2013年筆者主持設計了某辦公樓中的冷熱電三聯供系統，期間參與了系統建設的論證，查閱了大量資料，并多次外出調研參觀學習，同時與相關專業充分溝通配合，圓滿完成了該工程的電氣設計任務。本文介紹冷熱電三聯供系統建設的論證過程和技術經濟分析，以及配電系統的設計思路，供同行參考。

1 分布式能源的概念及國家相關政策、規範

分布式能源是一種建立在用戶端的能源供應方式，可獨立運行，也可并網運行， 是以資源、環境效益最大化來确定能源種類和容量，并将用戶的多種能源需求以及資源配置狀況進行系統整合優化後，采用需求應對式設計和模塊化配置的新型能源系統，是相對于集中供能而言的分散式供能方式。

分布式能源包括太陽能利用、風能利用、燃料電池以及燃氣冷、熱、電三聯供等多種形式，可以與電力、熱力、制冷與蓄能技術結合，以滿足用戶的多種需求，實現能源梯級利用，并通過公用能源供應系統提供支持和補充，實現資源利用最大化。

2011年3 月1日CJJ145-2010《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》開始實施， 該規範1.0.2 表明：本規程适用于以燃氣為一次能源，發電機總容量小于或等于15 MW、新建、改建、擴建的供應冷、熱、電能的分布式能源系統的設計、施工、驗收和運行管理。同年，Q/GDW480-2010《分布式電源接入電網技術規定》也開始實施，标準規定了新建或擴建分布式電源接入電網時應遵循的一般原則和技術要求。

上述規範标準的實施為民用建築中三聯供系統的應用提供了設計依據。

2 天然氣冷熱電三聯供的原理

天然氣冷熱電三聯供， 又稱CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），作為衆多分布式能源中的一種形式，主要由兩部分組成—發電系統和餘熱回收系統。發電系統以燃氣内燃機燃燒潔淨的天然氣來驅動發電機發電；餘熱回收系統包括餘熱鍋爐和餘熱直燃機等，該系統對發電做功後的餘熱（内燃機排出的400 ~ 600℃ 的煙氣）進一步進行回收，供給吸收式制冷機組（溴化锂制冷機組）用于制冷，供給餘熱鍋爐用于采暖和提供生活熱水等。最終能源利用效率可以達到80％以上，這是一種高效節能環保的新型能源利用方式，天然氣冷熱電三聯供系統運行原理如圖1所示。

内燃機以天然氣為能源，通過天然氣燃燒将天然氣中約37％的能量轉化為電能，其餘大部分能量是在煙氣餘熱和内燃機缸套水介質中，約占63%的天然氣能量，這些熱量被餘熱系統回收用來産生所需冷和熱。系統可由高度智能化的控制系統集中控制，實現發電機組和餘熱回收系統的聯鎖運行，在不同的冷熱電負荷情況下可以按不同的運行方式運行，同時還可接入建築設備管理系統，實現遠程控制。圖2為三聯供系統的天然氣能量梯級利用框圖。從圖中可以看出，天然氣的能源利用率約為87%，剩餘的13%為不足100℃的煙氣和内燃機的缸套水溫，此部分能量尚無法充分利用，這也是天然氣的能量損耗部分（目前廠家産品和工程實例等均表明天然氣内燃機發電機組有35% ~ 40%的能量轉換為電能，本文中為便于計算說明，表述為“約37%”，餘熱回收約50%同理）。

3 民用建築三聯供系統方案分析

分布式冷熱電三聯供系統的建設首先要确定的是“以熱定電” 還是“以電定熱”。這是三聯供系統的兩種運行方式。“以熱定電”是以熱需求（冷熱負荷）為基準，來确定系統的電力輸出；相反，“以電定熱”則是以電負荷需求為基準，來确定系統的熱需求（冷熱負荷）輸出。下面以某辦公樓為例進行分析。

3.1 建築概況

該辦公樓建築面積5.2 萬m2，其中地下1.4萬m2用于停車庫，地上3.8萬m2主要用于辦公，建築高度99m，地上23 層。能源中心設于樓外，夏季供冷、冬季采暖面積為地上的3.8萬m2。

3.2 全樓用電負荷分析

季節性負荷為全樓夏季供冷和冬季采暖及其配套設備的用電負荷，由于采用三聯供系統，制冷機組的能源和采暖熱水的能源為發電機餘熱，所以能源中心的用電負荷（主要為溴化锂機組和循環水泵） 較小，且由于與三聯供系統同步運行，能源中心的用電負荷由發電機組提供即可。所以在向供電部門申請用電時

可不考慮此部分負荷。

非季節性用電負荷需求，采用單位指标法進行計算：車庫負荷按15W/m2 計共約210kW，辦公照明等負荷按35W/m2計共約1330kW，特殊設備（22 層、23 層有部分實驗設備）300kW，共約1840kW，這是全樓常年運行的非季節性計算負荷，由于三聯供系統僅在夏、冬季運行，所以非季節性負荷仍需取得市電電源，确保全年正常運行。春、秋兩季此部分負荷由市電供電，冬、夏兩季此部分負荷首先由發電機組供電，缺口部分由市電補充。這也就決定了發電機組必須與市電并網運行。

