分布式能源与建筑的融合

一、不同用途建筑物应采用不同的分布式能源系统和不同的排热回收装置1．不同用途建筑物冷、暖、热水、电的峰值负荷不同，全年负荷量也不同，故应根据负荷的性能质选择分布式能源的燃气机类型。表1、表2分别表示宾馆、医院的峰值负荷和全年负荷量。表3、表4分别表示燃气内燃机和燃气轮机的排热回收量。燃气轮机分为大中型（20000kw）、小型（1000~20000kw）和微型（1000kw），分布式能源系统中常使用的是小型和微型燃气轮机，微型燃气轮机的压比约为4.0，透平进口温度约为1000℃，出口烟气温度约为650℃，回热器排温（出口烟温）小于320℃。燃气轮机和燃气内燃机的主要区别见表5。从表5可知，燃气轮机的排热量全部为450~550℃烟气的排热量，排热量/发电能力较大，烟气温度较高，当建筑冷、热负荷较大或需要蒸汽负荷量较大时，可采用这种方式。当建筑要求生活热水负荷较多时，由于生活热水所需温度较低，故可采用燃气内燃机方式。表1宾馆、医院的峰值负荷宾馆医院建筑面积（m2）2527014342冷负荷（kcal/m2·h）75.5466.4采暖负荷（kcal/m2·h）67.64128.8生活热水负荷（kcal/m2·h）28.4720电负荷（热源辅机除外）（w/m2）28.134.5蒸汽负荷（kcal/m2·h）61.1表2宾馆、医院的全年负荷宾馆医院建筑面积（m2）2527014342全年冷负荷（Gcal/m2·a）0.0876（33.48%）0.039（12.95%）全年采暖负荷（Gcal/m2·a）0.095（36.15%）0.098（32.56%）全年生活热水负荷（Gcal/m2·a）0.079（30.37%）0.049（16.28%）全年蒸汽负荷（Gcal/m2·a）0.115（38.21%）全年电负荷（kwh/m2·a）205.4174.6表3燃气内燃机的发电机容量和排热回收量（最大值）的关系发电能力（kw）100200300400600900排热回收量水套排热（Mcal/h）97194290386580869排气排热（Mcal/h）54108163217325488合计（Mcal/h）1513024536039051358排热量/发电能力1.511.511.511.511.511.51表4燃气轮机的发电机容量和排热回收量（最大值）的关系发电能力（kw）2004001000排热回收量（Mcal/h）3927831782排热量/发电能力1.961.961.78表5燃气轮机和燃气内燃机的主要区别燃气轮机燃气内燃机发电效率（%）27.0~39.0（小型、微型）30.0~45（柴油内燃机）排热量/发电能力（Mcal/h/kw）1.8~1.961.51排烟温度和排气排热量450~550℃（全部排热量）400~450℃，约为全部排热量的35%水套出口水温和水套排热量55~90℃，约为全部排热量的65%2．不同用途建筑物应采用不同的排热回收装置（1）选择排热回收装置的重要性排热回收是分布式能源特有的技术，利用排热量的多少和排热装置的效率直接决定了分布式能源系统的经济性、节能性，同时还对系统的初投资、占地和系统的可靠性、耐久性和维护保养性有很大的影响。选择排热回收装置的一般原则是使冷（热）负荷和电负荷达到平衡，以便充分地利用排热量，提高分布式能源系统的能源利用率。（2）排热回收装置①配套烟气型冷热水机，即不通过余热锅炉的热转换环节的排热利用方式。主要型式有：发电机配套低温尾气型冷温水机，制冷机利用发电机230~350℃的尾气，单效循环进行制冷或制热；发电机配套高温尾气型冷温水机，冷温水机利用发电机380℃以上的尾气，双效循环进行制冷、制热或提高生活热水，发电机配套高温尾气补燃型直燃机，余热直燃机利用发电机380℃以上尾气和燃料二种能源进行制冷、制热和提供生活热水；发电机配套尾气缸套水型冷温水机，制冷机利用380℃以上的尾气，93℃以上的缸套水二种能源，双效循环进行制冷、制热和提供生活热水。