冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法比較

宋偉明

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法比較

宋偉明

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

介紹了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的研究進(jìn)展?fàn)顩r，比較了不同評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的優(yōu)劣，指出了現(xiàn)有熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法的不足，為更好地對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指明了方向。

冷熱電聯(lián)供熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則熱效率火用

0 引言

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一個(gè)多能量產(chǎn)品輸出系統(tǒng)，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高供熱供冷質(zhì)量、增加電力供應(yīng)等綜合效益。以典型天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，首先天然氣燃燒釋放高溫?zé)崮?，推?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)做功發(fā)電，做過(guò)功的較高溫度的余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)通過(guò)制冷循環(huán)來(lái)供冷，較低溫度的余熱驅(qū)動(dòng)熱泵或利用換熱器來(lái)供熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的階梯利用，提高能源的綜合利用效率。

為了評(píng)價(jià)不同冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能特征，比較不同系統(tǒng)的優(yōu)劣，指導(dǎo)和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)成為研究的重點(diǎn)[1～2]。由于冷、熱、電是不同的產(chǎn)品，很難直接進(jìn)行定量比較，目前的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則主要有傳統(tǒng)熱效率[3～16]、節(jié)能率[5～11，17～23]、火用效率[7～16，24～28]、經(jīng)濟(jì)火用效率[7～9，15～16，28]、折合電效率[9～11，29]、當(dāng)量電效率[11，30～31]、等效電效率[32～33]、以及能量梯級(jí)利用率[34～35]等幾種，這些評(píng)價(jià)準(zhǔn)則根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，但不同評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的適用條件和應(yīng)用范圍有一定差異，使用不同的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則會(huì)得到不同的結(jié)論，有些評(píng)價(jià)結(jié)論甚至相互矛盾[7～11]，因此選擇科學(xué)合理的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則非常關(guān)鍵。

1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

1.1傳統(tǒng)熱效率

傳統(tǒng)熱效率[3～16]是根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算的能量利用效率，定義為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的輸出能量與一次能源消耗量的比值，其中一次能源消耗量按燃料低位發(fā)熱量計(jì)算。

式中：η1為傳統(tǒng)熱效率；W為系統(tǒng)輸出電量；Qh為系統(tǒng)供熱量；Qc為系統(tǒng)供冷量；Q為系統(tǒng)一次能源消耗量。

傳統(tǒng)熱效率由于簡(jiǎn)單、直觀，是評(píng)價(jià)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能時(shí)使用最為廣泛的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則之一。由于電的品質(zhì)高，熱和冷的品質(zhì)低，但傳統(tǒng)熱效率沒(méi)有對(duì)能源的品質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，也沒(méi)有合理反映不同能源所消耗能量的分?jǐn)偳闆r，它通常適用于單一功能系統(tǒng)，用于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)是不科學(xué)的和不合理的。

在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常通過(guò)補(bǔ)燃來(lái)調(diào)節(jié)冷、熱量的供應(yīng)[35～36]，增加系統(tǒng)靈活性，若按傳統(tǒng)熱效率計(jì)算，補(bǔ)燃部分的效率超過(guò)90%。但補(bǔ)燃沒(méi)有體現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，相當(dāng)于直燃機(jī)或鍋爐，從提高能源有效使用的角度上看，補(bǔ)燃是不值得提倡的，而傳統(tǒng)熱效率并不能真正反映系統(tǒng)能源利用的實(shí)際情況。因此在傳統(tǒng)熱效率的計(jì)算公式中，系統(tǒng)供熱量應(yīng)扣除補(bǔ)燃產(chǎn)生的熱量，系統(tǒng)供冷量應(yīng)扣除補(bǔ)燃產(chǎn)生的冷量。

1.2節(jié)能率

節(jié)能率[5～11，17～23]也是建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的熱經(jīng)濟(jì)性分析方法。評(píng)價(jià)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能情況，可以采用在供熱期或供冷期，按供應(yīng)相同熱量、冷量和電量的狀況下，冷熱電聯(lián)供方式相對(duì)于冷熱電分供系統(tǒng)（電網(wǎng)供電、鍋爐供熱、電制冷機(jī)供冷）的一次能量節(jié)約率來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。節(jié)能率應(yīng)按供熱期、供冷期分別進(jìn)行計(jì)算。供熱期和供冷期的節(jié)能率計(jì)算式分別如下：

式中：ηzh為供熱期節(jié)能率；ηzc為供冷期節(jié)能率；ηe為聯(lián)供的供電效率；ηce為考慮輸配能耗的電網(wǎng)供電效率；ηh為聯(lián)供的供熱效率；ηb為鍋爐的供熱效率；COPa為吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)；COPe為電制冷機(jī)的制冷系數(shù)。

