冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在城市綜合體中的應用

李炳華 / 王立坤 / 岳云濤 / 楊智勇

（1.CCDI悉地國際，北京100037； 2.北京建筑工程學院，北京100044）

前言

燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)作為一種新型的分布式能源方式逐漸的應用于各類建筑當中，其特點在于能源的梯級利用，發(fā)電的同時利用余熱為用戶提供冷源和熱源，合理配置系統(tǒng)容量可以體現(xiàn)出其相對于傳統(tǒng)供能方式的高效節(jié)能優(yōu)勢[1]。城市綜合體的出現(xiàn)為三聯(lián)供系統(tǒng)的應用提供了廣闊的平臺，它集多種建筑業(yè)態(tài)于一體，不同建筑類型的冷熱電負荷疊加之后呈現(xiàn)出穩(wěn)定的冷熱需求，這種建筑采用三聯(lián)供系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)方式將會更加的節(jié)能高效。

1 城市綜合體的負荷特征

城市綜合體一般都由三種以上不同功能建筑組合而成，如表1列出了國內一些比較典型的綜合體規(guī)模及業(yè)態(tài)組成：

表1 城市綜合體的規(guī)模及組成

通過表1數據可以總結出綜合體建筑業(yè)態(tài)形式復雜多樣，面積基本在20萬m2以上，且建筑級別較高，對于供電的安全可靠性要求也較高。從冷熱電負荷角度分析，多種類型的建筑物呈現(xiàn)出不同的建筑負荷特點，各類建筑物負荷疊加之后可以得到一個冬夏季分別有較大熱冷負荷需求，常年有熱水需求的用戶負荷特征。

三聯(lián)供系統(tǒng)的初期投資較常規(guī)系統(tǒng)更大，用戶負荷特點滿足發(fā)電設備盡量長時間持續(xù)運行，才能充分體現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能效果。歸納三聯(lián)供系統(tǒng)適用的項目特點如下：

（1）建筑類型的使用電價相對較高;

（2）建筑物有較大冷、熱負荷需求或有常年熱水負荷需求；

（3）用戶對電源供應要求較高；

（4）用戶需要備用發(fā)電機。

可見，三聯(lián)供系統(tǒng)比較適用于賓館、綜合商業(yè)及辦公、醫(yī)院、交通樞紐、娛樂中心和高等院校等有穩(wěn)定冷熱需求的民用建筑和工業(yè)企業(yè)用戶，保證發(fā)電設備的長時間運行，從而充分利用聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電效率和余熱利用效率。

綜上所述，城市綜合體的負荷特征符合三聯(lián)供系統(tǒng)的適用特點，下面以湖南某城市綜合體為例分析三聯(lián)供系統(tǒng)的應用。

2 項目概況

未來國際中心位于湖南省，該城市綜合體集合了商業(yè)、餐飲、娛樂、辦公、酒店和公寓等多種功能的建筑物于一體，旨在打造城市的新地標，建立一個資源節(jié)約型的綜合體。與傳統(tǒng)的CBD相比具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，具體功能分區(qū)如表2所示。

表2 建筑功能及建筑面積統(tǒng)計

2.1 用電負荷估算

按照指標法估算整個建筑物的用電負荷，并列于表3。

表3 建筑物的用電負荷估算

表4 室內設計參數

采用傳統(tǒng)的單位建筑面積用電指標法，根據《全國民用建筑工程設計技術措施（2009）-電氣》[2]表2.7.6 各類建筑物的單位建筑面積用電指標，估算出未來國際中心的總裝機容量為：

S為建筑物總裝機容量，P為計算功率，K為同時使用系數取0.9，變壓器負載率取70%，功率因數取0.9。

2.2 冷熱負荷估算

根據建筑物的不同業(yè)態(tài)類型，設定適當的室內設計參數，如表4所示的室內參數，采用eQuest軟件對建筑物進行負荷模擬計算，模擬出建筑物的冷熱電逐時負荷。

通過軟件模擬出的冷熱電負荷如下：

模擬結果：全年最大冷負荷15 200kW，全年用冷量3 180.8萬kWh；全年最大熱負荷2 448kW，全年用熱量1 160.9萬kWh。

考慮到精品酒店和酒店公寓用熱水，全年最大熱水負荷1 511kW，全年用熱量407.8萬kWh。

全年用電最大負荷7 460kW，最小用電負荷為1 593kW，全年用電量40 193 194kWh。

2.3 變電站容量的估算

根據負荷需求估算出該綜合體的基本用電（不包含空調用電）負荷最大值為7 460kW，冷負荷最大值為15 200kW。若按照常規(guī)冷熱源方案（電制冷+鍋爐方案），電制冷COP值(COP值是指能量與冷量的比值，即單位1的能量能產生多少單位的冷量按照5來計算，電制冷的耗電最大值為3 040kW，具體計算如下[3]：

