冷热电三联供系统_CCHP_的优化研究进展

1研究背景我国是个能源消耗大国，在不断推进的工业化和城市化的进程中，能源问题愈来愈成为我国经济发展和社会进步的“瓶颈”。

能源紧缺，环境恶化是日趋严重的全球性问题。

人类为追求可持续性发展，正积极发展可再生能源技术、节能减排技术。

在近些年来引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。

可见，国民经济的持续快速发展要求能源供应的可靠保障和电力的超前发展，再加上提高能效和保护生态环境，减少排放的压力，都对分布式能源系统提出了更高的需求。

在我国，用天然气热电联产替代燃煤发电供热，其减少污染排放的效益显著，但成本过高，如能借助清洁发展机制（CDM ）的资金与技术设备支持，必将有力地促进天然气热电联产的发展，并显著地改善我国，特别是城市的环境质量[1]。

CCHP 系统的能源利用效率是大型电厂无法企及的，大型蒸汽轮机的发电效率只有35%～55%，相比之下，CCHP 系统具有现场发电、局域输电、能量梯级利用等优势，虽然其发电效率不及大型电厂，只有30%左右，但其能量的综合利用率却可以高达80%～90%。

CCHP 系统既可使用户自成一个能源供应系统，又可与市电网并联运行，系统具有相对的独立性、灵活性和安全性。

CCHP 系统可以一台独立运行，又可以多台并联运行，可以满足不同功率负荷的用摘要：介绍了冷热电三联供系统（CCHP ），阐述了国内外关于冷热电三联供(CCHP)的优化研究现状，基于对冷热电联供系统的分析，提出了优化方式研究的发展方向。

关键词：CCHP ；优化；发展中图分类号：TK01+9文献标识码：B文章编号：1005－7676（2010）02－13-04Recent Research Progress of Optimization for Combined Cooling Heatingand Power Systems(CCHP)HU Xia-jian ,ZHANG Xue-mei ,CAI Lu-yin(Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)Abstract:Firstly combined cooling heating and power systems(CCHP)are introduced,then the domestic and abroad research of optimization combined cooling heating and power systems.Based on the analysis about optimization for combined cooling heating and power systems ,the paper points out the prospect the development of optimization for CCHP in the future.Key words:CCHP;optimization;development in the future冷热电三联供系统（CCHP ）的优化研究进展胡小坚，张雪梅，蔡路茵（浙江工业大学能源与动力工程研究所杭州310014）投稿时间：2010-03-27作者简介：胡小坚（1985-），男，安徽绩溪人，浙江工业大学热能工程硕士研究生，主要从事冷热电三联系统的研究。

户需求。

2冷热电三联供国内外发展现状冷热电三联供（CCHP———Combined Coolong Heating and Power System）是一种建立在能量的梯级利用概念基础上，将制冷、供热及发电过程一体化的多联产总能系统。

是在热电联产的基础上发展起来的，不仅可以向用户供电，而且还可供热、供冷。

2.1国外美国在发展微燃机的同时，工业界已经提出了具体的楼宇冷热电联供系统(BCHP)创意和BCHP2020年纲领，来支持美国能源部总体商用建筑规划及BCHP规划。

大批新建商用写字楼和现有商用写字楼都将陆续使用BCHP或进行BCHP改造。

到2020年将有50%的新建商用写字楼使用BCHP，15%的现有商用写字楼建筑将进行BCHP改造[2]，微燃机冷热电联供系统在美国前景广阔。

美国的M aryland办公区能源系统和Oak Ridge国家实验室等都已在微燃机冷热电联供方面作了比较深入的研究。

加拿大政府和商业机构利用美国开发的几种微燃机组成的联供系统，预测了电力价格和微燃机冷热电联供系统投资回收期的关系，为其在加拿大市场的推广打下了基础。

在Aldan技术大学、Calgary 等地的应用实例已经证明微燃机冷热电联供系统的能源利用率可以达到75%，其温室效应和氮氧化物排量比传统的热电联供系统分别减少55%的和97%。

日本是依赖能源进口的国家，因此发展微燃机冷热电联供成为其节能的一个重要举措。

日本东京燃气公司为发展燃气冷热电联供项目专门设立了一个研究开发中心，负责燃气热电项目的集成、设计和安装等.在2002年日本安装了至少70套微型冷热电联供系统，其中最大规模的微燃机为4台，发电总量可达26M W，这样多机组组合的系统具有较高的调节灵活性和能源供应的可靠性，每年节约资金约＄50万。

欧洲在京都议定书实施之后也加快了开发微型联供系统的进程，不断研制出新型的微燃机以适应联供的发展。

英国Bowm an公司己经开始供应GT80微燃机，某公司利用由8台80kw的GT80微燃机组合成1组640kw的供电单元，其发电效率为27%，供热量从1200～2400kW自由无级调节，热电综合效率高达80%。

当其中的任何一台机组发生故障时，全系统仅减少1/8的出力，用户对用电量稍加调节即可适应[3]。

英国的victorian时代宾馆采用6台微燃机带动冷热电联供系统，使该建筑实现了独立、安全的用能系统。

同时，在London等地区都有成功利用微燃机实现冷热电联供系统的案例[4]。

2.2国内我国微燃机冷热电联供系统的发展刚刚起步，仅在部分地区有所利用，如上海浦东国际机场和广东番禹南沙科技园等。

北京天然气控制中心大楼、中国科技促进大楼也进行了微燃机能源利用系统的规划[5]。

在高校中，上海交通大学的科学园软件大楼，上海理工大学的“能源岛”项目已是微燃机冷热电联供系统的示范科研基地;华北电力大学也计划建设一个800m2的科技楼，作为微燃机冷热电联供实验示范工程.3冷热电三联供系统优化研究现状随着人们对分布式能源的重视和冷热电相关技术的发展，对关于三联供系统的优化研究也越来越深入和完善。

