燃气冷热电三联供系统

燃气冷热电三联供(CGS)与公共建筑节能 李先瑞 程宝华 一.公共建筑的节能 ⒈概况 20 多年来,我国建筑迅速发展,全国城乡到处大量新建房屋,人民 生活大有改善。近几年，全国每年竣工的房屋面积约为 15 亿～20 亿㎡， 其中公共建筑 3～4 亿㎡，预计到 2020 年底，全国房屋建筑面积将新 增 250 亿至 300 亿㎡。如果延续目前的建筑能耗状况，每年将消耗 1.2 万亿度电和 4.1 亿吨标煤，接近目前全国建筑能耗的 3 倍。加之建材 的生产能耗 16.7﹪,约占全社会总能耗的 46.7﹪。 据调查，一般公共建筑的单位能耗为 20～60 度电，是城镇住宅的 2 倍；大型公共建筑的单位能耗为 70～300 度，是城镇住宅的 10～20 倍。在公共建筑（特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等） 的全年能耗中，大约 50﹪～60﹪消耗于空调与制冷系统，20﹪～30﹪ 用于照明，而在空调采暖这部分能耗中，大约 20﹪～50﹪由外围护结 构传热新消耗（夏热冬暖地区大约 20﹪，夏热冬冷地区大约 35﹪，寒 冷地区大约 40﹪，严寒地区大约 50﹪），30﹪～40﹪为处理新风所消 耗。 ⒉公共建筑的能耗 北京市大型公共建筑面积仅占北京市民用建筑面积的 1/20，其耗 电量却占到全市民用建筑总用电量的 1/4，相当于全市居民生活用电量 的 1/2 左右。 上海市大型酒店的单位建筑面积能耗约为 3～3.5GJ/㎡,其中空调 能耗约为 1.5～2.2GJ/㎡,空调能耗约为总能耗的 50﹪～60﹪。 大连市大型酒店的单位建筑面积能耗约为 1.5～2.9GJ/㎡,其中空 调能耗约为 0.5～1.5GJ/㎡。 深圳交层办公大楼的单位建筑面积能耗平均为 96kwh/㎡。 武汉市 9 幢大楼的单位建筑面积能耗约为 0.4～2.6GJ/㎡。 由此可见，公共建筑的能耗具有能耗大、用电量高和节能潜力大 的特点。 新建建筑严格执行建筑节能设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，逐步推进既有建筑节能改 造，预计到 2020 年，每年可节约 4200 亿度电和 2.6 亿吨标煤,减少CO2 等温室气体排放量 8.46 亿吨。 二.燃气冷热电三联供是公共建筑集中冷热源的主要形式之一 ⒈集中冷热源是“公共建筑节能设计标准”推荐的重要节能措施 空调冷热源的节能思路应主要集中在降低夏季电力和冬季燃气的 高锋负荷，减少对电网的冲击，提高天然气管线的利用率上。解决的 办法是“开源节流”，“开源”就是充分利用“低谷电、淡季气”，从时 间上与空间上去挖掘能源供应的潜力，如发展蓄冷技术、发展利用天 然气的燃气冷热电三联供等。“节流”就是改进空调采暖的冷热源设备， 提高其能源效率。 采用集中空调可以充分利用公共建筑中空调负荷出现的参差率和 空调系统的同时使用系数，降低总的制冷容量。 分散空调（变冷流量的多联机组、分体式房间空调器具有使用灵 活方便，便于单独计量，可以实现想用就用，想停就停的个性化使用 等优点。但其能效比小于水冷冷水机组集中空调系统，对于同样的制 冷量需要更多的电耗。在大型公共建筑中，水冷冷水机组空调冷（热） 源的cop大多在4.0以上，而变冷流量多联机的额定工况cop约为2.4， 当配管达 150m 后 cop 仅为 1.6。 ⒉发展城市热源是我国城市供热的基本政策。燃气冷热电三联供与城 市热源的组合方式，具有较好的节能效益和经济效益。 燃气冷热电三联供系统是《国家十一五规划》、《国家中长期能源 规划》、《国家中长期科技规划》的发展重点。 燃气冷热电三联供系统是分布式能源的主要形式，为公共建筑空 调冷热源提供了重要的选择，也是保证输电网安全的需要。 三.独立式 CGS 和复合式 CGS 的节能率 ⒈公共建筑中采用的燃气冷热电系统 以往，燃气冷热电系统（以下简称为 CGS）的热电比大，只适合于 热需要量较大的酒店和商业设施，或与区域供热、供冷系统组合使用 的系统。最近几年，随着发电机和排热技术的进步，在规模较小的单 幢建筑物内也能有效地使用 CGS。 ⒉CGS 的三种形式（见图 1） 制 冷 吸收式制冷机 排热型烟气 离心式制冷机 电 力 排热分布式电源天然气 系统电源 电力 供 热 供 热 电力 系统电源 图一 独立式 CGS 和复合式 CGS DHC—CGS 式 公共建筑中常用的 CGS 有三种形式，a 为独立式，b 为复合式，c 为 DHC—CGS 式。 ⒊CGS 的性能 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ⑴比较系统（见图 2） 天然气 排热 电 力 离心式制冷机 分布式电源 排热型烟气吸收式制冷机 制 冷 大楼 供给 电力 用户大楼 制 冷 吸收式制冷机 排热型烟气 电 力 锅 炉 天然气 系统电源 供 热 蒸汽 供给 系统电源 天然气 大楼 分布式电源 排热 电力 供给 电 力 离心式制冷机 排热型烟气 吸收式制冷机 锅 炉 系统电源 用 户 制 冷 供 热 制 冷 电 力 冷热 供给 供 热 供 热 系统电源 天然气 电 力 直燃机 制 冷 a.基础系统 离心式制冷机 电 力 天然气 系统电源 锅 炉 制 冷 供 热 b.离心式锅炉系统 ⑵评价指标（见表 1） 评价时的能量消耗量指的不仅是空调用能量消耗量，而是以建筑 物的全体能量消耗量为对象。 表 1 评价指标 指标 定义 全年一次能消耗量 （MJ/年） ∑（购电量kwh×系统电力一次解换算系数MJ/kwh＋天然气消耗量NM3× 46.06MJ/NM3 节能率 （﹪） （系统变更后全年一次能减少量）/基础系统全年一次能消耗量）×100 回收年数 （年） （系统变更后投资增加数）/（系统变更后运行费的减少数） CGS 峰值承担率 （﹪） （分布式电流的发电容量 KW/含热源的建筑物总电负荷的最大值 KW） 排热利用率 （﹪） 排热利用量 MJ/年/从分布式电源回收的排热量 MJ/年 ⑶独立式 CGS 的性能评价 图 3、图 4 表示的是在表 2 所示的建筑面积分别为 A～E 的建筑物 内设置独立式 CGS 的节能率和回收年数。从上述两图可知，建筑物的 建筑面积越大，节能率越高，回收年数越短。由于引入 GCS 的经济目 标值为 4～8 年，故从图 4 可知，投资年数低于 8 年的仅为 A（建筑面 积 30000 ㎡以上）。评价指标计算结果见表 3 表 2 按建筑面积分类 按建筑面积分类 建筑面积范围 栋数 A 30，000 ㎡以上 4 B 20，000 ㎡～30，000 ㎡ 9 C 15，000 ㎡～20，000 ㎡ 6 D 10，000 ㎡～15，000 ㎡ 13 E 5，000 ㎡～10，000 ㎡ 23 2 6 8 10 12 14 16 4 CGS 峰值承担率 CGS 峰值承担率 图 3 独立式 CGS 的节能率 图 4 独立式 CGS 的回收年数 表 3 独立式 CGS 的评价指标计算结果 建筑面积分类 节能率 （﹪） 回收年数 （年） 发电效率 （﹪） 排热利用率 （﹪） A 12.8 7.4 36.9 49.7 B 11.2 9.3 35.9 45.7 C 10.3 11.2 35.4 45.6 D 9.6 13.6 35.0 45.4 E 8.6 34.7 34.5 49.3 ⑷复合式 CGS 的性能评价 图 5 复合式 CGS 的性能 0 0 20 40 60 80 100 节 能 率 （ %） 回 收 年 数 （ 年 ） 4 16 14 12 10 8 6 2 0 0 10080604020 0 2 6 8 10 12 14 16 4 0 20 40 60 80 100 20 18 回 收 率 （ %） 节 能 率 （ %） 节能率（ 单独） 节能率（ ： ） 节能率（ ： ） 节能率（ ： ） 节能率（ ： ） 回收率（ ： ） 回收率（ ： ） 回收率（ ： ） 回收率（ ： ） 回收年数（ 单独） 图 5 表示复合式 CGS 的节能率和投资回收年数。图中以 B 建筑物 为设置 CGS 的建筑物，以 B～E 为用户建筑物，从回收年数上看，复合 式与独立式相当，从节能率上看，在建筑物密集的地方复合式的节能 率高于独立式。