3.3 全樓冷熱負荷分析

全辦公樓夏季空調冬季采暖面積3.8萬m2， 暖通專業提供的夏季空調總計算負荷約5050kW，如果全部采用内燃機的餘熱進行轉換，則需要發電機持續穩定輸出功率約［（5050kW /1.1）/50 %］×37%=3397kW（吸收式制冷機組采用溴化锂機組，是以熱力驅動制冷機組，熱力系數為1.1）；同理，暖通專業提供的冬季采暖總計算負荷約3465 kW，如果全部采用内燃機的餘熱進行轉換，則需要發電機持續穩定輸出功率約［（3465kW/0.8）/50 %］×37%=3205kW（内燃機餘熱驅動餘熱鍋爐生産高溫熱水，高溫熱水經闆式換熱器生産采暖熱水，供全樓采暖負荷，其中的轉換效率暖通專業取0.8）。但是，全樓的非季節性用電總負荷僅為1840 kW，不能全部消化上述發電機的發電量，即驅動發電機内燃機的餘熱既不能保證冬季采暖負荷，更不能保證夏季的空調制冷負荷。所以“以熱定電”在本辦公樓中不能實現，隻能“以電定熱”。即先根據全樓用電負荷，确定發電機的額定功率，然後再根據驅動發電機内燃機的餘熱量，确定所能夠轉換的采暖負荷或空調負荷，這樣針對整個辦公樓的采暖負荷或空調負荷的缺口部分，再設置天然氣直燃鍋爐補充，與餘熱鍋爐并列運行，确保整個辦公樓的采暖負荷和空調負荷需求。

3.4發電機組容量确定

發電機組額定容量的确定，需以全樓用電負荷的計算負荷作為依據，同時兼顧經濟性和社會效益。

後文将會提到，燃氣三聯供系統較傳統的市電供電（電動壓縮制冷） 還是稍微節約一些的，這種情況下，發電機組的容量越大，經濟性也就越明顯。同時，分布式能源本身就是一種節能環保的措施，雖然少用了公用電網的電能而多消耗了天然氣，但相比燃煤火力發電，天然氣是清潔能源，無污染，同時能源也得到了梯級充分利用，社會效益明顯。綜上，在該項目的方案論證過程中，筆者建議盡可能提高三聯供系統的規模，達到充分顯示三聯供系統節能效益的目的。

目前較為普遍的情況是進行負荷計算時，計算結果往往偏大。如按單位指标法，辦公樓用電指标為30~70 W/m2，若取其上限70W/m2，則去除電動壓縮制冷空調系統用電35W/m2，辦公樓中的照明、動力用電負荷約35W/m2。筆者調研過某辦公樓，按35W/m2計算的照明、普通動力用電變壓器設計負載率在60%，但實際運行中變壓器負載率不超過30%。所以前述本辦公樓的負荷估算1840kW是偏大的。

因此， 經與暖通專業設計人員多次溝通協商，本工程最終選用兩台700kW的天然氣發電機組，使發電機的總安裝容量略低于本樓除空調外的總用電負荷，保證發電機組能滿負荷投入運行，并确保内燃機所提供的餘熱能夠持續穩定，盡量避免制冷系統和采暖系統的運行工況出現頻繁的、幅度較大的波動。天然氣發電機組的發電量供全樓用電，機組發電與公共電網并網，并保證三聯供系統産電被優先使用，市電作為補充。由于發電機組容量不大，其額定電壓确定為0.4kV，這樣可便于發電機組在變壓器低壓側并網運行，也避免了10kV發電機組并網時與供電部門協調的麻煩。

3.5 配電系統主接線型式

發電機組台數的确定與辦公樓的供配電系統有密切關系。本辦公樓為一級負荷用戶，由兩路10kV雙重電源供電，設置兩台降壓變壓器分列運行。設置兩台發電機組可以分别與兩台變壓器并網運行，使配電系統可靠、簡單、合理，電氣系統主接線如圖3 所示。

4 民用建築三聯供系統方案技術經濟分析

一般情況下，對于冬季需要供熱、夏季需要制冷的城市，用戶的解決方案大緻有兩種：一是需夏季購買電能制冷、冬季購買市政熱能采暖；二是購買天然氣采用直燃機解決夏季制冷冬季采暖的需要。當用戶采用分布式能源三聯供系統時， 其建設費用将會大于上述兩種技術方案的建設費用，但它的優勢在于實際運營階段的經濟性明顯優于其他方式。技術經濟方案對比後發現，三聯供系統新增的投資費用主要發生在燃氣發電機組投資等方面，但是用戶可在自發電費用中節約開支。同時，三聯供系統的能源利用率更高，經濟效益、社會效益也更明顯。

