分布式能源及微燃机技术在建筑中应用

分布式能源及微燃机技术在建筑中应用作者：日期：2010-1-14 15:40:00分布式能源是世界能源发展的最新方向，也是与信息时代相伴而生的互联网式的能源系统。

它通过分布在用户端的小型、微型智能化能源梯级利用系统，以及与之配合的各种可再生能源就近满足用户对电力、热力、制冷、生活热水、除湿，以及气体肥料等多方面的需求，实现了对资源“吃光用尽”式的深度综合利用，将输送环节的损耗降至最低。

而分布能源系统最大的载体是建筑物，它将成为今后建筑物中的一个重要组成设施，并与建筑物本事，以及建筑的智能控制系统完全整合。

随着能源技术的发展，特别是天然气的广泛利用，改变了人们对能源转换技术的传统认识的基本观念。

与使用传统的煤炭资源不同，在天然气转换中，大、中、小型和微型系统能源转换效率差异甚小，而转换装置越靠近需求侧，不仅损耗越低，可利用的温度区间也越大，对于大型发电设施，150℃以下的热量几乎完全没有用，而在建筑物中，即使是30℃以下的温水也有其广泛需求。

因此，只有将能源转换装置安装在用户一侧，对于资源的充分利用才可能产生一次质的飞跃。

环境是人类关心的另一大问题，至今人类还未发现一种真正对环境完全没有负面影响的能源系统，即便是风能和太阳能。

德国大量建造风力发电机组，结果给鸟类带来了厄运，因而不得不增加农药的施放量来减轻虫害的影响；而大量使用太阳能，需要采用铅酸电池蓄能，从而带来更严重的铅和化学物质的污染。

因此，解决环境问题的关键在于彻底变革我们基于传统能源利用技术观念、系统和方式，在信息技术的依托下，尽量以较低的代价来满足人类日趋增加的需求。

分布能源正是“变革”的关键，它不仅可以将能源利用效率提高到一个空前的水平，还可以充分利用智能建筑系统所提供的信息，与建筑一起对需求实现同步优化。

并利用建筑物中污水和垃圾等废弃物产生的沼气、余热来减少对燃料资源的消耗，通过温度对口的梯级利用，尽力实现对资源的全能量利用，再通过较分散的排放，利用周边植被和建筑物中的植物暖棚尽力吸附污染物，并使之资源化。

通过相对平衡，以实现绿色循环。

建筑是分布能源的主要载体分布式能源可以服务于各种用能项目，例如：工厂、商业、医院、宾馆、学校、办公设施，以及居民住宅等，而建筑是其最主要的载体。

在传统能源系统中，能源的供应主要通过大型发电厂、大型供热站来提供，而分布式能源是直接安装在用户端的能源设施，它将最终同暖气空调设备一样成为用户能源设施的一部分。

将能源系统与建筑放在一起优化整合，无疑不论对于能源，还是建筑，都将是一次空前的革命。

这不仅是建筑业的一个全新选择，对于城市现有的各种能源供应体系，以及城市规划都将是一次划时代的革命，城市将从那些烦乱的缆沟系统中解放出来，使建筑设计师们不在受制于城市综合系统的规划的限制。

分布能源与电网可以是一种补充关系，也可以相互独立，从严格意义上，它可以完全不需要电网，但是如若于城市电网协同优化，不仅可以减少建筑的电力系统投资和提高系统安全性，同时也可以改善电网用电结构，使电网和发电厂的经济性得以优化；分布能源与燃气管网最好是一种依存关系，理想的分布能源系统应该是一种网络化能源系统，而这个系统应该建筑在燃气管网系统上，但是它也可以依靠液化天然气和液化石油气，或者沼气等其他燃料资源，当然管道燃气不是唯一的选择；分布能源可以依靠现场控制，也可以进行远程控制，它依靠现有电话网络、有线电视网络、宽带信息网络，或者无线通讯网络，不受制于任何一种通讯系统；但与城市集中热力管网既可以是一种替代关系，也可以是补充关系，每一个项目可以根据自身资源的不同，优化出一种最佳方式。

