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          從小型熱電聯產走向冷熱電聯產
          2015-06-29 10:59:38|點擊次數:

          熱電聯產【摘要】美國從1978年開始提倡發展小型熱電聯產(CHP),目前除了繼續堅持發展小型熱電聯產之外,正研究走向高效利用能源資源的小型冷熱電聯產(CCHP)。CCHP是將制冷、供熱(采暖和供熱水)、發電三者合而為一的設施,它比CHP又多一個制冷的功能。據美國1995年對商用樓宇終端能源消費的統計,采暖用能占22%,熱水供應占7%,而制冷空調用能占18%,CHP的供熱只能解決29%的用能及提供電力,而CCHP連同制冷可提供47%的用能及電力。

          1美國能源部支持CHP和CCHP

          美國能源部本著建立起行之有效的研究、開發和商業化的目的,廣泛而深入地參與了CCHP領域的合作,目前CCHP是美國能源部所屬能源效率及可再生能源辦公室執行的一個較大項目的其中一部分,能源效率及可再生能源辦公室與工業部門協作共同推動小型熱電聯產(CHP)的使用,CHP提供了高效的、經濟的、環保的和安全的能源,1998年12月1日在CHP首腦會議上,美國助理國務卿Dan.W.reicher宣布了一個旨在2010年使CHP容量翻番的國家目標,這就是說美國要在2010年前再增加4600萬kW裝機容量的小型熱電聯產能力。美國國家環保局、美國熱電聯產協會表示要為達到這個目標而努力。

          (1)工業技術辦公室支持CHP的挑戰,它的任務是在于消除制造和工業過程中妨礙CHP系統實施的障礙。

          (2)負責州和社區規劃的建筑技術辦公室也支持冷熱電聯產(CCHP)計劃,因為CCHP致力于它的技術在建筑業的綜合一體化。

          (3)電力技術辦公室正在制定計劃,以消除在重組電力市場上對分布式發電上網的障礙。

          (4)聯邦能源管理項目也正在尋找CHP在聯邦設施中應用的機會。

          目前CCHP組織將抓住各種機會和排除障礙以使CCHP技術在建筑業上被廣泛地應用,同時與那些關注擴大CHP市場的部門合作,尋求適宜的行動計劃。

          2冷熱電聯產的特殊意義

          電力是我們經濟發展的原動力,從鋼鐵、化學工業到制造業,從保健到文化教育,無處不在,今天,供熱、制冷及濕度控制系統對于商業、教育、保健及居民生活領域已顯得十分重要。事實上,能源的主要用途之一是給建筑物提供采暖、衛生熱水、除濕和制冷。能源要解決這些用途有兩大途徑:一是將一次能源轉變成電能,再由電力空調、電熱水器、電熱鍋爐等去提供;二是將一次能源通過冷熱電聯產系統(CCHP)去直接提供,應該看到,在商業建筑物內加速推廣應用冷熱電聯產系統可以大幅度節約資源(包括能源資源和其他資源),減少有害氣體的排放,是有很大潛力的。

          熱電聯產系統在大幅度提高能源利用率及降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力,有專家作了這樣的估算,如果從2000年起每年有4%的現有建筑轉向CCHP從2005年起25%的新建筑及從2010年起50%的新建筑均轉向CCHP的話,到2020年的二氧化碳的排放量將減少19%,如果將現有建筑實施CCHP的比例從4%提高到8%,到2020年二氧化碳的排放量將減少30%,CCHP既能生產電能,電能可以就地利用或向電網輸出電能,或者輸出軸功率,還可以提供制冷、供熱和濕度控制,衛生熱水,這樣有90%以上的燃料可以轉變為有用能量。冷熱電聯供系統與遠程送電比較,可以大大提高能源利用效率。大型發電廠的發電效率為35%~55%,扣除廠用電和線損率,終端的利用效率只能達到30%~47%,而CCHP的效率可達到90%,沒有輸電損耗,冷熱電聯供系統與大型熱電聯產比較,大型熱電聯產系統的效率也沒有CCHP高,而且大型熱電聯產也有輸電線路和供熱管網的損失,顯然CCHP可以減少輸配電系統和供熱管網的投資,無論從減少投資成本和減輕污染都是十分有利的。

