冷負荷的出現(xiàn)時間基本一致，供冷需求與供電需求之比最大約為2，最小約為0.6。

1.4  寒冷地區(qū)賓館飯店建筑

賓館飯店建筑除冬季供暖、夏季供冷2種需求外，還存在供生活熱水需求。選取的賓館飯店建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)夏季冷源為電制冷機，冬季熱源為市政熱網(wǎng)，生活熱水熱源為燃氣鍋爐。該建筑的耗電量、耗冷量、耗熱量全年逐時數(shù)據(jù)來自能耗計量系統(tǒng)，生活熱水數(shù)據(jù)只有運行管理人員每日抄表所得的日供熱量，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)冬季(11月至次年3月)與非冬季(4—10月)日供熱量存在著明顯的差異，為了不給數(shù)據(jù)分析的準確性造成太大的影響，采用冬季與非冬季2個時間段的平均生活熱水用熱負荷的估算值進行分析。該建筑全年耗電，供暖約3 400 h，供冷約2 400 h，全年尖峰電負荷約為28.5 W/m2，尖峰熱負荷約為28.7 W/m2，尖峰冷負荷約為28.6 W/m2，冬季生活熱水熱負荷為2.75 W/m2，非冬季生活熱水熱負荷為3.77 W/m2。忽略制冷機耗電后的全年冷熱電逐時負荷如圖7所示，冬季供暖需求約為供電需求的2～3倍，而夏季供冷需求與供電需求基本一致。

1.5  建筑冷熱電需求分析

通過分析上述4種不同類型、不同地區(qū)的建筑的能源需求，可以發(fā)現(xiàn)建筑對電力的需求全年相對較穩(wěn)定，而供冷、供暖的需求隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)了較大幅度的波動，在過渡季節(jié)有可能會出現(xiàn)既無供冷需求又無供暖需求的情況，這意味著建筑的冷熱需求與電力需求之比在全年有著大幅的變化，冷電比、熱電比的波動范圍在0～3之間。

而樓宇式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的不同能源供應(yīng)比例的可調(diào)節(jié)性較差，通過煙氣、缸套水、中冷水回收的余熱總量與發(fā)電量的比例大致穩(wěn)定在1∶1，否則只能通過浪費掉一部分余熱來減小熱電比，造成聯(lián)供系統(tǒng)的熱電效率下降。因此，聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)定能源供應(yīng)與建筑波動的能源需求相適應(yīng)的情況下，必定造成2種結(jié)果：一種是熱電效率的下降；一種是供應(yīng)能源的減少，也即需要輔助冷熱源、電源進行補充。這2種結(jié)果對應(yīng)著運行管理人員在實際中選擇以電定熱還是以熱定電的運行模式。

以煙氣型內(nèi)燃機冷熱電三聯(lián)供方案為研究對象，對比電網(wǎng)供電+燃氣鍋爐供熱+水冷式電制冷機供冷的分供方案。在煙氣型內(nèi)燃機冷熱電三聯(lián)供方案中，聯(lián)供系統(tǒng)可以供應(yīng)電量+夏季需冷量+生活熱水需熱量，或供應(yīng)電量+冬季供暖需熱量+生活熱水需熱量。在分供方案中，由電網(wǎng)供應(yīng)建筑需求電量，水冷式電制冷機供應(yīng)夏季需冷量，燃氣鍋爐供應(yīng)冬季供暖需熱量與生活熱水需熱量。

由于聯(lián)供方案的輸入能源為天然氣，分供方案的輸入能源為電力和天然氣，為了方便比較，將分供方案的耗電量折算為發(fā)電效率55%的燃氣電廠的耗氣量。根據(jù)大量的工程實測可知，聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電效率達到40%、全熱效率達到80%已屬于難得的高效水平，用于聯(lián)供系統(tǒng)中的煙氣型溴化鋰吸收機在無補燃的情況下制冷COP在0.8上下。燃氣電廠發(fā)電效率、電網(wǎng)電損率均選取行業(yè)經(jīng)驗值。考慮項目的建筑體量均較大，設(shè)定燃氣鍋爐效率為90%，水冷式電制冷機的全年COP為4.5。聯(lián)供、分供系統(tǒng)計算參數(shù)設(shè)定值如表1所示。

聯(lián)供系統(tǒng)的運行可分為2種基本模式，即以熱定電模式和以電定熱模式。以熱定電模式取熱需求要求的發(fā)電量與電需求量中的小值作為實際發(fā)電量，這種運行模式下不需要獨立冷卻系統(tǒng)排出余熱，熱效率較高，但對一般建筑而言，也意味著在沒有冷熱需求的過渡季以及夏季的夜間，聯(lián)供系統(tǒng)不能運行。以電定熱模式則以滿足電需求為主，其排出的余熱盡量滿足熱需求，如果建筑熱需求不大，則需要冷卻系統(tǒng)排熱，此種模式在沒有冷熱負荷的情況下運行全熱效率很低。需要說明的是，對實際運行項目的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于已經(jīng)購買了發(fā)電機組，發(fā)電的邊際成本變低，所以只要經(jīng)濟上有利就會運行發(fā)電機組發(fā)電，不會去考慮一次能源消耗是否合理。絕大部分的聯(lián)供項目在經(jīng)濟因素的影響下實際是在以電定熱的模式運行。

