微型冷热电联供系统节能潜力的

微型冷热电联供系统节能潜力的分析摘要：冷热电联供系统(CCHP)作为一种分布式能源供应系统，受到越来越广泛的重视。本文介绍了一种基于燃气内燃机和小型吸附制冷机的微型冷热电联供系统(MCCHP)。该系统集发电，夏季空调制冷、冬季地板采暖，全年生活热水供应为一体，适合家用及小规模业务领域的应用，并且易于科学研究。本文以一次能源利用率(PER)为主要评价指标对整个系统进行了详细的分析，指出该系统节能的潜力和方向。关键字：冷热电三联供燃气内燃机吸附式制冷CCHP0前言能源是社会发展的物质基础，目前全世界的能源结构正逐步由第一代集中式能源系统朝着第二代分布式能源系统建设的方向迈进。分布式能源系统(DES)作为缓解我国严重缺电局面、节能降耗、保证可持续发展战略实施的有效途径受到普遍的关注。冷热电联供系统(CCHP)作为分布式能源供应系统的一种，以其独立供能、综合效率高等特点，逐渐成为能源领域内研究的热点[1-4]。冷热电联供技术利用高品位的能量进行发电，充分回收热机做功过程中产生的低品位余热热能，并采用热/冷、或电/冷转换设备进行制冷，是实现能量梯级利用的一种有效手段。一般来说，CCHP系统主要由不同的原动机、换热设备和制冷设备等构成。由于燃气轮机和溴化锂制冷机在价格与规模上的局限性，使得无法应用于家庭及小型商用的领域。因此，根据我国国情，建立基于小型燃气内燃机和吸附制冷机的微型冷热电联供系统(micro-scalecombinedcooling,heatingandpowerorMCCHP)成为了可能[5-6]。文献[7]完成了对微型冷热电联供系统的集成与部分的实验研究。该系统集发电、夏季制冷、冬季地板采暖、全年生活热水供应为一体，并且系统中水泵、电子设备等所需的电量完全由系统本身提供，因而可以脱离对外界分供系统的依赖，充分体现了小型“能源岛”的特征。本文主要以一次能源利用率(PER)为评价指标对整个系统进行了详细的分析，指出该系统节能的潜力和方向，今后为系统的优化设计与匹配做好准备。1微型冷热电联供系统的组成微型冷热电联供系统是由额定发电量12kW的燃气内燃机，制冷量9kW的吸附制冷机，换热设备、风机盘管、地板采暖盘路，以及冷却塔、水箱、水泵和连接管路等设备组成，实验系统如图1所示。燃气内燃机以天然气或者LPG为燃料，发电机组可提供400/230V、50Hz、3相4线制交流电。吸附制冷机采用硅胶-水为工质对，热源驱动温度为60-95℃。由于系统监控硬件设备和软件系统的开发，使得系统的自耗电（如水泵、电子设备等）完全由自发电提供，从而联供系统可以脱离对传统分供系统的能量供应的依赖。系统可以同时向外界发电、供热和制冷，并可以作为对冷热电联供系统能量管理和运行策略研究的科学实验平台，其研究成果可以推广到其他类型的冷热电联供系统中。眠图风1相晋实验系统纯照片润图筛2毛颂基于燃气来内燃机和梨固体吸附夜式制冷机晕组的微型像冷热电联胳供系统示缩意图图2表示了实验系统的流程图。从功能上来分，系统是由下面的一些功能单元所组成：能量发生单元，能量转换单元，冷量供应单元，生活热水供应单元，地板采暖单元和电能供应单元。能量发生单元是由原动机燃烧天然气，向外界提供电能和热量，并通过能量转换单元将产生的热能分别用于吸附机制冷，生活热水供应和地板采暖。系统热能的利用和转换是由下面两个水回路实现的：内环水路和外环水路。内环水路从联供系统的原动机中吸收热能，并存储系统多余的热量。外环水路则吸收内环水路传出的热量，并用于吸附机制冷、生活热水和采暖的用热所需。2系统节能潜力的分析2.1MCCHP系统一次能源利用率的表述评价冷热电联供系统的节能性，最常用的指标是一次能源利用率(PER)，它是系统输出的可用能量之和与系统输入的能量的比值[8-9]，即(1)在对MCCHP系统的节能潜力分析中，本文通过对影响系统PER值的各种因素进行详细的分析，进而得出提高系统节能性的方向。对于微型冷热电三联供系统，所回收的热量来自于两部分：从缸套水中回收的热量为，从烟气中回收的热量为。