宁波商用水源热泵控制板设计方案：重庆某冷热电三联供与江水源热泵复合系统运行分析

威哥 2023-02-04 12:36:27 90

宁波商用水源热泵控制板设计方案：重庆某冷热电三联供与江水源热泵复合系统运行分析在“以热定电、余电上网”的运行策略下，1期投入2台发电量为1.053MW的内燃式发电机，其余热利用选用可燃型烟气热水复合型吸收机组2台，与发电机一一对应；江水源热泵机组作为1期冷热源的补充设备。能源站空调水系统采用二级泵变流量系统，一级泵和机组联动，二级泵随楼栋负荷变流量运行。设计空调冷水供回水温度为5.5℃/11.5℃，热水供回水温度为50℃/42℃，系统制冷原理图如图1所示。表1 1期主要设备表冷热电三联供(CCHP)能源系统通过一次能源转换技术的集成应用，在一个区域内同时提供电、热、冷等多种终端能源，可实现能源的梯级、高效利用[1]。单一的冷热电三联供系统为了满足负荷需求，往往装机容量较大，热电供应比相对稳定。而区域建筑冷、热、电负荷的动态波动明显，热电需求比不断变化，一方面易导致发电机部分负荷运行，严重降低主机发电效率，另一方面导致冷热电三联供系统的热电供应比与区域建筑的热电需

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文章结合实测调研与第三方检测数据，对重庆某三联供复合供能系统的实际运行性能进行了综合分析。实测结果表明：该三联供系统的发电效率为35%，余热回收效率为52.7%，一次能源综合利用率为82.3%；江水源热泵系统制冷工况在55.6%的负荷率下运行，制热工况在89.3%的负荷率下运行，制冷能效比3.85，制热能效比3.97；相对于实际运行策略，系统在设计策略下运行可节能39.9%。

本文来源：建筑能源与环境设计研究中心

本文作者：石利军戎向阳司鹏飞（通信作者）闵晓丹候余波

冷热电三联供(CCHP)能源系统通过一次能源转换技术的集成应用，在一个区域内同时提供电、热、冷等多种终端能源，可实现能源的梯级、高效利用[1]。单一的冷热电三联供系统为了满足负荷需求，往往装机容量较大，热电供应比相对稳定。而区域建筑冷、热、电负荷的动态波动明显，热电需求比不断变化，一方面易导致发电机部分负荷运行，严重降低主机发电效率，另一方面导致冷热电三联供系统的热电供应比与区域建筑的热电需求比不匹配，为此常需要增设锅炉、补燃设备等，降低了系统㶲效率与经济性，削弱了能量梯级利用的优势[2-3]。

江水源热泵系统在我国属于成熟的可再生能源应用技术，系统能效比高，将冷热电三联供与江水源热泵复合后形成的复合系统，可通过适当的系统运行策略，使其满足区域需要的热电比。同时，还可以根据燃气价格以及峰谷电价特征，实现多种能源供应模式，提高系统运行的经济性与灵活性，充分发挥各自的优势，进一步提高一次能源的利用效率[4-5]。复合系统理论上可以取得较好的节能与经济效益[6]，但目前可验证其运行效果的数据有限，本文结合某重庆集中供冷、供热项目，对冷热电三联供结合江水源热泵系统的复合运行效果进行分析。

项目概况该项目建筑物容积率高，且毗邻长江，燃气供应保障度高，具备冷热电三联供系统和江水源热泵系统复合运行条件。各建筑物分期建设，能源站采用冷热电三联供与江水源热泵复合供能系统，土建一次建成，供能设备分期投入，1期为2栋办公大楼集中供冷、供热，面积约 10.4 万㎡，2017年6月新增为某医院供能，服务面积达14万㎡。1期主要供能设备见表1。

表1 1期主要设备表

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在“以热定电、余电上网”的运行策略下，1期投入2台发电量为1.053MW的内燃式发电机，其余热利用选用可燃型烟气热水复合型吸收机组2台，与发电机一一对应；江水源热泵机组作为1期冷热源的补充设备。能源站空调水系统采用二级泵变流量系统，一级泵和机组联动，二级泵随楼栋负荷变流量运行。设计空调冷水供回水温度为5.5℃/11.5℃，热水供回水温度为50℃/42℃，系统制冷原理图如图1所示。