评价指标计算结果见表 4 表 4 复合式 CGS 的评价指标计算结果 建筑面积 分类 节能率 （﹪） 回收年数 （年） 回收年数 增加量（年） 发电效率 （﹪HHV） 排热利用率 （﹪） AA 15.8 7.1 0.2 37.9 53.9 AB 15.2 7.5 0.3 37.5 53.8 AC 14.6 7.7 0.3 37.3 53.2 AD 14.1 7.6 0.3 37.2 52.6 AE 13.6 7.8 0.3 37.1 51.2 BB 15.0 8.6 0.4 37.0 52.3 BC 14.0 9.0 0.5 36.7 52.0 BD 13.4 9.2 0.5 36.6 50.7 BE 12.4 9.7 0.6 36.3 48.8 CC 13.9 10.0 0.6 36.4 52.3 CD 13.2 10.3 0.7 36.2 51.4 CE 11.9 11.3 0.9 35.9 48.8 DD 13.1 11.1 0.9 36.0 51.7 DE 11.7 12.8 1.1 35.7 49.3 EE 11.2 18.4 2.0 35.1 49.0 注：管道的费用为 2 倍时回收年数的增加量 ⑸独立式 CGS 与复合式 CGS 的性能比较（见图 6） 0 20 40 60 80 复合式 独立式 离心式锅炉 吸收 天然气 购电 大楼热源天然气 大楼热源天然气 全年一次能消耗量（ 年） 全年一次能消耗量和节能率 初投资 初投资[10 团 ] 管道费用 大楼热源 大楼热源 吸收 离心式锅炉 独立式 复合式 4003002001000 500 6 6 0 50 100 150 复合式 独立式 离心式锅炉 吸收 电力基本费 电力计量费 天然气基本费 天然气计量费 运行成本[10 团 /年 ] 运行费用和回收年数 维护费 图 6.独立式 CGS 与复合式 CGS 的性能比较 四.DHC—CGS 式的性能评价 ⒈概况 DHC—CGS 供热、供冷建筑面积 72 万㎡。 ⒉热（冷）源厂设备概要 ⑴热（冷）源厂的主要设备（见表 5） 表 5 区域供热供冷热源厂的设备概要 (a)冷热源设备 热源厂 子热源厂 蒸汽吸收 式制冷机 9195kW×4 2615Rt×4 4599kW×2 1308Rt×2 天然气 计 36780kW 10460Rt 9198kW 2616Rt 离心式制 冷机 66505kW×1 1850Rt×1 1758kW×2 500Rt×2 1407kW×1 （制冷） 400Rt×1 （制冷） 热回收型 离心式制 冷机 （1125kW） （1510 kW） （冷热同时） （320Rt） （5429．82MJ/h） （冷热同时） 5274kW×1 （直送） 1500Rt×1 （直送） 盐水离心 式制冷机 （3024kW） （制冰） （860Rt） （制冰） 电气 计 13168kW 3750Rt 3516kW 1000Rt 换热器 9494kW 2700Rt 3516 kW 1000Rt 换热器 2813kW 800Rt 合计 62273kW 17710Rt 16230kW 4616Rt (b)热源设备 热源厂 子热源厂 15670kW×2 25.0t/h×2 6017kW×1 9.6 t/h×1 天然气 3009kW×1 4.8 t/h×1 计 40366kW 64.4t/h 放热换热器 2093kW 7524MJ/h 蒸汽、热水换热器 5000kW 17974MJ/h ⑵CGS 的设备概要（见表 6） 表 6 燃气冷热电三联供系统概要 A 大楼 CGS B 大楼 CGS 种类 防灾 兼用防灾用发电设备 兼用防灾用发电设备 发电出力（气体燃料） 2100kW×2 台 1100kW×2 台 发电出力（应付燃料） 1530kW（每台） 800kW（每台） 发电电力 6600V 6600V 频率 50Hz 50Hz 蒸汽产生量 6．8t/h 3．0t/h 使用燃料（气体） 天然气 天然气 使用燃料（液体） 特 A 油 特 A 油 NOx 发生量 40ppm以下（O2：0﹪换算） 40ppm以下（O2：0﹪换算） 运行方式 夜间停止 24 小时运行 ⒊DHC-CGS 式的运行 ⑴节能率 表 7 表示该方式的综合能源效率和节能率，从该表可知，综合能 源效率为 88.9﹪,节能率为 12.3﹪。 