204污水源热泵型热电冷联供系统的应用研究

污水源热泵型热电冷联供系统的性能研究赵玺灵11，付林1，张世钢1，李锋1，朱建章2，黄保民2(1清华大学建筑技术科学系，北京市100084；2铁道第三勘察设计院，天津市300000)摘要：建筑热电冷联供技术中的一个关键问题是如何配置一个高效的系统。文章提出了一种新的热泵型热电冷联供系统，该系统在发电的同时，冬季工况下，利用余热驱动吸收式热泵提取污水中的低品位热量用于供热，夏季工况下，利用余热驱动吸收式热泵制冷，同时将热量散至污水中，实现了清洁能源与废热资源高效、综合利用。本文根据建筑实际的用能需求，配置了一套污水源热泵型热电冷联供系统，分析研究了系统的综合性能，研究结果表明，该系统能充分利用天然气这种高品质能源,系统的能源利用效率较常规热电冷联供系统供热效率可提高约50%以上。关键词：分布式能源；热电冷联供；原生污水；吸收式热泵.0前言建筑热电冷联供技术（Buildingcombinedcooling,heatingandpower，BCHP）中的一个关键问题是如何配置一个高效的系统。然而，对于常规BCHP系统，夏季工况，在制冷环节利用吸收式制冷机来制冷，在冬季工况，吸收式制冷机做直燃工况运行，相当于仅作为锅炉投入使用，对烟气余热利用效率较低，将烟气的热量利用后往往直接排出系统，排烟温度约为150℃~170℃左右，就使得150℃~170℃左右的烟气余热无法利用，而且直接排出系统还造成一定的环境污染问题。如何以较小的代价最大限度的回收烟气的余热，国内外很多专家和学者对烟气余热回收理论和应用技术做了大量的工作[1-3]。如果可以进一步挖掘烟气余热将会大大提高BCHP系统的供热效率和能源利用率。1热泵型热电冷联供系统基于这样的考虑，在专著[4]中提出了一种热泵型天然气热电冷联供的新流程，如图1所示，较高温度的排烟（500℃左右）通过余热锅炉（高温烟气换热器）换出的蒸汽热量进入吸收式热泵的发生器，作为热泵的驱动热源。如果采用的是烟气型吸收式热泵，则高温烟气直接在高压发生器换热并作为热泵的驱动热源。换热后的烟气（温度在200℃左右）再进入烟气冷凝换热器，进一步将显热和潜热释放给热泵，降低至较低温度（可在30℃以下）后排到大气中。与传统热电冷联供系统相比，供热工况下系统效率可提高10％以上。进一步文献[5]对这种热泵型热电冷联供系统进行了详细的实践研究，得到了一些可以指导系统配置和运行的实践理论。在对该系统的实践研究的过程中发现，作为高温驱动热源的烟气热量与在低温段烟气回收的冷凝热量存在着不匹配的现象，即高温烟气作为驱动力可以回收更多低品位的烟气余热，而排出吸收机的烟气中回收的余热量是不足以提供足够的低位热源。1资助：国家自然科学基金（U0970152）和北京市自然科学基金资助（3092013）供热排气吸收式热泵冷凝换热器余热锅炉烟气发电机燃气机天然气图1热泵型天然气热电冷联供系统同时，在城市中，在具有例如土壤源、污水源等低位热源可以利用的地方，发展了一定程度的电动热泵技术，利用电作为驱动力来提取浅层低温能或者污水能来用于供热。在这类系统中，存在着电能消耗大，经济性差等显著问题。因此，我们就考虑到，利用热泵型热电冷联供系统中剩余的驱动能力，在回收烟气余热的同时，回收部分其他土壤源或者污水源等低品位热量，这样就既解决了热泵型热电冷联供系统仅回收烟气余热不匹配的问题，同时又不需要耗大量的电来回收低品位余热，对于热电冷三联供系统而言，这部分新增供热量是不需要代价的，其节能效果和经济效果将会更加显著。2污水源热泵型热电冷联供系统流程文章提出了一种新的热泵型热电冷联供系统，该系统充分挖潜了余热废热资源，同时解决了两大问题，实现了清洁能源与废热资源高效、综合利用。该系统由燃气发电机、吸收式热泵、烟气冷凝热回收装置、污水源余热回收系统等其他辅助设备组成，系统原理如图2所示。燃气发电机高温烟气吸收机天然气排烟烟气余热回收装置污水源余热回收系统污水供热发电图2污水源热泵型热电冷联供系统原理图在冬季工况下，天然气进入燃气发电机中发电，在发电的同时，排出较高温度的烟气，利用这部分高温烟气驱动吸收机做热泵工况运行，回收污水中的低品位热量，同时将排烟中的烟气冷凝热量回收，供出一种中间温度的热水用于采暖使用，经过吸收机的排烟进入烟气余热回收装置中，将回收的烟气余热送至吸收机的蒸发器侧作为低位热源，最终系统的排烟温度可以降低至25℃；夏季工况下，天然气发电后，利用高温烟气排出的余热驱动吸收式热泵制冷，同时利用污水做了环境冷源，将热量散至污水中。整个系统中的主要设备冬季、夏季都运行，起到了一机两用的效果，大大避免了设备的闲置率，提高利用率。在这套系统中，除了常规热电冷联供设备外，污水源余热回收系统是比较关键的。污水源余热回收系统的详细流程如图3所示，该系统的主要设备包括：污水换热器、阻垢机、及相应的泵和切换阀门组构成。原生污水经过污水一级泵送入污水阻垢机,经阻垢机将污水中的大孔径污物滤出送回到污水源中,经过过滤的污水经过污水二级泵送入污水换热器中,换热后被送回阻垢机中。