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1 系统制冷原理图

实测方法与结果

实测方法

为了解复合区域能源系统实际运行效率，对能源站2016年8月1日至2017年7月17日的运营数据进行了调研，并对制冷典型工况进行了单独测试。同时结合第三方测评报告的数据，主要分析了冷热电三联供系统的发电效率、余热回收效率、一次能源利用率、江水源热泵系统效率、项目运行的供能量与耗能量状况。测试内容与方法如表2所示。

表2 测试内容与方法

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系统供/耗能情况

通过调研自动监控系统数据及能源站值班记录，得到系统全年供冷量、供热量、燃气耗量与耗电量，如表3及图2所示。系统年发电量为33696kW·h，项目单位面积能耗折合标准煤为4.59kg/m2。从表3可以看出，供冷季燃气耗量只有8672m3，远小于供暖季燃气耗量，复合系统发电机多在调试阶段运行，全年燃气大部分以直燃的方式直接消耗，系统实际运行策略与设计运行策略相差较大。

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图2 能源站年供能量

表3冷热电三联供复合江水源热泵系统年耗能量

分析与讨论

冷热电三联供系统运行性能

发电效率分析

发电机发电效率的计算公式如下：

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从典型日(09:00-17:00)记录来看，燃气耗量基本在270m³/h左右，当天发电量为8460kW·h。发电机基本处于满负荷运行工况，实际发电效率在35%左右微小波动。所选发电机名义工况下的发电效率为39.1%，实际发电效率比机组名义工况下的发电效率低了4.1%。

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图3 发电效率统计图

余热回收效率

余热回收效率的计算公式如下：

典型日发电机实际余热回收效率在52.70%左右微小波动。所选发电机名义工况下的余热回收效率为50.84%，实际余热回收效率比机组名义工况下的余热回收效率高约1.86%，发电效率的降低使得机组余热回收效率高于名义工况的余热回收效率。

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图4 余热回收效率统计图

一次能源综合利用率

选取4个典型日对系统一次能源综合利用率进行分析。其中有效利用的余热量计算含高温缸套水及烟气余热两部分，高温缸套水余热计算公式为：

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图6 高温缸套水进出温度

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图5 高温缸套水流量

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可得，系统一次综合能源利用率为82.3%，满足CJJ145-2010《燃气冷热电三联供工程技术规程》提出的系统年平均能源综合利用率为70%的要求。

表4 冷热电三联供系统设计与实际工况结论对比 %

水源热泵系统性能分析

江水源热泵系统性能数据来源于第三方检测报告。

表5 系统制冷能效比检测结果

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表6 系统制热能效比检测结果

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由表5 6可知：江水源热泵系统制冷能效比为3.85，系统制热能效比为3.97；制冷工况在55.6%的负荷率下运行，制热工况在89.3%的负荷率下运行。可见，制冷工况由于在部分负荷下运行，导致了系统制冷能效比偏低。

管网供回水温差

图7显示了主机侧与用户端的供回水温差。由图7可以看出，主机侧的供回水温差均较小，明显低于设计值。能源站运营方为了降低主机能耗，人为提高了主机的冷水供水温度（从设计的5.5℃提高到8~9℃），同时系统因处于部分负荷工况下运行，一级泵系统为了保护主机，设置为定流量运行，造成了“小温差”的运行状态。

二级泵采用变频方式，随各楼栋的负荷变化变流量运行，用户端的供回水温差与设计供回水温差（8℃）接近，基本实现了设计阶段的“大温差、小流量”运行，有效节约了输送系统能耗。

