燃气冷热电三联供(CGS)与公共建筑节能

燃气冷热电三联供(CGS)与公共建筑节能李先瑞程宝华一.公共建筑的节能⒈概况20多年来,我国建筑迅速发展,全国城乡到处大量新建房屋,人民生活大有改善。近几年，全国每年竣工的房屋面积约为15亿～20亿㎡，其中公共建筑3～4亿㎡，预计到2020年底，全国房屋建筑面积将新增250亿至300亿㎡。如果延续目前的建筑能耗状况，每年将消耗1.2万亿度电和4.1亿吨标煤，接近目前全国建筑能耗的3倍。加之建材的生产能耗16.7﹪,约占全社会总能耗的46.7﹪。据调查，一般公共建筑的单位能耗为20～60度电，是城镇住宅的2倍；大型公共建筑的单位能耗为70～300度，是城镇住宅的10～20倍。在公共建筑（特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等）的全年能耗中，大约50﹪～60﹪消耗于空调与制冷系统，20﹪～30﹪用于照明，而在空调采暖这部分能耗中，大约20﹪～50﹪由外围护结构传热新消耗（夏热冬暖地区大约20﹪，夏热冬冷地区大约35﹪，寒冷地区大约40﹪，严寒地区大约50﹪），30﹪～40﹪为处理新风所消耗。⒉公共建筑的能耗北京市大型公共建筑面积仅占北京市民用建筑面积的1/20，其耗电量却占到全市民用建筑总用电量的1/4，相当于全市居民生活用电量的1/2左右。上海市大型酒店的单位建筑面积能耗约为3～3.5GJ/㎡,其中空调能耗约为1.5～2.2GJ/㎡,空调能耗约为总能耗的50﹪～60﹪。大连市大型酒店的单位建筑面积能耗约为1.5～2.9GJ/㎡,其中空调能耗约为0.5～1.5GJ/㎡。深圳交层办公大楼的单位建筑面积能耗平均为96kwh/㎡。武汉市9幢大楼的单位建筑面积能耗约为0.4～2.6GJ/㎡。由此可见，公共建筑的能耗具有能耗大、用电量高和节能潜力大的特点。新建建筑严格执行建筑节能设计标准，逐步推进既有建筑节能改造，预计到2020年，每年可节约4200亿度电和2.6亿吨标煤,减少CO2等温室气体排放量8.46亿吨。二.燃气冷热电三联供是公共建筑集中冷热源的主要形式之一⒈集中冷热源是“公共建筑节能设计标准”推荐的重要节能措施空调冷热源的节能思路应主要集中在降低夏季电力和冬季燃气的高锋负荷，减少对电网的冲击，提高天然气管线的利用率上。解决的办法是“开源节流”，“开源”就是充分利用“低谷电、淡季气”，从时间上与空间上去挖掘能源供应的潜力，如发展蓄冷技术、发展利用天然气的燃气冷热电三联供等。“节流”就是改进空调采暖的冷热源设备，提高其能源效率。采用集中空调可以充分利用公共建筑中空调负荷出现的参差率和空调系统的同时使用系数，降低总的制冷容量。分散空调（变冷流量的多联机组、分体式房间空调器具有使用灵活方便，便于单独计量，可以实现想用就用，想停就停的个性化使用等优点。但其能效比小于水冷冷水机组集中空调系统，对于同样的制冷量需要更多的电耗。在大型公共建筑中，水冷冷水机组空调冷（热）源的cop大多在4.0以上，而变冷流量多联机的额定工况cop约为2.4，当配管达150m后cop仅为1.6。⒉发展城市热源是我国城市供热的基本政策。燃气冷热电三联供与城市热源的组合方式，具有较好的节能效益和经济效益。燃气冷热电三联供系统是《国家十一五规划》、《国家中长期能源规划》、《国家中长期科技规划》的发展重点。燃气冷热电三联供系统是分布式能源的主要形式，为公共建筑空调冷热源提供了重要的选择，也是保证输电网安全的需要。三.独立式CGS和复合式CGS的节能率⒈公共建筑中采用的燃气冷热电系统以往，燃气冷热电系统（以下简称为CGS）的热电比大，只适合于热需要量较大的酒店和商业设施，或与区域供热、供冷系统组合使用的系统。最近几年，随着发电机和排热技术的进步，在规模较小的单幢建筑物内也能有效地使用CGS。⒉CGS的三种形式（见图1）制冷吸收式制冷机排热型烟气离心式制冷机电力排热分布式电源天然气系统电源电力供热供热电力系统电源图一独立式CGS和复合式CGSDHC—CGS式公共建筑中常用的CGS有三种形式，a为独立式，b为复合式，c为DHC—CGS式。