文章简介：冷热联供系统的能耗估算
清华大学
陈君燕
Energy estimation of combined heating and cooling systems By Chen Junyan★
提要：阐述了利用热电联产热、锅炉房供热和废热驱动的各种冷热联供系统的能耗估算方法。对热电联产情况考虑了汽轮机进排气参数等条件的变化对供热供冷能耗的影响。给出了一定条件下各种系统包括热泵系统的供热供冷一次能耗率，并与常规系统作了比较。
关键词：供热 供冷 热电联产 能耗
Abstract Represents an energy estimation method for combined heating and cooling system (CHC) operated by heat from cogeneration systems or heating bollers and wasted heat, with consideration of effects of variation in inlet and outlet steam properties of the turbine on the heating and cooling energy consumption. Gives estimation of the primary energy ratio of heating and cooling for systems including the heat pump system and comparison with those for conventional systems.
Keywords heating, cooling, cogeneration energy, consumption
★Tsinghua University, China
0 引言
利用热能驱动的制冷其可回收利用各种低品位余热，从而在能量梯级利用中起着不可替代的作用。热制冷通常伴随着一个供热系统。由于共用了热源和其它一些设备，冷、热两部分互相联系成为一体，故称之为冷热联供。与采用电动制冷、热能供热的冷热分供相比，供热装置的冬、夏共用提高了它的全年得用小时数，降低了供热成本；又因分担了热制冷在热源建设上的投资也可能降低供泠成本。在热电联产的情况下利用热制冷可缓解夏季用电高峰和用热低谷的矛盾，平衡冬夏负荷；若利用太阳能，还可转移夏季白天的用电高峰，平衡昼夜负荷。随着这种系统的普及应用，研究它在什么条件下节能，具有十分重要的现实意义。
由于驱动热的来源、载热介质和参数的不同，导致热制冷设备种类繁多，冷热联供系统形式多样，其技术经济性彼此差异很大。因些在计算系统能耗时，不仅制冷机等主要设备的特性，而且热源的属性也成为一个关键问题。根据热的来源冷热联供系统可分为：利用各种废热或再生能源热、利用热电联产热和利用锅炉或直燃热等三类。从能源的有效利用角度来看，须遵守能量梯级利用的原则，尽可能利用低品余热和可再生能源供热供冷；对于需要燃烧化石燃料产生热能的情况，则应先作功发电之后再利用余热供热供冷，即采用热电联产。
利用同一设备如热泵，既供热又供冷的系统也是一种冷热联供系统。
1 系统的一次耗率
组成冷热联供系统的各种设备所消耗能量品位和来源都有不同。为进行能耗的分析比较，把它们全都折算为一次能源消耗量个好方法： 其中凡电量都按骨干凝汽式电厂或全国平均发电能耗折算。一次能耗率（PRE）是一次能量（PE）与需要输出的能量的比值。
1．1 当耗用来自燃烧器或锅炉的热能时
供热 （1）
热驱动制冷或热泵主机的 （2）
式中：ηb--燃烧器或锅炉的效率；
COP--制冷或热泵主机的性能系数。
1．2 当耗用电能时
电热供热 （3）
电动制冷或热泵主机的 （4）
式中：ηpl--凝汽式发电厂的总效率。
1．3 利用废热或太阳能、地热等可再生热能时，其能耗取决于所投入的辅助能量。设f为输入的废热或可再生热能Qw占需要输入总能量（Qw +PE）的份额，即 （5）
其中一次能耗量PE与需要输入的驱动热Qd和锅炉或燃烧器效率ηb有关。 （6）
由此可得，供热 （7）
供冷 （8）
1．4 利用热电联产热供热、供冷的一次能耗率估算方法将在下节专门讨论。
1．5 当系统有多种耗能设备时，一次能耗量为 （9）
式中：下标j--系统中不同耗能设备。
一个冷热联供系统的耗能部分通常包括制冷或热泵主机、冷却或低温热源系统、能储存和输送系统以及辅助加热系统等。
系统的供冷一次能耗率为 （10）
系统的供热一次能耗率为 （11）
式中：PERr--制冷主机一次能耗率；
PERh--制热主机一次能耗率；