②排热回收用换热器（见表6）表6排热回收用换热器的分类排热回收形态发生蒸汽产生热水产生热风排热排出形态排气排热发生蒸汽用换热器·余热锅炉产生热水用换热器·管壳式·板式·直接接触式产生热风用换热器·管壳式·板式·排气直接利用式冷却水排热发生蒸汽式冷却水换热器·沸腾冷却产生热水式冷却水换热器·管壳式·板式·直接冷却式产生热风式冷却水换热器·管壳式·板式表6表示根据排热排出形态和回收形态的换热器的分类。其中产生热风的空气预热器不仅要承受500~600℃的高温，而且燃烧气体中的凝结水对材质也有很大的影响，最近开发的板壳式换热器（空气预热器）不仅能满足上述要求，而且传热效率较高。（3）根据建筑的需求，选择合适的排热回收装置①我国已有燃气内燃机分布式能源系统水套排热冷却水的上限温度约为90℃，当以它作为单效循环吸收式制冷机热源时，机组体积大，能效系数低。②对于烟气温度为500~600℃的排气，可采用对接式烟气冷温水机，也可采用梯级利用方式，第一级发生蒸汽，满足工艺或吸收式制冷机的要求，第二级通过水-水换热器发生热水。二、设计人员采用习惯俗成的冷（热）指标方法作为分布式能源系统的设计依据是不合适的1．建筑面积和冷（热）源冷量的关系建筑面积越大，单位面积空调冷量越小。《上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析》通过对上海公共建筑的调查得出，当建筑面积为1~2万m2时，空调装机冷量为140w/m2，当建筑面积为2~3万m2，该值为135w/m2，当建筑面积为7~8万m2时，该值为110w/m2。原因是：大面积的高层建筑中各部分空调使用情况差异较大，也就是说有较大的负荷参差率和同时使用率；峰值冷量并不等于各部分和各房间的高峰负荷简单地叠加；大面积高层建筑对建筑节能相对较重视，采取了相应的节能措施，故减少了空调装机容量。2．我国的设计冷热负荷指标值比实际使用中最大值大得多表7、表8、表9是我国有关供热空调设计手册中规定的冷（热）和生活热水指标值。设计时以表7中的现有建筑，表8和表9为依据，将峰值冷（热）量简单叠加，并乘以大于1的安全系数。按冷（热）负荷指标设计选择的结果，必然出现高估和冒估的问题，即实际负荷大大低于估算值，如某些大楼空调装机容量即使在最热的天气也只使用一半左右。表7采暖热指标推荐值建筑物类型住宅居住区综合学校办公医院托幼旅馆商店食堂餐厅影剧院展览馆大礼堂体育馆现有建筑43~56(58~64)(60~67)58~81(60~80)64~81(65~80)58~70(60~70)64~87(65~80)116~140(115~140)93~116(95~115)116~163(115~165)节能建筑28~3728~3627~3930~3927~3430~4199~11979~9999~140注：热指标指民用建筑设计热负荷，不包括管网、热力站等的热损失。表8空调冷负荷指标建筑类型及房间名称冷负荷指标（w/m2）建筑类型及房间名称冷负荷指标（w/m2）旅游、旅馆：客房（标准层）酒吧、咖啡西餐厅中餐厅、宴会厅商店、小卖部中庭、接待小会议室(允许小量吸烟)大会议室(不许吸烟)理发、美容健身房、保龄球弹子房室内游泳池舞厅（交谊舞）舞厅（迪斯科）办公80~110100~180160~200180~350100~16090~120200~300180~280120~180100~20090~120200~350200~250250~35090~120商场、百货大楼：营业室150~250影剧院：观众席休息厅（允许吸烟）化妆室180~350300~40090~120体育馆：比赛馆观众休息厅（允许吸烟）贵宾室120~250300~400100~120展览厅、陈列室会堂、报告厅130~200150~200图书阅览75~100科研、办公90~140医院：高能病房一般手术室洁净手术室X光、CT、B超诊断80~110100~150300~500120~150公寓、住宅80~90餐馆200~350表9居住区生活热水热指标用水设备情况热指标（w/m2）备注住宅无生活热水设备，只对公建供热水2.5~3全部住宅有浴盆并供给生活热水时4020热力站供热面积2万m2热力站供热面积2万m23．