在冬季工况，系统中阀门组1-4开启，阀门组5-8关闭，污水换热器从污水中取热，将热量送入吸收机的蒸发器侧做低位热源使用，经过吸收机的热力循环过程，在冷凝器侧释放热量，送入供热系统中；在夏季工况，阀门组5-8开启，阀门组1-4关闭，吸收机在制冷工况下运行，机组冷凝器侧的污水换热器和阻垢机联合运行，实现传统制冷系统中的冷却塔功能，将热量散到污水中，实现污水作为冷源的功能。图3原生污水源热泵系统图3系统性能模拟研究及评价针对一个发电规模为1500KW的污水源热泵型热电冷联供系统进行了性能研究。某建筑的冷热电负荷需求特性曲线如图4所示，其设计热负荷为9MW，设计冷负荷为14MW，年热负荷总量为4.5万GJ，冷负荷总量为3.8万GJ。（a）冷热负荷（b）电负荷图4负荷需求特性曲线为了充分发挥热电冷联供系统高能源利用效率的特性，配置系统时，按照热电冷联供系统满足基本负荷来配置，不足的电力由外电网补充，不足的热量和冷量采用燃气锅炉和常规的电制冷机来调峰的配置方案。系统的配置如下：（1）热电冷联供系统配置两台1.5MW燃气内燃机、配套两台供热量3.5MW的吸收机、同时配置两台0.5MW烟气余热回收装置及两套1.1MW污水源余热回收装置；（2）1台2MW燃气锅炉；（3）4台制冷量为2.7MW的电动制冷机。根据负荷需求，对系统全年的运行工况进行了模拟研究，系统在冬季典型天及夏季典型天的运行情况如图5和图6所示，图中将污水源热泵型热电冷三联供系统表示为低碳型BCHP，如图中可以看到，因为系统按照满足基本负荷而设计的三联供系统的规模，使得三联供系统绝大多数时间内都处在较为稳定的满负荷运行区域，保证了系统的满负荷运行小时数，使得这种三联供系统充分发挥了其效率。010002000300040005000600070008000900004812162024热负荷（kW）时间（hour）燃气锅炉低碳型BCHP系统0100020003000400050006000700004812162024电力负荷（kW）时间（hour）电网低碳型BCHP系统（a）供热策略（b）供电策略图5冬季运行策略图0200040006000800010000120001400004812162024冷负荷（kW）时间（hour）电制冷低碳型BCHP系统0100020003000400050006000700004812162024电力负荷(kW)时间（hour）电网低碳型BHCP系统电网低碳型BCHP系统电网（a）供冷策略（b）供电策略图6夏季运行策略图整套能源系统的初投资比传统三联供系统增加了取水井工程、阻垢机及污水换热器的初投资，约140万元，在运行期内，该系统与传统三联供系统的运行费用比较如下表所示：表1系统运行比较结果项目常规BCHP低碳BCHP买燃气费用（万元）1040710买电费用（万元）760980总运行费（万元）18001690如上表所示，同常规BCHP系统方案相比，低碳型BCHP系统方案投资要增多140万，运行费用每年要减少110万，则静态增量投资回收年限为1.3年左右，根据系统全年的运行工况的模拟研究结果，从经济性的角度，同常规BCHP系统方案相比，整个系统经济性好，增量投资一般可在2年内回收。从能耗的角度，与常规的燃气锅炉、常规BCHP系统的运行能耗及碳排放进行了比较，如图7所示，与常规BCHP系统相比，新型BCHP系统供热节能约50%，相应减少碳排放50%，且将常规BCHP系统的排烟温度从170℃左右降低至30℃以下，捕捉烟气中的水蒸气，避免烟囱冒白烟，环保效果好。010203040506070单位供热量排碳量(kg/GJ)燃气锅炉常规BCHP系统低碳BCHP系统图7系统方案比较结果4结论本文提出了一种新的热泵型热电冷联供系统，该系统充分挖潜了余热废热资源，实现了清洁能源与废热资源高效、综合利用。通过对该系统运行工况的分析，研究了系统冬季、夏季典型工况下系统的性能，并模拟了该系统全年的运行能耗状况，研究结果表明，该系统能充分利用天然气这种高品质能源,系统的能源利用效率较常规热电冷联供系统可提高约30%以上，是一种很有潜力的天然气热电冷联供系统，这种系统模式可以为建立低碳、节能的能源系统的发展指出一种新的利用模式，对节能、环保、提高经济性都具有重要意义。参考文献[1]ZhelevTK,SemkovKA.Cleanerfluegasandenergyrecoverythroughpinchanalysis[J].JournalofCleanerProduction，2004,12(2):165-170[2]王随林,刘贵昌，温治，等.新型防腐镀膜烟气冷凝换热器换热实验研究[J].暖通空调，2005，35（2）：71-74[3]李慧君，罗忠录,程刚强，等.天然气锅炉烟气换热特性的分析[J].动力工程，2006，26（4）：467-471[4]付林，李辉等著.天然气热电冷天然气热电冷联供技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007[5]付林，张世钢，赵玺灵，孙作亮，李辉，耿克成.热泵型天然气热电冷联供系统实践研究.暖通空调.2009,39（2）：138-141作者简介：赵玺灵（1980-），女（蒙），内蒙古，博士。研究方向为城市能源系统、分布式能源系统，E-mail：[e-mail]。