三聯供系統微電網制冷節能性分析

孫文彬，楊耿煌

（天津職業技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

聯供系統的微電網是集制冷、供熱和發電三部分于一體，建立在能源梯級利用基礎上的總能系統。三聯供系統通過對發電利用后的低品位熱能回收利用，對冷、熱負荷制冷和供熱，從而提高對能源的進一步利用，實現能源利用效率的最大化[1]。歐美等西方發達國家在三聯供系統應用上不僅技術領先而且應用達到一定規模，三聯供系統得到了很好的發展。國內三聯供系統也得到一定的應用，業界普遍對冷熱電三聯供系統在節能經濟和環保方面的優勢給予肯定[2]。然而，三聯供系統在制冷工況下的制冷設備各有差異，節能性評價標準和分析角度各不相同，因此三聯供系統的吸收式制冷系統的節能問題有待進一步研究。本文以含小型燃氣輪機的冷熱電三聯供系統的微電網為例，從制冷系統的一次能耗、一次能耗節能率和μ值（單位燃料燃燒產生的高品位熱量相當于供熱汽輪機抽汽或背壓排汽口處的低品位熱量[3]）的角度出發，對三聯供系統的吸收式制冷系統和分產系統的電壓縮式制冷系統進行比較，分析冷熱電三聯供系統在制冷方面的節能性，為進一步研究三聯供系統制冷的節能性提供參考。

1 三聯供系統微電網

使用常規能源進行供熱制冷的分產系統，其能源利用效率比較低，普遍存在著能源浪費的現象。而微電網中，分布式冷熱電聯產的制冷供熱所需要的能量來源于低品位能源，該制冷供熱系統的能量利用遵循了能量梯級原理。因此，冷熱電聯產系統相對于分產系統，實現了能源利用的最大化，有效解決了制冷供熱所帶來的能源浪費的問題，對節能環保具有重要意義。分布式冷熱電聯產系統的組成形式主要有3種：燃氣輪機+直燃型吸收式制冷機；燃氣輪機+余熱鍋爐（不補燃）+吸收式制冷機；燃氣輪機+余熱鍋爐+汽輪機+吸收式制冷機。本文以第2種組成形式的三聯供系統為例，對其節能性進行分析，該三聯供系統組成結構如圖1所示。

圖1 三聯供系統框圖

2 節能因素分析

從文獻[4]提供的1 163 kW制冷系統能耗表中可知壓縮式制冷系統與吸收式制冷系統（蒸汽雙效型）相比，二者在冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機設備中都存在能耗。此外，壓縮式制冷系統和吸收式制冷系統分別在冷水機組和溶液泵中也都存在能耗現象。結合當量熱力系數（指消耗一次能源熱量能夠產生多少冷量，即消耗1 kJ燃料熱能所能得到的制冷量[5]）的定義及對1 163 kW制冷系統能耗表中壓縮式制冷系統與吸收式制冷系統的能耗分析，可得到壓縮式制冷系統的當量熱力系數為：

吸收式制冷系統的當量熱力系數為：

式中：Qc為制冷系統制冷量；ηe為全國平均發電效率；ηn為電網輸送效率，本文取值0.9；ηm為電動機總效率，本文取值0.9；Wce為冷水機組耗電量為冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機設備耗電量；Qh為吸收式制冷機組制冷所需蒸汽熱量；ηp為蒸汽管道供熱效率；Wca為吸收式制冷機組制冷所需電能；文獻[3]對μ值作出了解釋，文獻[6]中進行推導并得到其表達式為：

一次能耗率是一次能耗量與需要輸出能量的比值[6]。根據吸收式制冷系統與壓縮式制冷系統的當量熱力系數公式，可得到在壓縮式制冷系統和吸收式制冷系統下，2種系統對應的一次能耗率和一次能耗量。

壓縮式制冷系統的一次能耗率和一次能耗量分別為：

吸收式制冷系統的一次能耗率和一次能耗量分別為：

3 制冷系統的節能性分析

本文以1 163 kW相同制冷量產出為前提，分別分析一次能耗、μ值和一次能耗節能率對燃氣輪機冷熱電三聯供系統的吸收式制冷系統節能的影響，并對2種制冷系統的節能性進行比較。

3.1 一次能耗的節能分析

本文參照文獻[4]中Solar小型燃氣輪機技術參數表和1 163 kW制冷系統能耗表相關基礎數據，結合式（3），計算出 μ1～ μ5 的值，分別為 2.32，2.73，2.96，2.98，3.08。結合壓縮式制冷系統的當量熱力系數和吸收式制冷系統的當量熱力系數表達式及2種系統的一次能耗率和一次能耗量表達式，計算出相應的一次能耗率、當量熱力系數和一次能耗的數值，如圖2和圖3所示。