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图7 主机侧与用户端的供回水温差

从现场调研情况来看，由于自动控制系统未进行全面调试，目前还处于“只监不控”的状态，故是导致运行参数与设计参数偏差较大的原因之一。

系统设计运行策略

设计方案中，项目建设分3期进行，1期建成满足区域内设计总负荷的15%，2期建成满足区域内设计总负荷的35%，3期建成满足区域内设计总负荷的100%。

考虑到区域的空调设计热负荷约为冷负荷的一半，该项目所选择的余热利用设备为直接连接型吸收式空调机组，以确保达到较高的余热利用率。为了防止排烟温度过低而影响自然排烟，故未对从吸收式热泵排出的烟气进行余热回收。设计运行策略遵循“以热定电，余电上网”的运行模式，空调季节根据冷/热负荷的需求确定发电机的开启台数，冷/热量不足部分由江水源热泵机组补充，电量不足部分由公共电网补充电量多余部分输送给公共电网。

原设计系统运行时，全年除机房用电外仍有较多电量外送上网，可占到总发电量的60%以上。全年余热供冷约占总供冷量的30%。全年余热供热约占总热量50%左右。图8显示了在100%，75%，50%，25%设计工况下的供冷分配图。

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图8 不同工况下供冷分配图

系统实际运行策略与节能性分析

现场调研发现业主采用的实际运行策略与设计运行策略完全不同。

现场调研了解，项目调试时间为2015年4月，当时由于重庆市供电公司关于电力上网的政策原因，原审查通过的余电上网政策暂时无法实现，发电量只能能源站自用，而能源站用电负荷有限，导致发电机极少运行。

最终业主运行策略为：负荷较小时，采用直燃式制冷/供热；当负荷较大，直燃式无法承担，则开启1台江水源热泵机组运行。从2017年6开始，由于新增了一栋医院的供能需求，故出现了2台江水源热泵机组运行的情况。

对1m3燃气按复合系统设计运行策略（发电驱动江水源热泵制冷，余热驱动直燃机制冷）与实际运行方式（直燃供冷）进行经济性分析如图9所示。系统全年能耗对比如图10所示。重庆市电价按商业用电0.828元/（kW•h）计算；燃气按商业用气2.29元/m3计算。设计阶段确定的上网电价为0.577元/（kW•h），供冷量售价为0.69元/（kW•h），发电效率及机组效率按实测值取。

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图9 设计运行策略与实际运行策略经济性对比

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图10 设计运行策略与实际运行策略节能性对比

由图9 10可以看出：设计运行策略所产生的经济效益远优于实际运行策略；相对实际运行策略，设计运行策略的年节能率可达39.9%。未能实现上网运行使得复合系统无法按设计策略运行，系统的实际节能性和经济性与设计工况差距较大。

结论与建议

该项目冷热电三联供系统发电效率为35%，余热回收效率为52.7%，一次能源综合利用率为82.3%。江水源热泵系统制冷能效比为3.85，系统制热能效比为3.97。这表明此类复合系统具有一定的节能性。
冷热电三联供系统项目的实施与运行受电力、燃气等部门的多方约束，存在一定的政策风险（如发电是否可以上网、供气参数是否可以满足用气要求等），其将会影响项目的具体实施情况与系统的实际运行策略，进而影响到项目全寿命周期的经济性，建议项目实施前应进行充分的考虑。
“大温差、小流量”技术在区域供能中可有效节约输配系统能耗，但应确保系统建设完成时对水系统进行全面调试，并利用完善的自控系统，实现水系统的优化运行。

参考文献:

[1]陈晓，张国强，文进希.区域供冷系统中制冷机系统的优化配置探讨[J].流体机械，2003 31（6）：55-59

[2]林怡. 微小燃机热电冷联供与地下水源热泵耦合系统研究[D].北京：中国科学院，2010：83-85

[3]林怡，张士杰，肖云汉. 复合供能系统优化配置和运行策略研究[J].暖通空调，2011 41（10）：84-90

[4] Roque D P Benito Y R Parise J A R . Thermo economic assessment of a Multi-Engine Multi-H eat -Pump CCHP (Combined Cooling Heating and Power Generation)System-ACase Study [J].Energy 2010 35(9):3540-3550.

[5]白雪莲，李沫，刘义成.江水源热泵复合式系统的优化匹配[J].太阳能学报，2013 34（5）：847-851

[6]司鹏飞. 冷热电三联供与江水源热泵复合系统的优化配置研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015：112-113

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