Ac--辅助设备耗电量与系统供冷量之比；
Ah--辅助设备耗电量与系统供热量之比
B--辅助加热量与系统供热量之比；
Ηb--辅助加热用锅炉或燃烧器效率，若采用电热则应以ηpl取代。
本文为简化把各系统彼此基本相同部分忽略，不计冷、热媒输送系耗能，只计主机耗能和冷却水或低温热源系统耗电。这样，对于制冷系统Ac值可取：两效吸收式为0.04～0.05,单效吸收式为0.07～0.09,两级吸收式为0.10～0.14 ，电动压缩式为0.03～0.04；对于热泵系统Ah值可取0.02～0.04。
冷热联供系统的全年能耗为 （12）
式中Qc和Qh分别为供冷量和供热量，GJ/h; Hc和Hh分别为供冷和供热的年当量满负荷运行小时数,h/a。
2 汽轮机供热能耗
在做热电联产节能计算时，一般是与凝汽式电厂加锅炉房电热分产作比较的。但在考虑热电分摊时，目前普遍采用的热量法把热电联厂的好处全部归电。联产供热能耗等于供热量除以热电厂锅炉效率，而不管汽轮机型式、参数如何。显然以这种方法对纷繁多样的冷热联供系统作能耗估算和方案比较，是难以得到可信结果的。
汽轮机热电厂利用作功后的蒸汽供热，大大提高了电厂热能利用率。但由于只有高于环境温度的热能才可以利用，因而供热蒸汽压力总是高于凝汽器压力。从而导致消耗同等数量燃料热量所发电量要比被替代的凝汽式发电厂少。把所减少的发电
量，折合成一次燃料热，即应为联产供热所消耗的能量。笔者下面将用此法（简称发电量减少法）计算汽轮机供热能耗。显
然，供热量一定时，发电量越高，供热能耗越小。但发电和供热的比例与汽轮机的新汽初参数、供热排汽压力和设备构造的完善程度等多个因素有关，并不能任意设定。文献[1] 、[2]给出利用表征汽轮发电机组耗热量Q、发电量Wh 和供热量Qh之间关系的热力特性方程估算能耗的方法。本文为简便起见，利用文献[3]给出的背压汽轮发电机组的供热电能生产率曲线来计算。供热电能生产率ω（简称电能生产率）是指在热电联产过程中，供热抽汽每向用户供应1GJ热能时所发出的电能，单位为kWh/GJ.它是表征热电厂在生产电能方面完善程度的主要指标之一。另一个衡量热电生产经济效益的重要指标是热能利用系数K。它是指热电厂有效利用的热量（包括发电和对外供热）与同时期内所消耗的总热量之比。
当已知ω，K和Qh时，就可以利用以下几个简单的式子计算联产供热的一次能耗率PERh。
热电厂的热能利用系数： （13）
热电联产发电量（kW）： （14）
供热汽轮发电机组的耗热量（GJ/h）： （15）
Q相同时凝汽式发电厂发电量（kW）： （16）
热电联产供热的一次能耗率： （17）
热电联产供热的一次能耗率： （18）
将式（14）～（17）代入式（18）得： （19）
式中：ηb和ηp--热电厂的锅炉效率和反映主蒸汽管散热损失的管道效率；
ηbc和ηpc--对比凝汽式电厂的锅炉效率和反映主蒸汽管的散热损失的管道效率；
ηpl--替代凝汽式发电厂的总效率。
由式（19）可见，背压汽轮机组供热的一次能耗率由热电厂的热能利用率、汽轮机组的供热电能生产率和替代凝汽式电厂的总效率决定。若K和ηpl一定，则ω越高，或者说汽轮机的进汽参数越高和出汽压力越低，PERh越低。若ω一定，K越高和ηpl越低，则PERh越低。由式（19）还可得到利用背压汽轮机排汽热制冷主机的一次能耗率为
（20）
3 供热和供冷能耗
图1、图2给出在替代凝汽电厂总效率35%，热电厂热能利用率80%条件下，计算得到的各种系统供冷、供暖一次能耗率柱形图。
图1各种制冷系统一次能耗率的比较
电制冷，制冷系数：1-2.0，2-3.0, 3-4.0, 4-5.0, 5-6.0;
吸收式制冷,1-锅炉或直燃热驱动,效率85%;
汽轮机进汽压力(MPa)：2-3.5 3-9.0，4-13.0，5-24.0；
汽轮机排汽压力(MPa)：多效-1.5，双效-0.9，单效-0.2，两级-0.08；
热力系数：多效-1.6，双效-1.2，单效-0.7，两级-0.4；
图2 供暖一次能耗率的比较
电热泵，制热系数：1-3.0, 2-4.0, 3-5.0, 4-6.0;
吸收式热泵，汽轮机进汽压力（MPa）：1-3.5, 2-9.0, 3-13.0, 4-24.0;
汽轮机排汽压力0.63MPa，制热系数1.7
联产热，汽轮机进汽压力（MPa）：1-3.5, 2-9.0, 3-13.0, 4-24.0;
汽轮机排汽压力：0.08 MPa ; 锅炉，效率：1-70%, 2-80%, 3-90%, 4-100%