系统输入的总能量为。在夏季工况时，设总回收的余热中有份额用于热冷转换，这里称为热量分配系数。另外，设系统所发出的电量为。所以，微型冷热电三联供系统的一次能源利用率PER可表述为：(2)其中，表示微型冷热电联供系统的PER值。当系统在冬季工况时不需要外界供冷，＝0；其它工况，1≥>0。2.2影响MCCHP系统PER值的因素分析设微型冷热电三联供系统的电效率为，为三联供系统的余热回收率，其中，。则微型冷热电系统一次能源利用率的表达式可以表述为：(3)从上式可以看出，对于微型冷热电联供系统的一次能源利用率而言，实际上是将总体划分成电、热、冷三部分与输入总能量的比率。上式的第一项为电效率，第二项为用于热部分的回收率，第三项为整个系统的制冷效率。所以，为了提高MCCHP系统PER值，必须着眼于系统的发电效率、热回收效率和制冷效率的提高，以及合适的热量分配比。因此，上式表明具体影响MCCHP系统PER值的因素主要是、、和COP。下面将通过计算，考察不同因素对系统PER值的影响。涨2.3膜鞭各影响因漠素的灵敏归度分析落为了比较攻不同影响箩因素对恩PER鬼值的影响分程度，这讽里进行各微影响因素瓶的灵敏度辉分析。对怒于冬季工弄况刺＝瑞0案，所以，(6)而且，(7)傲一般微型绣冷热电联订供系统的夫<0.3否5贴，所以在盆冬季工况稍，对系统染PER适影响最大闯的是发电夹效率。因范此，在冷彩热电联供肝系统发动拍机选型时配应该选择故发电效率喇高的机组撇，并且尽艺可能在其茶高效率工蠢况下运行爆。目对于其他党工况，有穗部分的热驰量用于热栗冷转换。刷这里假定帝在电效率蒙为昌，热回收晚率曲为定值，肃则(8)而且，(9)狱因此，对盛于其他工啦况，为了食提高系统树的一次能普源利用率熔，应该尽乡可能提高低吸附式制违冷机的蓬COP刃值，从而摩提高系统拼效率。拖下面将只寨取一个参蛋数作为独膨立变量，挎考察各影乐响因素的萝灵敏度。象图犯3仗替各影响参唤数的灵敏高度分析稳从物图蜂3忘可以看出颂，在各影灾响因素中烟，发电效筒率芹对系统榜PER携值提高的更影响是最骂大的，下状面依次是海余热回收稳率愿和吸附制漠冷机穗COP迹和热量分潜配系数爬。例如，政当发电效丘率和余热场回收率剖各自增烛加莲1福0嚼％时，鞋PER筒值的增加钱量分别疏为届1沟0托％昌和茄7.菠5们％。同时抗，由于吸测附制冷机辽的插COP针值小罗于程1隐，因此当悄分配给吸克附制冷空芬调的热量吗增多时，披会影响联尊供系统软PER浪值的提高于。这一点疼可以从稿图霞3粒中热量分冈配系数绩为负值这历一点体现航出来。因卸此，对于谣微型冷热禾电联供系治统而言，株应该尽量岁提高吸附共制冷空调达系统的粥COP跑值。右由于发电扶效率对系裤统之PER国值的影响膀程度最大们，因此这喜里先着重互考察墨对联供系供统贩PER虫值的影响恋。为了排异除珍COP绍值和热量悬分配系数埋的影响，岗下面主要先在冬季工剥况掩下朽(售＝价0齐)宿考察发电村效率床对系统茅PER售值产生的缴影响。探图俯4海发电效率景对系统戴PER荡值的影响达从史图挺4屋可以看出偷，在一定辣余热回收怨率的情况美下，发电持效率越高搁，则系统拦PER粱值也越高太，发电效何率提升一翠点，没PER签值就会有见大幅提高剂。而且不有同的余热款回收率都树有着相似配的规律。只例如，当之发电效率悼由哲0.悔2句变化径到济0.际3良时，在余使热回收率烦率雀为舒0.斗5驳时，联供报系统的狮PER把值侧由库0.某7购变化陵到述0.逆8躁；另外，御在一定发提电效率的摄条件下，炼余热回收桶率越高，棕系统的棕PER佛值也越高唉。即，在车发电效率伐为定值的元情况下，惭对系统对策回收热量凤越充分，揉则妥PER雪值将有显虑著的提高削。例如，灿当系统发啦电效率链为员0.2窄5研时，余热呀回收效率凭由轮0.倒5落增加廊到排0.强6访时，系统哥的旧PER络值将石由吨0.7负5让增加绪到圣0.8冒5旬。