淺談冷熱電聯(lián)產(chǎn)在民用建筑中的應(yīng)用

雷 靜

(廣東深圳華諾建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)是將制冷、制熱(包括供暖和供熱水)及發(fā)電過程一體化的總能系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)就是對(duì)不同品質(zhì)的能量進(jìn)行能源的多級(jí)利用，溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來被發(fā)電，而溫度比較低的低品質(zhì)熱能則被用來供熱或是制冷。這樣做不僅提高了能源的利用效率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在科學(xué)用能和能的梯級(jí)利用原理指導(dǎo)下，可以實(shí)現(xiàn)能源的更高效利用，符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求，是解決我國(guó)能源與環(huán)境問題的重要技術(shù)途徑，是構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合某項(xiàng)目關(guān)于冷熱電聯(lián)產(chǎn)方面的設(shè)計(jì)，對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)在民用建筑中的運(yùn)用進(jìn)行探討。

1 工程簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)，包括住宅、酒店、商業(yè)，總建筑約27 萬m2；本項(xiàng)目按用地功能和使用單位在地下室設(shè)置3 個(gè)能源中心，住宅能源中心、酒店能源中心、商業(yè)能源中心，能源中心滿足夏季供冷、冬季供熱；其中酒店能源中心采用了冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，即常規(guī)電制冷與熱回收發(fā)電機(jī)組。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)早在火電廠和工業(yè)中得到運(yùn)用，近些年來逐漸將小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)也運(yùn)用到了民用建筑中，小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置可設(shè)置在一個(gè)建筑物內(nèi)，發(fā)電可直接供該建筑物的用電負(fù)荷，所產(chǎn)生的熱(冷)量由建筑物內(nèi)管網(wǎng)輸送至各場(chǎng)所。目前，北京、上海等城市還采取了一些優(yōu)惠政策鼓勵(lì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展，例如北京燃?xì)獯髽?、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)等項(xiàng)目已經(jīng)采用了冷熱電聯(lián)產(chǎn)并取得了比較好的效果。冷熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)有較高的能源利用效率，在適當(dāng)?shù)呢?fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行可達(dá)到節(jié)省能源的效果。

2)采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)，基本上是熱交換器的組合體，因此，振動(dòng)小、噪音低；環(huán)保，制冷劑水對(duì)環(huán)境無污染；運(yùn)行可靠、費(fèi)用低。

3)在夏季空調(diào)用電高峰季節(jié)和冬季供暖用電季節(jié)，緩解電網(wǎng)用電壓力。

本項(xiàng)目考慮到利用再生能源的節(jié)能和環(huán)保等因素，選擇采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰?yán)錅乜照{(diào)機(jī)組、電氣控制屏、并網(wǎng)屏、PLC自控屏等組成。系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰?yán)錅厮照{(diào)機(jī)組被再次利用，可產(chǎn)生空調(diào)冷水或空調(diào)熱水，通過補(bǔ)燃達(dá)到空調(diào)的額定制冷(熱)量，并入建筑內(nèi)的空調(diào)水總管供末端使用。本工程系統(tǒng)運(yùn)行后預(yù)估能提供AC380V 約400 kW 的工頻電力，及空調(diào)冷水或熱水(如圖1 所示)。

圖1 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程示意圖

2.2 如何使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所生產(chǎn)的電

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，作為電氣專業(yè)需要重點(diǎn)考慮的問題之一是如何使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電。

由冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的電，有兩種方式投入到使用中：

1)獨(dú)立式，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)不連接的單獨(dú)運(yùn)行方式，此種方式直接分配，將所產(chǎn)生的電供給車庫(kù)普通照明、公共走道普通照明、泛光照明等一般用電負(fù)荷。

2)并網(wǎng)式，通過并網(wǎng)，并入到傳統(tǒng)變配電系統(tǒng)中，供給項(xiàng)目中的用電負(fù)荷；對(duì)于并網(wǎng)又分為并入市政電網(wǎng)和并入用戶自身變配電系統(tǒng)兩種方式。

獨(dú)立式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)量方便，如能確保平穩(wěn)的用電負(fù)荷，且成本較低，但供電可靠性相對(duì)偏低，如果冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生故障，所供給的用電負(fù)荷沒有電源，無法使用；并網(wǎng)式結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立式較復(fù)雜，供電可靠性較高(如表1 所示)。

考慮到供電可靠性的要求，本工程選擇并網(wǎng)式，若冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生故障，所供負(fù)荷的電源可由傳統(tǒng)變配電系統(tǒng)提供。由于市政電網(wǎng)供電范圍廣，影響面大，質(zhì)量高，故并入市政電網(wǎng)要求高，需要達(dá)到以下要求才可并到市政電網(wǎng)中：

1)待并冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的交流電與市政電網(wǎng)的交流電相序相同、頻率相同、電壓波形相同。

2)并聯(lián)合閘瞬間，待并冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的交流電與電網(wǎng)交流電對(duì)應(yīng)相的電位同相位。

同時(shí)，與市政電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，還需考慮設(shè)置雙向計(jì)量的表計(jì)，高峰和低谷電價(jià)如何計(jì)算也需考慮。