我国的设计冷（热）负荷指标值与国外同类建筑比，在相同的气候条件下也大得多。在《上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析》文中指出，上海空调大楼平均装机冷量为112.8w/m2，比东京大12.6%。而上海夏季干球温度比东京平均仅高1℃，湿球温度基本相同，虽然气候条件差异导致围护结构传热负荷和新风负荷比东京大12%，但由于大型公共建筑围护结构传热负荷占总负荷的比例很小，加上新风也仅比东京大3~4%。4．建筑节能对冷（热）负荷的影响从表7采暖热指标推荐值可知，节能建筑的热指标比现有建筑低得多，在分布式能源系统设计时，对于新建建筑应采用节能建筑热指标数值。从表10还可知，我国的建筑节能还具有很大的潜力。表10北京建筑采暖能耗与部分国家的比较w/m2执行新节能标准前采明期的平均能耗30.1执行新节能标准后采暖期的平均能耗20.6瑞典、丹麦、芬兰等国采暖期的平均能耗115．我国公共建筑物的特点对冷（热）负荷的影响我国公共建筑的特点：（1）大型化：如××机场新建航站楼50几万m2，大学城50万m2~100万m2，软件园30万m2~40万m2，（2）功能复杂，往往将办公、公寓、商场、餐饮、娱乐等多种设施集中在一幢高层建筑之中。在设计分布式能源系统时，必须考虑不同使用功能建筑的同时使用系数和参差系数对冷（热）负荷的影响。6．建议采用详细的和先进的负荷计算方法。在可行性设计阶段，当设计条件不具备时，也可采用指标估算方法，但应有一定的科学依据，越是大型的建筑越是需要考虑负荷参差率，即在负荷估算值的基础上乘以一个小于1的系数（一般取为.7~0.8）。三、在利用统计数据计算各类建筑的能耗时，要考虑节能措施对建筑能耗的影响1．我国目前住宅建筑和公共建筑的采暖、空调能耗（1）住宅采明能耗现况：北京一些住宅建筑的平均采暖能耗约为0.5GJ/m2·a（140kwh/m2·a），相当于表11中德国80年代住宅的水平，具有委大的节能潜力。表11德国住宅采暖能耗的变化住宅发展阶段住宅采暖能耗（kwh/m2·a）20世纪70年代前的住宅（未改造）20世纪80年代的住宅20世纪90年代的低能耗住宅超级低能耗住宅300~400150~20050~8020~40（2）上海公共建筑空调能耗现况《上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析》文中对9幢办公楼和商办楼全年空调能耗的调查结果：平均能耗为1.8GJ/m2·a（析算年一次能耗）。比日本办公楼节能标准1.256GJ/m2·a大，说明节能潜力较大。2．供热空调系统的节能对全年能耗的影响（1）供热空调的节能系统（见表12）表12供热空调的节能系统项目节能系统机器项目节能系统机器1可变流量方式·VAV方式·VWV方式·台数控制·VAV机组·风机转速控制·水泵转速控制234高效率控制系统辐射采暖空调蓄能系统·计算机控制·低温地板辐射采明·立式蓄热槽·潜热蓄热（2）节能措施对供热空调能耗的影响①节能对象办公楼建筑（见表13、表14）表13建筑面积2万m2的办公楼项目内容指标建筑面积空调面积设计人数实际人数冷源热源合同电力空调风量新风量20000m212000m22000人1000人2100kw1600kw800kw200000m3/h40000m3/h60（55~75%）1人/6空调m250（40~60）人/千m2（建筑面积）105（70~140w/m2）80（55~120）w/m240（30~40）w/m210（10~20）m3/m2·h2（2~4）m3/m2·h热源动力空调泵空调机送排风机卫生泵电梯照明、万能插座其它合计260kw80kw150kw80kw50kw60kw500kw20kw1200kw13（4~15）w/m24（2~8）w/m27.5（4~10）w/m24（3~9）w/m22.5（2~6）w/m23（2~