4.1 年發電量折算

兩台機組均按700kW工況連續運行，每日8h，每年制冷采暖季共按200日計算，年工作1600h，每年發電量共為224萬kWh。同時，發電機組産生的餘熱為（224/37%）×50%= 303萬kWh，此部分餘熱驅動溴化锂制冷機組制冷，熱力系數按1.1 計，共可産生333萬kWh的冷量。如果采用電動壓縮機制冷獲取相當的冷量，制冷效率（COP值）按4計，則消耗電量為333/4= 83.3萬kWh。此為被利用的餘熱所相當的電量，即餘熱利用所節約的電量。

所以，可視為供給發電機組内燃機的天然氣能源充分利用後相當于産生了224 83.3= 307.3 萬kWh電能。

4.2 每年消耗天然氣費用

每一标準立方米（Nm3）天然氣的熱值為36MJ，其中的37% 轉化為電能，即内燃機組可發電3.7kWh。按年發電量224萬kWh，則年耗氣量為60.5萬m3，天然氣按3.61元/m3（濟南地區價格）計，年耗氣費用為60.5×3.61= 218.4萬元。折合發電單價218.4/307.3 =0.71元/kWh。

4. 3 年運行費用

a.人員及管理費用：電站需運行管理技術人員按2人計，每人每年按5萬計， 則人員費用為10 萬元。折合發電單價10/307.3 = 0.0325元/kWh。

b.機油消耗費用：機組的機油消耗率為1.5g/kWh，按700kW×2 連續工作運行，年工作1600h，兩台機組每年消耗機油3360kg，機油價格為6元/kg，則機油費用為2.016萬元。折合發電單價2.016/307.3 = 0.0066元/kWh。

c.設備折舊費用：每台機組價格為70 萬元，按運行20年報廢，殘值率按5% 計，兩台機組每年的折舊費用約為6.65萬元。折合發電單價0.022元/kWh。

d.維護及配件費用：每台機組每年5萬元，合計為10萬元。折合發電單價10/307.3 = 0.0325元/kWh。

e.發電機組占地費用：由于增加發電機組，約增加了50 m2的占地面積，1m2面積價格按3000元計，占地費用約為15 萬元。按運行50 年計，每年的占地費用為0.3萬元，折合發電單價0.3/307.3= 0.001元/kWh。

4.4 折合發電單價

綜上，折合發電單價為（0.71 0.0325 0.006 6 0.022 0.0325 0. 001）= 0.8046元/kWh （經查詢，一般濟南工商業用電價格：1～10 kV 為0.89元/kWh）。

4.5 回收年限分析

每年發電量為224萬kWh，每kWh自發電折合單價與市政電網的差價約為0.08 元；每年電費差價為224×0.08= 17.92 萬元；發電系統相關設備投資約70×2（發電機組價格） 15（設備占地面積所用費用）= 155萬元；投資回收年限約155/17.92≈ 9年。

通過以上分析，采用冷熱電三聯供系統經濟優勢明顯，比聯網用電單價略低。但從投資回報來看優勢不明顯。本工程作為示範性項目，如果政府能夠适當對天然氣價格實行特殊補貼，将會有明顯的經濟效益和社會效益。

5 民用建築三聯供系統應用總結

a. 能源梯級利用，綜合利用率較高。冷熱電三聯供系統其綜合能源利用率可接近90%。從能量品質的角度看，燃氣鍋爐的熱效率雖然也能達到90 %，但是它最終産出能量形式為低品位的熱能，而三聯供系統中将有37％ 左右的高品位電能産出，電能的做功能力是相同數量熱能的2倍以上，所以三聯供系統的綜合能源利用效率比燃氣鍋爐直接燃燒天然氣供熱高得多。另外，系統建設在用戶附近，與傳統長距離輸電相比，還能減少6% ~7% 的線損。

b. 對燃氣和電力有削電力之峰填燃氣之谷的作用。我國大部分地區冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調用電使得夏季電負荷遠遠超過冬季，即電力使用的高峰出現在夏季。而目前50% 以上的天然氣消費量用于冬季采暖，即燃氣使用的高峰出現在冬季。采用燃氣三聯供系統，夏季燃燒天然氣制冷，增加夏季的燃氣使用量，減少夏季空調的電力負荷，同時系統的自發電也可以降低電網的供電壓力。

c.清潔環保，減少碳排放。天然氣是清潔能源，燃氣發電機組采用先進的燃燒技術，燃氣三聯供系統的排放指标均能達到相關的環保标準。根據美國的調查數據，采用冷熱電三聯供系統分布式能源，寫字樓類建築可減少溫室氣體排放22.7%，商場類建築可減少溫室氣體排放34.4%，醫院類建築可減少溫室氣體排放61.4%，體育場館類建築可減少溫室氣體排放22.7%，酒店類建築可減少溫室氣體排放34.3%。

d.與電網互相支撐，提高供電安全性。冷熱電三聯供系統的發電機組作為備用電源與市電并網運行，提高了供電的可靠性。在春秋季系統不運行時，發電機組亦可作為備用電源，尤其是對于醫療、酒店等建築節約了柴油發電機組的安裝投入。

本文來源于互聯網，作者：孫文傑 樓雲亭等。

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