表 7 热源厂运行数据 传统系统(1) 燃料消 耗量 [千 (m3.N)] 总电力 消耗量 [MW.h] 热源电 力消费 量 [MW.h] CGS 充 电量 [MW.h] 燃气三 联供排 热[GJ] 热生产 量(其它 热 源)[GJ] 燃料消 费量 [千 (m3.N)] 电力消 费量 [MW.h] 一次能 换算 (2)[GJ] 燃气三 联供排 热率 (3)[﹪] 综合能 效 (4)[﹪] 节能 率 (5)[ ﹪] 4 月 1000 13891 1440 2342 17508 17306 484 15359 173276 50.3 93.6 7.9 5 月 990 14011 1749 2104 15798 21929 371 16032 174672 41.9 89.6 6.9 6 月 1298 14991 2220 2860 21907 28118 352 18280 195879 43.8 93.6 8.6 7 月 1579 16253 2989 2724 22022 46115 1740 19665 273439 32.3 90.5 24.8 8 月 1599 15896 2714 2724 21754 41820 1667 19104 264563 34.2 86.4 23.2 9 月 1232 15084 2510 2035 16139 38563 1286 17777 233949 29.5 89.1 20.9 10 月 953 14058 1432 2352 16797 15180 309 15850 170032 52.5 91.8 6.5 11 月 903 13558 1272 2321 16355 13984 403 14911 165139 53.9 97.0 7.9 12 月 1150 13630 918 2937 20315 11171 709 14262 172831 64.5 95.2 8.6 1 月 1303 13402 13402 876 20953 16003 971 13808 180449 56.7 94.6 10.1 2 月 1228 12444 12444 757 19552 14399 903 12834 167750 57.6 92.8 9.7 3 月 1272 14091 14091 981 22259 13072 841 14703 183255 63.0 95.1 9.4 合计 14507 171308 171308 19856 231359 277659 10036 192585 2355233 45.5 91.7 13.2 燃料高热量 燃料低热量 天然气 46.04655MJ/(m3·N) 41.609337MJ/(m3·N) 注⑴传统系统上记载的是用传统系统产生热量时必要的能耗量。 ⑵传统系统一次能换算=传统系统燃料耗量×燃料高位发热量＋传 统系统电耗×9.83 ⑶燃气冷热电三联供排热率=热量（燃气三联供排热）÷｛热量（燃 气三联供排热）＋热量（其他热源）｝×100 ⑷综合能效=｛热量（燃气三联供热）＋热量（其他热源）｝÷｛（热 源电耗–CGS 发电量）×9.83＋燃料耗量×燃料高位发热量｝×100 ⑸节能率=｛1-〔燃料耗量×燃料高位发热量＋（总电耗-CGS 发电量） ×9.83〕÷传统系统的一次能换算值｝×100 CGS 运行状况 设备名 容量〔kW〕 全年发电量〔MW·h/年〕 运行时间 〔h/年〕 A 大楼 CGS 1 号机 CGS 2 号机 2100 2100 7137 7960 3700 4230 B 大楼 CGS 1 号机 CGS 2 号机 1100 1100 8144 8112 7898 7865 合计 6100 31353 最初设计值 全年生产热量（燃气三联供排热）〔GJ〕 214962 全年生产热量（其他热源）〔GJ〕 184312 综合能效〔﹪〕 74.0 燃气三联供排热率〔﹪〕 53.8 节能率〔﹪〕 8.0 ⑵大温差供冷(见图 6) 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 A 大楼 6.30 6.33 5.88 6.31 6.55 7.36 8.07 7.91 7.63 6.43 6.37 6.44 B 大楼 6.36 6.16 7.43 9.29 9.53 10.12 10.71 10.79 10.75 10.01 9.28 7.37 热源厂 5.87 6.01 5.89 7.05 6.80 7.30 7.85 7.65 7.56 6.51 5.95 6.41 4 12 10 8 6 2 0节 能 率 （ %） 1 2 大楼 大楼 冷热源厂 图 6 2004 年冷水温差(月平均) 参考文献： ⒈大力发展节能省地型建筑，建设资源节约型社会 汪光焘 2006.3.28 ⒉公共建筑节能设计标准宣贯辅导材料 中国建筑工业出版社