綜合體變壓器容量=（基本用電負荷最大值+電制冷耗電最大值）/變壓器的負載率=（7 460+3 040）/0.7=15 000kW

若功率因數取0.9，即可計算出變壓器的裝機容量為16 667kVA。由此可見經過模擬軟件的負荷估算和從電氣角度利用指標法計算的變壓器裝機容量基本相符合。

3 系統(tǒng)設備的選型

傳統(tǒng)的三聯(lián)供系統(tǒng)設備配置多，按照“以熱定電”或“以電定熱”的規(guī)則來選擇發(fā)電機的容量。本文提出了一種新型的配置方式，利用應急用電量的大小來選擇發(fā)電機的容量，并以此系統(tǒng)替代柴油發(fā)電機來作為應急電源使用，減少應急柴油發(fā)電機的設備投資。

考慮到電網的安全可靠性，一旦電網發(fā)生大面積停電，會對社會和人類帶來巨大的經濟損失，甚至人身傷亡。為了降低這種影響，要加強對電網的運行管理，增強電網的抗干擾能力，但是對于特別重要的電力負荷，設置自備應急電源也是對電力事故的重要補充，因此在機場、車站、醫(yī)院、學校、劇場和展覽館等重要場所，尤其是高層建筑配備應急電源是十分必要的。

未來國際中心包含了精品酒店和寫字樓等多種建筑業(yè)態(tài)，且都屬于超高層建筑物，根據《民用建筑電氣設計規(guī)范》[4]中對于民用建筑中各類建筑物的主要用電負荷分級的規(guī)定，精品酒店中所包含的一部分一級負荷中的特別重要負荷，應設置應急電源；同時建筑物的消防負荷和應急照明等也應自備應急電源。通常在設計初期應急電源的大小都是按照變電器總容量的10%～20%進行估算[4]，因此得出：

應急用電負荷=變壓器容量×10%=15 000×10%=15 00kW

通過以上計算，得出應急電源的容量應為1 500kW，利用此結果來選擇三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電機容量即為1 500kW，按照計算出的應急用電負荷選擇發(fā)電機的容量為1 500kW?？梢赃x擇兩臺容量為834kW的內燃機發(fā)電機JMS 316。

4 系統(tǒng)運行

4.1 能源站配置

能源站的配置采用的是燃氣內燃機+煙氣熱水型吸收式冷熱水機組+電制冷+燃氣鍋爐的組合方式，由燃氣發(fā)電機發(fā)電，在發(fā)電的同時將余熱中缸套水和煙氣余熱通過溴冷機為夏季供冷、冬季供暖。夏季不足的冷量由電制冷補充；冬季不足熱量通過補燃鍋爐解決。其原理示意圖如圖4所示。

4.2 電力系統(tǒng)運行

系統(tǒng)運行方式分為孤網運行、并網運行和上網運行三種[5]。

圖4 三聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)方案考慮三聯(lián)供系統(tǒng)作為應急電源使用，應急電源回路不應同時給其他回路供電，因此選用上網運行方式。系統(tǒng)所發(fā)電量全部輸送給電網，用戶的電力都從電網接入。這種方式在國外已經得到成功應用，在發(fā)電機有剩余時可以向公共電網送電，從而最大限度地提高發(fā)電機利用率，提高發(fā)電效率。此種方式系統(tǒng)配置更加靈活、節(jié)能效果更明顯，成為三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本項目按照上網運行方式設計，連接方式如圖5所示。

未來國際中心園區(qū)建筑物的用電負荷通過市電引入兩路10kV市電源供電。燃氣內燃機發(fā)電首先通過上網控制柜在市電兩端與市電連接向電網送電，在市電發(fā)生故障時，立即停止送電，接通Q4切換至為相應母線段上的應急負荷供電。為保證替代應急電源的可靠性，系統(tǒng)采用全年均運行方式，確保三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量隨時可以滿足全部應急負荷的供電需要。

5 結論

圖5 電力系統(tǒng)連接示意圖

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)將天然氣的發(fā)電、采暖和制冷技術融合一體，提高了資源利用率。它是我國發(fā)展分布式能源的一種重要途徑，符合目前提倡節(jié)能減排的環(huán)保要求。綜合體的負荷特征適合應用三聯(lián)供系統(tǒng)，且針對綜合體的建筑等級和應急負荷的大小來選擇三聯(lián)供系統(tǒng)的設備容量，不僅利用了三聯(lián)供的優(yōu)勢，同時減少了常規(guī)柴油發(fā)電機的投資，是一種更好的解決方案。

[1]P.J.Mago，L.M.Chamra.Analysis and optimization of CCHP systems based on energy,economical, and environmental considerations.[J]. Energy and Buildings，2009，41:1099-1006.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設部工程質量安全監(jiān)管司,中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施[S].北京:中國計劃出版社，2009.12:15-16.

[3]肖蓀.上海某能源中心三聯(lián)供方案及運行方式的系統(tǒng)優(yōu)化[D].上海：東華大學，2010:25-92.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ16-2008民用建筑電氣設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.CJJ145-2012燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.