2.1  夏季與冬季設(shè)計工況下聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的運行比較

夏季與冬季設(shè)計工況分別為建筑冷需求與熱需求最大的工況，此種情況原則上聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢最大。由于上述4類建筑的尖峰熱需求與電需求比例基本為2～3(夏熱冬暖地區(qū)建筑除外)，尖峰冷需求與電需求比例基本在1.5以上，而聯(lián)供系統(tǒng)可以提供的余熱與電量比例接近1，考慮吸收機夏季COP為0.8，則聯(lián)供系統(tǒng)熱電比以1計算，冷電比以0.8計算，均小于需求熱電比、冷電比，聯(lián)供系統(tǒng)可以達到完全出力。冬季供應(yīng)1 kW·h電量、1 kW·h熱量，夏季供應(yīng)1 kW·h電量、0.8 kW·h冷量聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)所需要的成本與折算的燃氣量結(jié)果分別見表2，3。

從折算的消耗燃氣量來看：冬季典型工況聯(lián)供系統(tǒng)消耗燃氣較分供系統(tǒng)要少，也就是熱電聯(lián)產(chǎn)模式下，聯(lián)供系統(tǒng)更節(jié)能；而在夏季供冷工況下，聯(lián)供系統(tǒng)消耗燃氣反而較分供系統(tǒng)要多，更費能。造成夏季工況聯(lián)供系統(tǒng)費能的原因是聯(lián)供系統(tǒng)原動機發(fā)電效率與燃氣電廠的差距太大，而余熱制冷效率又太低，利用余熱制得的冷量不足以彌補前者的差距。所以聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)相比，一次能耗是否降低的關(guān)鍵在于建筑的需求熱量是否夠多。

2.2 全年運行過程中聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的運行比較

基于已有的能耗數(shù)據(jù)，對聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于4類典型建筑的情況分為聯(lián)供系統(tǒng)以熱定電運行與以電定熱運行2種模式分別進行模擬。聯(lián)供系統(tǒng)并網(wǎng)不上網(wǎng)，且在低谷電價時段不運行(因為成本的原因沒有實際項目會在低谷電價時段運行)，筆者根據(jù)建筑的全年電負荷變化選取較穩(wěn)定的基礎(chǔ)負荷(一般為過渡季或冬季的最大電負荷)作為聯(lián)供系統(tǒng)的最大容量。

首先考慮聯(lián)供系統(tǒng)全年以保持全熱效率最高的以熱定電模式運行的情況。為了方便比較，計算出聯(lián)供系統(tǒng)運行1年的供電、供冷、供熱量和消耗的燃氣量，以及分供系統(tǒng)供應(yīng)同樣多電、冷、熱量所需要消耗的折算燃氣量。具體結(jié)果如表4所示。

以熱定電運行意味著聯(lián)供系統(tǒng)的全熱效率全年保持在最高效率80%，但是在商場建筑、綜合建筑案例中，聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)相比，折算的燃氣消耗量更多，這是因為這2個案例1個在夏熱冬冷地區(qū)，1個在夏熱冬暖地區(qū)，夏季的供冷需求非常大，而冬季的供暖需求小，夏熱冬暖地區(qū)綜合建筑甚至沒有熱需求。按照前文對夏季典型工況聯(lián)供系統(tǒng)運行的分析，夏季運行聯(lián)供系統(tǒng)更耗能，全年熱需求越小，聯(lián)供系統(tǒng)越不節(jié)能。而聯(lián)供系統(tǒng)相比分供系統(tǒng)節(jié)省燃料最多的是賓館飯店建筑，這不僅是因為其位于寒冷地區(qū)，更因為它存在著全年穩(wěn)定的生活熱水需求，全年熱需求量大。

其次考慮4種建筑中的聯(lián)供系統(tǒng)均以以電定熱模式運行，得到的結(jié)果見表5。

由表5可見，大部分情況下聯(lián)供系統(tǒng)以電定熱模式的消耗燃氣量要多于分供系統(tǒng)，只有賓館飯店建筑聯(lián)供系統(tǒng)相比分供系統(tǒng)節(jié)省燃料，但也較以熱定電模式有所降低。

通過上述計算比較可以發(fā)現(xiàn)，在所選的4個建筑案例中，只有賓館飯店建筑應(yīng)用樓宇式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)較常規(guī)分供系統(tǒng)存在較好的節(jié)能效果，而在辦公建筑、商場建筑、綜合建筑中節(jié)能效果均不明顯，甚至比分供系統(tǒng)更耗能。究其原因，是冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)只有在存在供熱需求時效率較分供系統(tǒng)更高，而這4類建筑中只有賓館飯店建筑全年存在時間較長且較穩(wěn)定的熱需求(生活熱水)。對于缺少熱需求的建筑，樓宇式冷熱電三聯(lián)供技術(shù)的可應(yīng)用性不佳。

本文根據(jù)不同熱工分區(qū)的4棟不同類型建筑的能耗數(shù)據(jù)，對樓宇式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于這些建筑中的節(jié)能性進行了分析。通過建模計算發(fā)現(xiàn)，雖然冷熱電三聯(lián)供技術(shù)可以實現(xiàn)能源的梯級利用，使得一次能源利用效率達到80%以上，但是由于燃氣電廠發(fā)電機組、電制冷機等設(shè)備技術(shù)的成熟，其效率已經(jīng)達到非常高的水平，相比之下樓宇式聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電效率、制冷效率還非常低，發(fā)電+制冷工況下消耗的燃料要多于分供系統(tǒng)，實際更耗能，只有在發(fā)電+供熱工況下才更節(jié)能。而由于辦公建筑、商場建筑等建筑類型不存在穩(wěn)定的熱需求，熱需求往往只集中在冬季，因而全年大部分時間內(nèi)聯(lián)供系統(tǒng)的運行均不節(jié)能。現(xiàn)實情況下，出于經(jīng)濟性的考慮，聯(lián)供項目在實際運行過程中往往采取以電定熱而非以熱定電的運行模式，這更使得整個系統(tǒng)的一次能源利用率大大降低。

全文刊登于《暖通空調(diào)》2018年第7期