⒊CGS的性能评价⑴比较系统（见图2）天然气排热电力离心式制冷机分布式电源排热型烟气吸收式制冷机制冷大楼供给电力用户大楼制冷吸收式制冷机排热型烟气电力锅炉天然气系统电源供热蒸汽供给系统电源天然气大楼分布式电源排热电力供给电力离心式制冷机排热型烟气吸收式制冷机锅炉系统电源用户制冷供热制冷电力冷热供给供热供热系统电源天然气电力直燃机制冷a.基础系统离心式制冷机电力天然气系统电源锅炉制冷供热b.离心式锅炉系统⑵评价指标（见表1）评价时的能量消耗量指的不仅是空调用能量消耗量，而是以建筑物的全体能量消耗量为对象。表1评价指标指标定义全年一次能消耗量（MJ/年）∑（购电量kwh×系统电力一次解换算系数MJ/kwh＋天然气消耗量NM3×46.06MJ/NM3节能率（﹪）（系统变更后全年一次能减少量）/基础系统全年一次能消耗量）×100回收年数（年）（系统变更后投资增加数）/（系统变更后运行费的减少数）CGS峰值承担率（﹪）（分布式电流的发电容量KW/含热源的建筑物总电负荷的最大值KW）排热利用率（﹪）排热利用量MJ/年/从分布式电源回收的排热量MJ/年⑶独立式CGS的性能评价图3、图4表示的是在表2所示的建筑面积分别为A～E的建筑物内设置独立式CGS的节能率和回收年数。从上述两图可知，建筑物的建筑面积越大，节能率越高，回收年数越短。由于引入GCS的经济目标值为4～8年，故从图4可知，投资年数低于8年的仅为A（建筑面积30000㎡以上）。评价指标计算结果见表3表2按建筑面积分类按建筑面积分类建筑面积范围栋数A30，000㎡以上4B20，000㎡～30，000㎡9C15，000㎡～20，000㎡6D10，000㎡～15，000㎡13E5，000㎡～10，000㎡23268101214164CGS峰值承担率CGS峰值承担率图3独立式CGS的节能率图4独立式CGS的回收年数表3独立式CGS的评价指标计算结果建筑面积分类节能率（﹪）回收年数（年）发电效率（﹪）排热利用率（﹪）A12.87.436.949.7B11.29.335.945.7C10.311.235.445.6D9.613.635.045.4E8.634.734.549.3⑷复合式CGS的性能评价图5复合式CGS的性能0020406080100节能率（%）回收年数（年）416141210862001008060402002681012141640204060801002018回收率（%）节能率（%）节能率（单独）节能率（：）节能率（：）节能率（：）节能率（：）回收率（：）回收率（：）回收率（：）回收率（：）回收年数（单独）图5表示复合式CGS的节能率和投资回收年数。图中以B建筑物为设置CGS的建筑物，以B～E为用户建筑物，从回收年数上看，复合式与独立式相当，从节能率上看，在建筑物密集的地方复合式的节能率高于独立式。评价指标计算结果见表4表4复合式CGS的评价指标计算结果建筑面积分类节能率（﹪）回收年数（年）回收年数增加量（年）发电效率（﹪HHV）排热利用率（﹪）AA15.87.10.237.953.9AB15.27.50.337.553.8AC14.67.70.337.353.2AD14.17.60.337.252.6AE13.67.80.337.151.2BB15.08.60.437.052.3BC14.09.00.536.752.0BD13.49.20.536.650.7BE12.49.70.636.348.8CC13.910.00.636.452.3CD13.210.30.736.251.4CE11.911.30.935.948.8DD13.111.10.936.051.7DE11.712.81.135.749.3EE11.218.42.035.149.0注：管道的费用为2倍时回收年数的增加量⑸独立式CGS与复合式CGS的性能比较（见图6）020406080复合式独立式离心式锅炉吸收天然气购电大楼热源天然气大楼热源天然气全年一次能消耗量（年）全年一次能消耗量和节能率初投资初投资[10团]管道费用大楼热源大楼热源吸收离心式锅炉独立式复合式400300200100050066050100150复合式独立式离心式锅炉吸收电力基本费电力计量费天然气基本费天然气计量费运行成本[10团/年]运行费用和回收年数维护费图6.