也许对于某些用户只利用分布能源解决部分安全电力和全年持续需要供应的生活热水是最佳方案，它依然可以使用集中供热系统提供的更廉价的季节性能源。

所以分布能源是一种十分灵活，而又非常富有创造性的能源技术。

在美国，国务院宣布到2010年将热电联产容量在1998年的基础上翻一番，达到46GW。

能源部为实现该计划，2005年建设100个示范工程，联邦政府10建筑建设分布能源系统；2010年25％的新建商业和教育建筑、4％的已建商业和教育建筑，以及20％的联邦建筑物采用该系统；2020年50％的新建商业和教育、10％的已建商业和学院采用需采用分布能源系统。

在欧洲，欧盟决定到2010年将其热电联产的比例增加1倍，提高到总发电比例的18%。

而实现这一目标将主要依靠100kW以下的用户能源系统来实现；在日本，截止2000年底，已建热电（冷）系统共1413个，平均容量477kW，主要是小型系统。

2001、2002两年仅东京燃气公司一家就安装了超过700套30-60kW的微型燃气热电（冷）系统。

为什么发达国家如此重视发展小型、微型热电（冷）系统？根本原因当然是出于节能和环保因素的考虑，同时还有一个至关重要的原因就是这些分布系统将成为建筑物能源保障的一个重要组成部分，为建筑的电力供应安全提供了保证。

这是“911恐怖袭击事件”发生以来各国空前重视的一个问题。

随着信息社会的发展，人类对电的依存度越来越大，没有电力一切文明将会重归于零。

特别是大力发展中的智能建筑，如果没有电力不要说楼上上不去，下下不来，恐怕连门都无法打开。

而分布在用户端中的发电机组，可以使建筑物不依赖脆弱的电网系统，提高建筑物自身能源系统的安全系数。

专家预测2040年世界能源供应能力将达到顶点，从此能源价格将永远不会下跌，而中国、印度等大国的快速崛起将必然使矛盾加剧和提前。

能源资源的争夺将是21世纪最主要的战争导火索。

美英攻打伊拉克，其控制世界石油资源的目的路人皆知，而战争将很可能导致全世界能源价格的急速上升，能源利益将会从根本上改变世界国家关系的准则，也会改变我们的行为模式。

尽其可能地节约能源，将是维系平衡的关键。

建筑作为能源使用的基本单元，也是节能的核心元素。

拥有一个安全高效的能源系统，不仅在微观上保证了人们的能源安全，也将在宏观上为国家能源安全和世界的和平做出贡献。

对于那些使用建筑物的普通人来说，从长远看，能源的价格势必日益攀升，拥有一个安全高效的能源系统，将为他们节约大量宝贵的金钱，为使用者和拥有者带来直接连续的效益。

人类发展的道路可以各不相同，但是人类文明的方向却是一致的。

如同电脑、手机、因特网一样，在采用分布能源技术上中国也必将会与发达国家同步齐驱。

这不是哪一个利益集团可以阻挡的了的，“人们可以不喜欢它，却不可能回避它。

”尤其对于建筑开发商，面对那些能够在不增加或少增加造价而实现廉价热电冷多联供的竞争对手面前，市场这只无形的手将会做出选择。

分布能源具有整合的魔力在传统建筑能源系统中，因为每一个系统都是相对孤立的，所以增加功能必定增加投入。

但对于分布能源技术而言，它通过有效整合过去相对孤立的电力、热力、燃气等能源系统，实现系统综合优化，从而实现降低总体工程造价和配套费用的目的。

分布能源优化整合建筑能源系统如果我们在城市中建设一座大楼，采用传统方式，为了消防等安全要求，我们需要建设两路供电系统。

有时为确保楼宇电力系统的供应安全，以满足未来的各类使用者的要求，还不得不采购安装应急柴油发电机和与之配套的系统；为了解决采暖问题，我们需要接入集中供热，或者采用燃气锅炉，也许是电锅炉和相应的电力系统；制冷需要制冷机组，可能是电力离心制冷机、直燃机或单体电空调，也可能是地源或水热泵；解决做饭和生活热水需要接入燃气和购买燃气热水器；如果采用中央空调，也许还要除湿设备；若是智能楼宇还需要一个比较大的UPS电源。