可以看出，在分供系統(tǒng)參數(shù)（ηce、ηb、COPe）一定的情況下，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在供熱期的節(jié)能率隨聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率和供熱效率的提高而提高，在供冷期的節(jié)能率隨聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率、供熱效率和吸收式制冷機(jī)制冷效率的提高而提高。隨著電制冷機(jī)制冷系數(shù)和電網(wǎng)供電效率的提高，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率將逐漸降低，甚至不節(jié)能。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率與分供系統(tǒng)參數(shù)有很大關(guān)系，在不同的電網(wǎng)供電效率、鍋爐供熱效率和電制冷機(jī)效率下，得到的結(jié)果會(huì)有差異。而且節(jié)能率和傳統(tǒng)熱效率一樣，仍然沒(méi)有區(qū)分冷、熱、電三種能源的品質(zhì)差異。

1.3

火用效率[7～16，24～28]是從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，考慮了電能與冷、熱能之間存在的品位差異，以及不同溫度的冷、熱能之間的品位差異。火用效率定義為被有效利用或收益的火用與投入或耗費(fèi)的火用的比值。

式中：η3為火用效率；Eh為熱量；Ec為冷量火用；Ef為燃料；T0為環(huán)境溫度；Th為熱源溫度；Tc為冷源溫度。

1.4

式中：η4為經(jīng)濟(jì)效率；Pe為電價(jià)；Ph為熱價(jià)；Pc為冷價(jià)；Pf為燃料價(jià)格。

1.5 折合電效率

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的折合發(fā)電效率[9～11，29]是假定系統(tǒng)中冷量和熱量輸出的能耗都與參照的分產(chǎn)系統(tǒng)相同時(shí)，推算得到的發(fā)電效率。分產(chǎn)系統(tǒng)的供熱效率采用鍋爐的供熱效率，制冷效率采用電制冷機(jī)的制冷效率。

式中：η5為折合電效率。

同樣道理，還可以得到折合供熱效率和折合制冷效率。折合效率指標(biāo)把聯(lián)供帶來(lái)的好處僅歸于電、熱或冷中的其中一種產(chǎn)品，而認(rèn)為對(duì)其他產(chǎn)品沒(méi)有任何影響。這樣處理雖然簡(jiǎn)單明了，但與實(shí)際情況不符，是不合理的。

1.6當(dāng)量電效率

熱量、冷量和電量三者相比，雖然電量具有最高品質(zhì)，但冷量、熱量與電量都具有等價(jià)性。當(dāng)量電量就是把聯(lián)供系統(tǒng)中冷量或熱量分別折合成相應(yīng)的常規(guī)系統(tǒng)輸出相同冷量或熱量所消耗的電量，當(dāng)量電量之和與系統(tǒng)一次能源消耗量比值即為當(dāng)量電效率[11，30～31]。

式中：η6為當(dāng)量電效率；COPh為電動(dòng)熱泵的供熱系數(shù)。

可以看出，冷量和熱量的權(quán)重與生產(chǎn)冷熱的參照的常規(guī)系統(tǒng)的性能有關(guān)，常規(guī)系統(tǒng)的電動(dòng)熱泵和電制冷機(jī)的效率對(duì)當(dāng)量電效率的結(jié)果產(chǎn)生很大影響。隨著技術(shù)進(jìn)步，常規(guī)系統(tǒng)中的電動(dòng)熱泵和電制冷機(jī)的效率將提高，冷量和熱量將更容易獲得，那么冷量和熱量的加權(quán)因子就會(huì)降低。

1.7等效電效率

等效電效率[32～33]是基于所有一次能源（煤、天然氣、油、水力、核力、太陽(yáng)能、風(fēng)能等）都可以用來(lái)發(fā)電的前提，以高品位的電作為基準(zhǔn)，將冷量、熱量和燃料按照一定的折算系數(shù)轉(zhuǎn)化為電，同時(shí)考慮了不同能源量的差異和質(zhì)的不同。與當(dāng)量電效率的折算方法不同，等效電效率是利用等效電系數(shù)反映了該類型能源轉(zhuǎn)化為電的最大效率，其值反映了各種不同能源的品位，由熱力學(xué)第二定律推出。

式中：η7為等效電效率；Kh為供熱的等效電系數(shù)；Kc為供冷的等效電系數(shù)；Kf為燃料的等效電系數(shù)；Tg為供水溫度；Tr為回水溫度；Ts為蒸汽溫度；Tb為燃料完全燃燒的溫度。

采用等效電系數(shù)，一次能源和二次能源都可以轉(zhuǎn)化為電，方便不同類型能源的比較，同時(shí)考慮了能源轉(zhuǎn)化為電的最大能力，反映了能源的品位高低。等效電效率不僅可以衡量冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率水平，還可以將不同種類一次能源和不同能源利用方式的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較。