独立式CGS与复合式CGS的性能比较四.DHC—CGS式的性能评价⒈概况DHC—CGS供热、供冷建筑面积72万㎡。⒉热（冷）源厂设备概要⑴热（冷）源厂的主要设备（见表5）表5区域供热供冷热源厂的设备概要(a)冷热源设备热源厂子热源厂蒸汽吸收式制冷机9195kW×42615Rt×44599kW×21308Rt×2天然气计36780kW10460Rt9198kW2616Rt离心式制冷机66505kW×11850Rt×11758kW×2500Rt×21407kW×1（制冷）400Rt×1（制冷）热回收型离心式制冷机（1125kW）（1510kW）（冷热同时）（320Rt）（5429．82MJ/h）（冷热同时）5274kW×1（直送）1500Rt×1（直送）盐水离心式制冷机（3024kW）（制冰）（860Rt）（制冰）电气计13168kW3750Rt3516kW1000Rt换热器9494kW2700Rt3516kW1000Rt换热器2813kW800Rt合计62273kW17710Rt16230kW4616Rt(b)热源设备热源厂子热源厂15670kW×225.0t/h×26017kW×19.6t/h×1天然气3009kW×14.8t/h×1计40366kW64.4t/h放热换热器2093kW7524MJ/h蒸汽、热水换热器5000kW17974MJ/h⑵CGS的设备概要（见表6）表6燃气冷热电三联供系统概要A大楼CGSB大楼CGS种类防灾兼用防灾用发电设备兼用防灾用发电设备发电出力（气体燃料）2100kW×2台1100kW×2台发电出力（应付燃料）1530kW（每台）800kW（每台）发电电力6600V6600V频率50Hz50Hz蒸汽产生量6．8t/h3．0t/h使用燃料（气体）天然气天然气使用燃料（液体）特A油特A油NOx发生量40ppm以下（O2：0﹪换算）40ppm以下（O2：0﹪换算）运行方式夜间停止24小时运行⒊DHC-CGS式的运行⑴节能率表7表示该方式的综合能源效率和节能率，从该表可知，综合能源效率为88.9﹪,节能率为12.3﹪。表7热源厂运行数据传统系统(1)燃料消耗量[千(m3.N)]总电力消耗量[MW.h]热源电力消费量[MW.h]CGS充电量[MW.h]燃气三联供排热[GJ]热生产量(其它热源)[GJ]燃料消费量[千(m3.N)]电力消费量[MW.h]一次能换算(2)[GJ]燃气三联供排热率(3)[﹪]综合能效(4)[﹪]节能率(5)[﹪]4月1000138911440234217508173064841535917327650.393.67.95月990140111749210415798219293711603217467241.989.66.96月1298149912220286021907281183521828019587943.893.68.67月15791625329892724220224611517401966527343932.390.524.88月15991589627142724217544182016671910426456334.286.423.29月12321508425102035161393856312861777723394929.589.120.910月953140581432235216797151803091585017003252.591.86.511月903135581272232116355139844031491116513953.997.07.912月1150136309182937203151117170