10000m2建筑分布能源设施与其他方式能源供应系统的投资比较注：根据北京某项目条件。

所有用单位为人民币元。

以北京为例：建筑物电力系统投资100-500元/平方米不等，平均约250元/平方米；集中采暖资源费80-120元/平方米；电空调平均100元/平方米。

如果采用分布式能源，也许仅需要一条天然气管道，最多增加一条辅助供电线路，建一套热电冷能源中心就可以完成上述多个系统的功能。

如果条件不允许，也可以采用液化天然气/石油气，建立一个独立的“岛”式能源系统。

建筑能够在规划阶段就采用这一设计理念，对绝大多数建设项目来说是可以实现降低工程造价的目标。

采用分布能源技术不仅仅在工程造价中能得到优化，在系统使用上也可得到长期经济效益。

道理很简单，以上海居民公寓为例：1立方米天然气价格为2.1元，采用微燃机热电冷联产可以产生2.47~2.98元的产值，利用1立方米天然气节约0.37~0.88元支出；如果是北京的宾馆，天然气价格1.8元/立方米，每利用1立方米天然气可以节约0.76~1.06元能源支出。

各类用户平均节约支出水平在20~60%之间，效益非常明显。

各种热电冷系统在上海公寓中节约能源费用比较注：冷价按照国内分体电空调平均水平COP2.8计算。

分布能源的主要技术装备目前世界各国的能源技术研究专家们，正充分发挥想象，利用一切最新科技成果，并竭力挖掘各类传统技术，研制生产了各种各样的分布式能源设备。

例如：以美国Solar公司为代表的小型燃气轮机；以英国Bowman公司为代表的微型燃气轮机；以美国Cat公司为代表的燃气内燃机；以美国STM公司为代表的燃气外燃机，以及燃料电池、太阳能电池、太阳热发电、余热吸收式制冷机组、楼宇式风力发电、楼宇式抽水蓄能发电、污水热泵能量回收系统、微型污水处理站沼气回收系统、微型垃圾焚化余热利用系统等等。

由于大家对与燃气内燃机和小型燃气轮机的技术都已比较熟悉，所以这里我们着重介绍最具有标志性的两种燃气机组热电（冷）系统。

微型燃气轮机：中国科学院工程热物理研究所著名分布能源技术专家徐建中院士将微燃机称之为“分布能源的核心技术”。

因为微燃机是一种结构简单便于大量工业化生产、余热品质高适合热电冷联产、技术潜力大的能源转换设备。

同样是燃气轮机，微燃机将传统燃机的多级空气压缩机叶轮和动力透平叶轮构成的转子一次精密铸造成为一个轮盘转子，一边是空气压缩机，一边是动力叶轮，让转子在滑油或空气轴承上高速旋转，带动永磁发电机产生高频交流电，经过可控硅电子变频控制器进行“交—直—交”可控变频，自动跟随电网的频率、相位、周波并网发电。

这一设计大大简化的发电和控制系统，不仅可以有效降低造价，还可以有效降低运行成本。

为了提高效率，微燃机普遍采用了回热循环技术，利用燃机排出的600-700℃高温烟气，对压缩过的空气进行预热，并使之提高到250℃以上，使燃烧基温提高，并让燃料能够充分燃烧，实现节能。

微燃机转子与永磁电机电子变频控制器微型燃气轮机采用了模块化集成设计，每一个机组就是一个独立的发电单元，可以独立使用，也可以多台机组阵列布置，非常灵活。

由于微燃机排烟温度在287-650℃以上，可以与余热吸收制冷机组实现直接对接，同时因微燃机排烟中含氧超过15%，可以与燃料再燃，能够直接提高直燃机和锅炉的燃烧效率。