1.8能量梯級(jí)利用率

能量梯級(jí)利用率[34]從能量品位和梯級(jí)利用的角度全面考慮冷、熱、電產(chǎn)品的性能，借助統(tǒng)一量化的能級(jí)品位系數(shù)作為冷、熱、電的權(quán)重系數(shù)，來(lái)表達(dá)不同產(chǎn)品的不等價(jià)性，并且考慮了所消耗能量的數(shù)量和品位，以及隨著比較條件的變化而變化的情況。

式中：η8為能量梯級(jí)利用率；Ae為電的能級(jí)品位系數(shù)；Ah為熱的能級(jí)品位系數(shù)；Ac為冷的能級(jí)品位系數(shù)；Af為燃料的能級(jí)品位系數(shù)；△E為能量傳遞過(guò)程的火用變化；△H為能量傳遞過(guò)程的焓變化。

能量梯級(jí)利用率從發(fā)電、制冷及供熱等過(guò)程耗用能量的品位和生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)等全面權(quán)衡不同能量轉(zhuǎn)換利用過(guò)程的本質(zhì)差異，較好地區(qū)分耗用能量的數(shù)量和質(zhì)量，更好地區(qū)分冷量與熱量的不等價(jià)性，也把不同溫度的供熱差異反映出來(lái)。

2 各種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的比較

1）傳統(tǒng)熱效率簡(jiǎn)單、直觀，但它將冷、熱、電三種產(chǎn)品等同對(duì)待，忽略了能量的品位差別，得到的結(jié)果是不合理的，因此它通常適用于只有單一產(chǎn)品的系統(tǒng)。

2）節(jié)能率考察了燃料的節(jié)約使用效率，但節(jié)能率與參照的分供系統(tǒng)性能有很大關(guān)系，根據(jù)不同參照系統(tǒng)將得到不同的結(jié)果，而且節(jié)能率同樣未考慮能量的品位差異，因此它也只適用于只有單一產(chǎn)品的系統(tǒng)。

3）火用效率雖然區(qū)分了冷、熱、電三種產(chǎn)品的品位，但它過(guò)分看重能量的做功能力,而輕視了冷、熱的生產(chǎn)，它適用于對(duì)發(fā)電過(guò)程的評(píng)價(jià)，用于評(píng)價(jià)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)不夠合理。

5）折合電效率把聯(lián)供集成帶來(lái)的好處歸于電一種產(chǎn)品，忽略了冷、熱、電生產(chǎn)過(guò)程的相互影響，與實(shí)際情況不符。

7）等效電效率從能源轉(zhuǎn)化為電的最大能力的角度，反映了能源的品位高低，不僅可以衡量冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率水平，還可以將不同種類一次能源和不同能源利用方式的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較，計(jì)算方法較為直觀。

8）能量梯級(jí)利用率從耗用能量的品位和生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)等全面權(quán)衡不同能量轉(zhuǎn)換利用過(guò)程的本質(zhì)差異，反映了冷、熱、電品位的差異和能量的梯級(jí)利用，它可以用于對(duì)不同種類一次能源輸入的多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，但能級(jí)品位系數(shù)的計(jì)算公式較為復(fù)雜。

3 結(jié)語(yǔ)

1）冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是評(píng)價(jià)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，不同評(píng)價(jià)準(zhǔn)則具有不同的適用條件，選擇科學(xué)合理的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則非常關(guān)鍵。

2）傳統(tǒng)熱效率和節(jié)能率雖然簡(jiǎn)單，但它們都忽略了能量的品位差別，通常適用于只有單一產(chǎn)品的系統(tǒng)；火用效率過(guò)分看重能量的做功能力,用于對(duì)發(fā)電過(guò)程的評(píng)價(jià)較為合理；經(jīng)濟(jì)火用效率不反映能源利用的效率和熱經(jīng)濟(jì)性；折合電效率忽略了冷、熱、電生產(chǎn)過(guò)程的相互影響，與實(shí)際情況不符；當(dāng)量電效率與參照系統(tǒng)有關(guān)，具有一定的局限性；等效電效率從等效電的角度合理考慮了能量的品位差異，適用范圍較為廣泛，計(jì)算方法較為直觀；能量梯級(jí)利用率反映了冷、熱、電品位的差異和能量的梯級(jí)利用，適用范圍較為廣泛，但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

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Sum m a ry of The rm a l Ec onom ic Eva lua tion for CCHP Sys te m

SONG Wei-ming
China Datang Corporation Science and Technology Research Institute

Research progress on thermal economic evaluation criterion for CCHP system was introduced.Advantages and disadvantages of different evaluation criteria were compared.The deficiencies of existing thermal economic evaluation criteria were pointed out for better evaluation for CCHP system.

Combined Cooling,Heating and Power(CCHP),thermal economy,evaluation criterion,thermal efficiency, exergy

1003-0344（2014）06-069-5

2013-11-18

宋偉明（1985～），男，博士，工程師；北京市昌平區(qū)北農(nóng)路2號(hào)中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（102206）；

E-mail:songweiming@cdsti.com.cn