琴2.4雾滥微型冷热城电联供系村统相对一退次能源利更用率的分抱析资对于分供面系统而言车，只是通离过燃料的虫燃烧放出捏热量，从赛而驱动热绵机做功，篮并不回收狐做功回收奋过程中的昏热量。联婚供系统恰洗恰是回收兆了这部分删热量，因痛而从这个迫意义上讲柿，联供系蔽统要比相著应的分供败系统肯PER蜡值要高。眉在只有原头动机的分复供系统中布，原动机股只用来发指电，并不黑回收产生絮的余热，煌则其城PER抵值可以表叙示为：(10)挤上式中，写表示只有夺原动机的击分供系统美的一次能史源利用率黎。曲为了比较斜联供系统点相对分供辨系统的节思能性，更习深入的探夏讨联供系并统的节能斜潜力，这毁里引入相解对一次能圾源利用率斜的概念，择它是联供俭系统的临PER捏值相对只谣有原动机凝的分供系深统势PER碧值的增加舍量，即(11)今从腐式滤(11医)读可以看出技，相对一佳次能源利到用率总是孔大撕于林0系的。它是火表征联供威系统对于挽分供系统妄节能性相馆对高低的史量，因而桐该值越大洗越好。但勺其具体值食的大小要定依据联供理系统的已、慨和坚COP韵具体的值掠而定。士假定吸附蹦制冷空调帽系统的纳COP辱值甜为舒0.史5雄，且为定怒值，下面与着重考察望余热回收摄率病和吸附制绸冷空调涨COP篮值对共值产生的浸影响。柜图叹5葡页联供系统晨余热回收孤率怠对尸的影响尚图要6哈葱吸附制冷敬空调各COP友值对阁的影响依从堂图闯5呼可以看出咏，随着余鸭热回收率久的增加，散联供系统尊的节能性累都有所增择长。例如张，在夏季预工况蛾＝裕1隶时，系统杆余热回收钩率酷由煌0.呆3禁增长滚到辜0.席5辰时，系统禁的相对一冠次能源利您用率值也氏由衔0.1盒5客增长遵到限0.2贿5沾。舒从韵图攻6麻可以看出痛，随着吸滴附制冷空阴调辰COP胁值的增加内，联供系朴统的节能呈性不断增庭加。并且恶随着联供校系统余热哨回收率值就的增加，稿斜率也随吼之增加。封例如，在鼓当余海热回收率爱分别垮为投0.贱4防和监0.饮6跳的情况下佣，吸附制洗冷空调的凳COP扮值亡由夜0.3盯5宋增加诵到琴0.擦5老时，相对薪一次能源艳率锣由派0.1纹2亚和清0.1袭8缎，分别增榜加唇到缴0.1的6湾和完0.2柏4扎。3结论悟微型冷热作电联供系放统毛(MCC钞HP却)沫以清洁的辆天然气为爽燃料，有组效结合了鹅燃气内燃疲机、发电砌机和固体根吸附式制狠冷机，实祖现了能量妥的梯级利拣用。由于熄联供系统赴充分利用武了热机做然功过程产魄生的余热吐，因此联屈供系统总融是要比中流存在原动认机的分供什系统节能伏。队本文主要两从系统一挠次能源利益用料率抓(诚PER湿)淡的角度，甘对定MCCH共P袋系统进行握分析节能小潜力的分董析。从分刮析中可以威发现，影铅响系统序PER抹值的因素吃主要有发捉电效率钞、余热回纤收率扮、热量分就配系数杀和制冷机谁COP渔值。在各肺影响因素贱中，对提参高系统涝PER述值影响程柿度顺序依鱼次为叼、热、岔COP坚和降。其中，消提高系统懂的发电效术率对冬PER控值的影响僚最大。对菊于相对一浩次能源利城用率而言亦，增加系摆统余热回妨收率和吸尽附制冷空净调梅COP曾值的增加减都会促进扭该值的增钞长。参考文献杜1Li串RY,陪Lin哗S,C敞hen陷ZH.冤连.炉Num搂eric失alm板odel从ing盈oft盐herm氧odyn惧amic渴non蠢-equ抹ilib世rium际flow腐of艳refr茫iger秤ant笛thro圣ugh家capi镇llar记ytu很bes底.株ASH韵RAE点Tran务sact美ions鞠,19梅90,9紫6(1)刮:54跳2-54窃9可2Kue授hlS遥J,G薯olds储chmi币dtV挤W.详.姻Mode析ling宜of以stea恢dyf构lows煤of拜R-22握thr回ough梳cap星illa层rytu捐bes特.复ASH椅RAE善Tran馒sact洪ions盈,19柏91,斜97(1盯):1屑39-1港48啄3竞王如竹邀.寻慢关于建筑道物节能及仿复合能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