由图1可见，热驱动制冷系统一次能耗率随制冷机COP 的升高而降低；在热电联产情况下，还随汽轮机进汽压力的提高而降低。虽然COP高的吸收式制冷机需要汽轮机排汽压力也高，从而汽轮发电机组的电效率降低，供热PER增大，但供冷PER随COP的变化趋势依旧。冷制机COP越低，汽轮机进汽压力的影响越显著。对于相同COP的制冷机，用联产热比用锅炉或直燃热驱动总是省能的；随着制冷机COP的降低，这种节省也是更显著。
热制冷与电热冷相比则不能一概而论。因不仅热制冷多种多样，电热冷的PER也随COP的变化而有很大差别。例如直燃多效吸收式制冷机或进汽压力为9.0MPa背压汽轮机排汽驱动的两效吸收式机，它们的供冷PER都大体与COP=4.0的电制冷相当，优于一般小型空调器，但却比不过大型高效电动制冷；而同样的联产热驱动单效机或直燃热驱动两效机则都只能与COP<3.0的电制冷相竞争。所以实际中是需要确定一些有影响的条件，并考虑COP的不同，根据具体情况仔细计算比较的。
两级吸收式制冷系统尽管用与供暖相同的85℃热水驱动，但因COP太低（小于0.4），从而冷却水系统电耗也高，以至供冷一次能耗率很高。即使利用废热或太阳能、地热等可再生能源，由于这些热源通常具有低品位和波动特性而需要辅助加热，所以是否节能还要看辅助热加上系统电耗所占份额。例如，欲使供冷PER小于1，废热利用的两级机"免费"热所占份额f须大于2/3。因此 ，为了利用"免费"热，应当研究开发热力系数较高而再生温度较低的热驱动制冷装置。此外，在系统设计时还应采取诸如蓄热等措施，以减少辅助加热。提高废热利用率。
由图2可见，用锅炉或直燃热供暖，即使90%的高效率，PER也达1.1。至于电热约相当于效率只有35%的燃烧器，PER高达2.9!与它们相比，利用热泵和热电联产热供暖则是省能的。
利用进气压力≥9.0MPa的背压汽轮机排汽直接供暖PER≤0.56 ,优于COP≤6的电动热泵。需要说明的是：本文联产热供暖按85℃热水计算能耗，而热泵供暖大约是50℃热水。如果联产热直接供暖按与热泵相同的温度计算，则供暖一次能耗率将会更低。此外，图2热泵是按没有辅助加热计算的，事实上冬季热泵常受到低温热源条件限制，而需要辅助加热，PER将比图示值增高。由图2还可看出，当汽轮机进汽压力>9.0MPa，第一类单效吸收式热泵不如用联产热直接供暖。况且从全年来看，夏季用单效吸收式热泵供冷PER相当高，是不利的。吸收式热泵或许更适合利用垃圾焚烧等废热驱动。瑞典有一座50MW大型吸收式热泵站[4]，用垃圾焚烧炉发生的蒸汽热能驱动，产出热水供热，同时制出的冷水用于冷凝净化垃圾焚烧炉排出的烟气，既节能又保护了环境。还有，电动热泵在非设计工况下效率会有较大降低，而这方面吸收式热泵将更优越些。
4 结论
冷热联供是指利用同一热源既供热又通过热驱动制冷机供冷；或利用同一设备如热泵供热和供冷。它有利于能的梯级利
用、设备利用率的提高和负荷的削峰填谷。热电联产热驱动的冷热联供系统与锅炉/直燃热或电热驱动相比总是省能的；而与电动比较，却必须考虑制冷机COP和汽轮机型号、参数及供热参数等条件作具体分析。大体上，用较高进汽压力背压汽轮机，带COP高的热制冷机的冷热联供可与一般电制冷加锅炉的冷热分供相竞争；高效电制冷加较高进汽压力汽轮机供热的冷热分供优于除"免费"热驱动之外的其它系统。用余热、可再生能源等"免费"热驱动或采用高效热泵/制冷机的冷热联供系统是否实际节能，还要看辅助加热量和主机的冷热共用的设计可能带来的运行效率降低对全年能耗的影响如何。
利用燃气轮机或内燃机余热供热供冷的内燃烧式联产系统，与上述汽轮机热电联产相比，更具有节能优势和潜力，详见文献[5]。
参考文献
1 张强，陈君燕，区域冷热联供系统能耗估算方法研究，见：全国暖通空调制冷1998年学术文集，北京：中国建筑工业出版社，1998.372-377。
2 沈细庭，热电联产中输热介质的选定，热电技术，1996，50（2）。
3 E. Я.索柯洛夫 热化与热力网（修订第5版）。宋英华，陈希博，等译，北京：机械工业出版社，1998
4 L E Astrand. Operating experience with a 50 MW absorption heat pump. ASHRAE Trans, 1988, 94,(I): 716-722
5 陈君燕，热电冷联产系统的节能，见：面向21世纪的热电联产论文集，中国电机工程学会热电专委会。2000.419-422。
国家自然科学基金资助项目（59378337）
作者简介：
陈君燕，女，1936年4月生，大学，教授
100084 清华大学建筑学院建筑技术科学系
（010）62356810
E-mail: CHJY263@263.net
责任编辑：JJSKT