圖2 一次能耗率與當量熱力系數

圖3 一次能耗

以1163 kW相同制冷量產出作為節能分析的前提，通過圖3所示的壓縮式制冷系統和三聯供系統的吸收式制冷系統的一次能耗值的變化規律可以看出，三聯供系統的吸收式制冷系統的一次能耗值比壓縮式制冷系統的一次能耗值要小，且在三聯供系統的制冷系統中，μ值越大其對應的一次能耗值越小，故可得吸收式制冷系統相對壓縮式制冷系統具有節能性且吸收式制冷系統中μ值越大，節能性越好。

3.2 μ值與一次能耗節能率的節能分析

一次能耗節能率能夠直接反映制冷系統是否具有節能性，當一次能耗節能率δ>0時，表明該系統節能，否則該系統不具有節能性。其表達式為：

本文對全國平均效率取值分別為0.33、0.40和0.55，計算不同型號燃氣輪機吸收式制冷系統μ值對應的一次能耗節能率，并以不同的壓縮式制冷系統和不同的μ值作為比較基礎，從2種比較基礎出發分別對系統的節能性進行分析。當全國平均發電效率分別取值為0.33時，基于不同壓縮式制冷系統的節能性比較如圖4所示，基于不同μ值的節能性比較如圖5所示。

圖4 發電效率為0.33時基于不同壓縮式制冷系統的節能性比較

圖5 發電效率為0.33時基于不同μ值的節能性比較

由圖4、圖5知，當全國平均發電效率為0.33時，以相同壓縮式制冷系統作為比較基礎可得：μ值越大，一次能耗節能率越大，吸收式制冷系統相較壓縮式制冷系統的節能性越高；以相同μ值作為比較基礎可得：相對于活塞式壓縮制冷系統，吸收式制冷系統更具節能性，而相對于離心式壓縮式制冷系統，吸收式制冷系統節能率偏低。

當全國平均發電效率分別取值為0.40時，基于不同壓縮式制冷系統的節能性比較如圖6所示，基于不同μ值的節能性比較如圖7所示。

圖6 發電效率為0.40時基于不同壓縮式制冷系統的節能性比較

圖7 發電效率為0.40時基于不同μ值的節能性比較

從圖6、圖7可知，當全國平均發電效率為0.33時，一次能耗節能率較發電效率為0.40時明顯下降，只有μ1值對應吸收式制冷系統不具有節能性，而且對活塞式、螺桿式和離心式3種壓縮式制冷系統也不具有節能性。

當全國平均發電效率分別取值為0.55時，基于不同壓縮式制冷系統的節能性比較如圖8所示，基于不同μ值的節能性比較如圖9所示。

圖8 發電效率為0.55時基于不同壓縮式制冷系統的節能性比較

圖9 發電效率為0.50時基于不同μ值的節能性比較

圖8、圖9顯示：當全國平均發電效率取值為0.55時，大部分吸收式制冷系統不具有節能性，只當μ值取值較大時，才能表現出吸收式制冷系統的節能性。

4 結語

本文以燃氣輪機作為動力設備，分析了余熱鍋爐和吸收式制冷機組成的冷熱電三聯供系統的節能性。結果表明：系統的節能不僅受到系統本身所用燃氣輪機型號的影響，還與當地或全國的平均發電效率的取值有關。在使用該三聯供系統制冷時，應結合燃氣輪機型號與當地或全國平均發電效率，盡可能選取 μ值較大或較低的發電效率，同時還應考慮采用文獻[7]的微網經濟運行策略，從燃料價格、冷熱電負荷需求和發電與售電成本等方面出發，綜合比較分析，制定合理的三聯供系統運行策略，使三聯供系統充分發揮節能的優勢。

參考文獻：

［1］劉青容，阮英君，任建興，等.冷熱電三聯產系統節能減排效果的理論分析［J］.華東電力，2010（2）：267-270.

［2］江億，付林，李輝.天然氣熱電聯供技術及應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［3］江億，付林.熱電冷三聯供系統的節能分析［J］.節能，1999（9）：3-7.

［4］胡淞城.基于吸收式制冷的冷熱電三聯產系統的節能研究［D］．蘭州：蘭州理工大學，2009．

［5］王敏，房華榮，鄧滬秋.基于熱電冷三聯供節能條件的應用分析［J］．山西能源與節能，2007（3）：25-27．

［6］劉長軍.樓宇熱電冷聯供系統的節能分析與應用研究［D］．成都：西南交通大學，2003．

［7］郭佳歡.微網經濟運行優化的研究［D］．北京：華北電力大學，2010.