对CCHP优化主要是从以下两个方面研究:3.1系统的设计优化针对不同的情况，如用户对冷、热、电的需求不同，应该选择不同的发电装置和制冷/制热装置，这就要求对系统进行合理的设计优化，选择一种较为合理的配置来满足用户需求，3.2系统的运行优化当系统的配置已经确定，在利用热经济学进行参数优化时，关键是目标函数和决策变量的确立。

优化的目标函数可以根据实际工程问题选择，如可以选投资一定条件下运行费用最小为目标函数等，决策变量实际是欲进行优化的参数。

华北电力大学的魏兵等[6]根据微燃机冷热电联供的优化配置步骤及考虑因素，对微燃机冷热电系统的几种方案进行了研究，确定了以年运行费用最小为目标的函数及约束条件，在选定建筑物，满足其冷热电负荷的情况下，对几种运行方案分别进行了优化，得出适合该建筑的最优方案，并对其运行策略进行了分析，讨论天然气价格、微燃机价格对联供系统的投资回收期的影响。

上海理工大学的李朋等[7]基于上海理工大学分布式热电联产试验台的数据，通过与购买市电+单独燃油供热进行比较，认为对于利用余热部分，由于排烟温度提高，产汽量减少，这部分余热锅炉的效率较低；而对于补燃的部分，由于过量空气系数小，冷空气带出的热量所占的比例减少，锅炉效率高，存在最佳的补燃量，使得系统的供电量、供热量达到一个最优化的情况。

西南交通大学的刘长军[8]从设计优化方面对楼宇热电冷联供系统进行了研究，对提出的几种配置方案分别进行节能分析，认为影响系统节能的是制冷方面，于是针对提出的方案中的制冷系统分析，提出一次能耗节约率，并用此对各系统进行比较分析。

最后为南京8万m2教师公寓、进行方案选择，根据项目的负荷需求，采用以热（冷）定电的原则，选择了燃气轮机和吸收式空调机组或余热锅炉的组合。

东华大学刘凤强等[9]以BCHP系统的产品平均火用成本为目标函数，以余热锅炉排烟温度、蒸发器和省煤器中螺旋翅片管管排数、每排管数、管束横向节距和纵向节距为决策变量的余热锅炉优化模型。

对系统不同工况下分别进行优化计算，得出其效率比优化前有所提高，冷量分摊的成本、系统的产品平均火用成本比未优化时均有所降低。

陈霖新等[10]以燃气冷热电联供系统的节能性、总热效率或一次能源利用率的分析研究论证了三联供系统、设备的优化配置的关键技术，并推荐供冷期应以余热吸收制冷机和电动压缩制冷机混合配置方案。

陈霖新[11]提出了优化冷热电联供的主要措施如下:（1）冷热电三联供的规划、设计的原则是：夏季有一定的冷负荷、冬天有一定的热负荷，燃机的发电能力以冷(热)定电、不足电力由电网供应;所需冷盈由燃机的余热利用澳化铿制冷机制冷，不足冷量由电制冷补充;，不足热量可由热泵或燃气锅炉补充；（2）实事求是地计算供冷、供热负荷，认真分析冷、热负荷的变化情况；（3）合理进行冷热电三联供微燃机能源系统中供冷供热设备的选择、匹配。

为确保冷热电三联供燃机能源系统的经济效益，提高一次能源利用效率至关重要。

从初投资、年运行费用、火用经济系统、投资回收期进行分析以确定目标函数和约束条件，采用求解多目标混合最优化模型方法—分目标乘除法，优化模型，从而确定最佳的设计方案。

4发展展望从前人对CCHP系统的优化研究来看，一个优化的分布式冷热电联产系统应该是在整个寿命周期内能够实现最大的经济效益的系统。

根据系统自身特点和建筑负荷需求的波动特性等，优化设计应从下面几点考虑:（1）系统结构配置形式的选择。

冷热电联产系统是一个复杂的系统，从原动机分，目前就有微燃机、燃气轮机、内燃机和燎料电池四大类，再进一步深入其内部结构，通过余热锅炉、汽轮机、制冷机组，冷却塔等各组元之间的组合，仅燃气轮机冷热电联产系统的配置形式就多达10余种。

如何根据服务对象的实际需求选择出最佳的配置形式是优化设计必须考虑的问题。

由于可能的冷热电联产系统的结构配置形式相当多，系统的结构配置相应的极为复杂，如果完全按照数学规划的方法求解繁琐耗时且没有必要。

因此，可以首先对建筑的冷热电变工况负荷特性进行简单分析，按照一定的专家经验或规则进行辅助设计得出可能的几种系统结构形式。

例如，根据冷热电的设计负荷，比较建筑热(冷)电比和原动机的热电比就可以得到原动机的大致形式和容量范围;通过原动机的选择和容留就可以确定简单循环或联合循环的形式，小于一定容量的原动机就没有可能采用联合循环的形式;根据能否发电上网和负荷特性确定相应的变工况调节运行策略等等。