几种BCHP技术及其能源利用效率的简要分析

简介： BCHP是能量梯级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对BCHP与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论了现有技术条件下几种BCHP技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的BCHP技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。

关键字：BCHP 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电

1 引言

能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造成诸如大气臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛^[1]等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域^[1],[2]，而BCHP作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥重要作用^[1],[2],[3]，本文就几种BCHP技术的能效作一初步分析。

2 BCHP的概念及其优越性

BCHP即楼宇冷热电联产，是Building Cooling, Heating and Power的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热―功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源─在中国目前最主要的部份是煤─首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源─电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源─通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了─高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与NO_x、SO₂、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，BCHP的用能方式具有诸多优点：

用能合理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；

高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；

清洁，可使用天然气等清洁燃料；

环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；

分布式现场发电，提高供电可靠性。

在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如BCHP，CCHP，DHC等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面有效发挥作用。

3 几种BCHP技术

3.1 BCHP的系统构成

根据其功能，BCHP系统可分为三个子系统：燃料─电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。

3.2 几种 BCHP技术方案的性能特点

3.2.1 微型燃气轮机─余热溴化锂机组方案

此方案中，微型燃气轮机（出力300kW以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效率在30％以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。

3.2.2 燃气内燃机─余热投入型溴化锂机组方案

在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30％-42％间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。

3.2.3 高温燃料电池─余热溴化锂机组方案

燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79％）。SOFC（固体氧化物燃料电池）和MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电^[4]，不仅发电效率高，且排热温度高，可达750℃，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补燃才可提供足够冷量。

3.2.4 燃气内燃发电机─压缩式制冷

这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。

除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如PAFC（磷酸型燃料电池）、PEMFC（质子交换膜燃料电池）也是合适的BCHP动力设备，在此不一一述及。

下表列出了国内外知名厂家如康明斯，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的BCHP的能效，只有火用效率才是合理的指标^[1]，但这在计算上有些不便，为使分析可行，本文将在一定的热（冷）、电负荷下进行不同方案的一次能消耗的分析比较。

表1.几种动力转换设备的性能参数

^*理论估计值，根据直燃机高发温度160度、COP较高值为1.35推算得到。^**某公司热水型溴冷机数据。^***见Bowman 公司产品介绍。

4 两种BCHP技术的能效分析

鉴于微型燃气轮机和燃气内燃机在目前是较成熟的技术，因此本文着重讨论基于这两种技术的BCHP技术：方案1 和方案4。

设有一建筑物，其冷负荷为Q_c，自发电负荷为W。则依方案1的能量转换方式可得：

上式中，—吸收式制冷机的性能系数；η_t—燃气轮机发电效率；—吸收式制冷机补燃功率。设补燃功率制冷量为总冷负荷的x倍，即

，则

设燃气内燃机发电效率为η_e，压缩式制冷机性能系数为，不考虑内燃机余热回收，则方案1的一次能消耗量及方案4的一次能消耗量分别为

由于关于补燃的溴冷机的性能参数比较少，为便于讨论，现假设x=0，即不考虑补燃，建筑物冷负荷全部由燃气轮机余热满足，这实际上是”以热定电”。以目前蒸汽压缩冷水机组的技术水平，高水平的螺杆机COP_c可达5.2，离心机则可达7.0，这里取5.2。燃气内燃发电机效率取35%，代入表1的其它相关参数可得各方案的PE值，如表2所示，这里还未计入内燃机的可利用排热。由表2可见，在不补燃、不计入内燃机可利用排热的条件下，仅当微燃机效率大于25％时，方案2.2.4的一次能耗才较方案2.2.1 为低，但由于此时余热温度较低，制冷性能系数低，为满足冷负荷要求，发电功率就将超出建筑自身负荷，需要向电网售电，而这将遇到很大阻力；此外若将内燃机的排热用于空调制冷，如干燥除湿等，则方案2.2.4的一次能耗仍将低于方案2.2.1，将另文进行分析讨论。

表2. 两种方案的一次能耗比较

5 结束语

BCHP是能量梯级利用的新型能源、环境技术，其技术仍在不断发展，在目前及可预见的将来，有多种技术方案可供选择，其中基于内燃机的BCHP技术在某些情况下具有较高的一次能效率，且目前内燃机远较微燃机廉价，未来内燃机效率更将高达50％（见美国能源部网站），因此可以预计将有更好的技术经济性能。

看来，只有在准确地预计建筑物电、热负荷的基础上，在可行的技术条件下结合能源价格和政策进行综合优化才能得到技术、经济均为最佳的BCHP技术方案。

参考文献

1. 龙惟定. 我国发展燃气空调的必要性. 2003年全国空调技术交流会论文集，2003.11成都，pp1。

2. 汪训昌. 合理用能—空调冷热源之能源利用的分析. 2003年全国空调技术交流会论文集，2003.11成都，pp73。

3. 张光玉. 关天BCHP技术的几点浅见. 2003年全国空调技术交流会论文集，2003.11成都，pp85。

4. 许世森，燃料电池与燃气轮机组成的一体化发电系统。燃气轮机发电机术，2.，3-4，2000年11月，pp49。