另本工程采用的是小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，不同于火電廠等使用的大型系統(tǒng)，其生產(chǎn)的電量相對(duì)小，本工程的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)估能提供AC380 V約400 kW 的電量，因此綜合分析后，本工程選擇采用將冷熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的電并入到用戶自身變配電系統(tǒng)中的并網(wǎng)方式。

對(duì)于將冷熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的電并入到用戶自身變配電系統(tǒng)中的并網(wǎng)式，待并發(fā)電機(jī)組也要達(dá)到并列條件才可并入；為了使待并發(fā)電機(jī)組滿足并列條件，需設(shè)置控制單元：

1)頻率差控制單元，檢測(cè)發(fā)電機(jī)側(cè)電源與系統(tǒng)側(cè)電源間的滑差角頻率，且調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)電源的頻率接近系統(tǒng)頻率。

2)電壓控制單元，檢測(cè)發(fā)電機(jī)側(cè)電源與系統(tǒng)側(cè)電源間的電壓差，且調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，使電壓差值小于規(guī)定的允許值。

3)合閘信號(hào)控制單元，待并機(jī)組的頻率和電壓都滿足并列條件時(shí)，合閘控制單元在相角差等于零的時(shí)刻，發(fā)出合閘信號(hào)(如圖2、3 所示)。

2.3 關(guān)于投入使用問題和計(jì)量問題

由于本工程中，是將冷熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的電直接并入到項(xiàng)目自身變配電系統(tǒng)中，與自身變配電系統(tǒng)形成了一體，直接供整個(gè)項(xiàng)目的負(fù)荷用電，同時(shí)通過系統(tǒng)所帶的電氣控制裝置，讓整個(gè)變配電系統(tǒng)優(yōu)先使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所提供的電量，工程所需要的剩余電量再由自身傳統(tǒng)變配電系統(tǒng)提供，這樣的并網(wǎng)形式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，且節(jié)能環(huán)保。

表1 獨(dú)立式和并網(wǎng)式的特點(diǎn)

圖2 控制單元的原理

圖3 冷熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的電與用戶自身變配電系統(tǒng)的并網(wǎng)原理

因?yàn)樯婕暗诫娏坑?jì)費(fèi)問題，計(jì)量在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)并網(wǎng)方式中需考慮到位；在冷熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電機(jī)側(cè)設(shè)有計(jì)量?jī)x表，計(jì)量由發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電量，則供電部門收取的用電費(fèi)用為整個(gè)項(xiàng)目用電電量除去冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)的電量，這為項(xiàng)目建設(shè)方節(jié)約了成本。

3 冷熱電聯(lián)產(chǎn)的現(xiàn)狀和方向

雖然冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在西方國(guó)家已得到較為廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)一些火電廠和工業(yè)項(xiàng)目中也有較為廣泛的應(yīng)用，而且構(gòu)成冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的各主要設(shè)備的產(chǎn)品也已經(jīng)非常成熟和完善，但是由于我國(guó)在能源結(jié)構(gòu)、價(jià)格、管理體制以及冷、熱、電負(fù)荷等外部條件，造成了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在我國(guó)大中城市的推廣應(yīng)用中，仍需要努力并需要研究和解決一些技術(shù)方面的重要問題。

1)優(yōu)化冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)配置，包括組成冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要部件，例如熱電機(jī)組、制冷機(jī)組、熱泵機(jī)組以及蓄電裝置等。

2)完善民用建筑中小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，由于民用建筑具有獨(dú)立的熱、電、冷負(fù)荷以及系統(tǒng)規(guī)模小等特點(diǎn)，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的配置和運(yùn)行問題很重要，需要考慮熱電機(jī)組容量、型式，制冷機(jī)、余熱鍋爐的搭配，蓄能裝置的利用，熱電冷裝置與電網(wǎng)的接入與協(xié)調(diào)等問題。

3)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的問題，由于一天中不同時(shí)段的電價(jià)以及電力、熱冷負(fù)荷的變化，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，以實(shí)現(xiàn)合理的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，從而使其達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

4)蓄能系統(tǒng)的問題，為了協(xié)調(diào)冷熱負(fù)荷與電負(fù)荷的關(guān)系，會(huì)在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)置蓄冷蓄熱系統(tǒng)，對(duì)蓄冷蓄熱裝置的型式、結(jié)構(gòu)以及在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行需要全面考慮。

5)研究電能質(zhì)量和運(yùn)行可靠性，包括電壓調(diào)整、電壓閃變、電壓不平衡、諧波畸變等幾方面。

6)短路電流保護(hù)問題，當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)電流注入電網(wǎng)，增加了配電網(wǎng)開關(guān)的短路電流水平，可能使配電網(wǎng)的開關(guān)短路電流超標(biāo)，故需要研究冷熱電聯(lián)產(chǎn)的接入容量、位置對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)配合的影響。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的變配電系統(tǒng)相比，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以在大幅度提高系統(tǒng)能源利用率的同時(shí)，降低環(huán)境污染，改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，冷熱電聯(lián)產(chǎn)逐漸成為一個(gè)發(fā)展方向。本文結(jié)合某工程，淺談了冷熱電聯(lián)產(chǎn)在民用建筑中的具體應(yīng)用，旨在拋磚引玉，與大家共同探討如何更好的將熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用到民用建筑中，建設(shè)節(jié)約型和綠色型建筑，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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