          冷熱電聯供系統的缺點有兩個:一是冷熱電聯供系統規模小,都是安裝在樓宇里的,只能使用天然氣或油品,而大型發電廠和大型熱電聯產可以使用煤炭作燃料;二是冷熱電聯供系統雖然規模比大型發電廠和大型熱電聯產小,但CCHP不能小到一家一戶安裝一臺,只能適應一幢樓宇或一個小區的冷熱電聯供,不像小型戶用空調器、戶用熱水器或戶用電取暖器那樣靈活機動。好在我國目前能源利用正在向優質化發展,許多大中城市為了解燃煤污染已經提出建立無煤區,國家正在加'決天然氣、煤層氣的開發,還準備在沿海地區進口液化天然氣,使用CCHP的條件將逐步具備,當然也有可能在一些地方始終不具備使用油氣的條件,因此即使CCHP技術成熟之后,仍然可能與電制冷、電熱水器、電熱鍋爐并存。

          3美國關于冷熱電聯產的研究

          美國對CCHP作了許多研究、開發和商業化目的,天然氣行業、電力行業和暖通空調行業的制造業的廣泛而深入地參與該領域的合作,工業界己提出了"CCHP創意"和"CCHP2020年綱領",以支持美國能源部總體商用建筑規劃及熱電聯產(CHP)規劃。

          3.1CCHP綱領

          1999年3月11日至3月12日美國在芝加哥召開會議,會議的目的是規劃CCHP在樓宇應用上的技術發展步驟。會議期間,生產廠家、用戶、研究機構、能源服務公司(ESCO)專業工程師、高校和國家實驗室共同合作,規劃了適用于商用、寫字樓、小區。住宅建筑物的能源回收利用能源管理和使用的目標。

          規劃倡導增加綜合利用多項技術,包括先進的燃氣渦輪機、微型渦輪機、先進的內燃機、燃料電池。吸收式制冷機和熱泵,干燥及能源回收系統、引擎驅動及電驅動蒸汽壓縮系統,熱儲備和輸送系統,以及控制及系統集成技術,以滿足建筑物的熱和電力負荷的需求,并且從整體上提高了從礦物燃料到能源的轉換效率。

          3.2CCHP宣言

          美國到2020年CCHP將成為商用建筑、寫字樓建筑高效使用礦物能源的典范,通過能源系統的整合,將極大地推動經濟增長和提高居民生活質量,同時最大限度地降低污染物的排放量。

          3.3CCHP戰略實施目標

          2000年

          (1)制訂出技術與政策"引導圖";

          (2)開發設計工具、評估系統、軟件、分析案例等等,以減少設計團體的風險;

          (3)通過案例分析、財務分析等對業主決策機構進行CCHP選型和效益的教育;

          (4)消費者的價值/需求的認知度達到目標決策者的25%;

          (5)每三年實現市場占有率翻番;M建立CCHP的信息交流系統;

          (6)建立建筑物資源效率計量體系。

          2005年

          (1)確保行業法規朝有利方向發展:

          --稅收優惠;

          --碳化物排放貿易化;

          --合理的電力退出費用;

          (2)建立200個示范點。

          2010年(1)20%的新建商用、寫字樓類建筑物使用CCHP;

          (2)5%的現有商用、寫字樓類建筑物使用CCHP;

          (3)25%的美國能源部熱電聯產(CHP)項目用戶使用CCHP。

          2020年

          (1)50%新建商用、寫字樓類建筑采用CCHP;

          (2)15%現有商用、寫字樓類建筑采用CCHP;

          3.4幾個問題的說明

          3.4.1CCHP和CHP應用領域的劃分

          CCHP系統可以向建筑物同時提供電力、制冷。供暖、衛生熱水或其他用途的熱能,故CCHP系統側重的領域是商用、寫字樓及公寓樓宇;CHP只能提供電力和熱能,側重于需要工藝用熱的工業企業。

          3.4.2商用建筑物節能的設想

          美國在商用建筑物節能方面有如下的設想,使建筑物能源使用上做到科學、經濟、保護生態環境。

          (1)建筑物的外墻和門窗的保溫和密封性改進,達到15%的節能量。

          (2)美國空調及制冷協會(ARI)為暖通空調(HVAC)設備而制訂的目標,要使其能源效率改善25%;

          (3)美國CCHP的首期目標是在以上基礎上,再增加40%的節能效率。

          能源可向建筑物提供多方面用途,其中包括舒適的環境(溫度控制及濕度調節),照明、衛生熱水。各種電器的原動力等等,1996年美國消耗掉近93×10^15英熱單位(Btu)的能量。其中僅商業建筑占15×10^15Btu,幾乎相當于全年的汽油消耗量。商業用建筑物熱負荷占能源消耗的47%,幾近一半(其中取暖占22%,制冷占18%,衛生熱水占7%),CCHP可以利用回收廢熱提供熱負荷(熱水、采暖和制冷),這樣就可以節省電力消耗。

          美國對一棟小型商用建筑的能源消耗量進行了測算,過去這一棟商用建筑年耗能達16.72億Btu;實行ARI的HVAC計劃后,將空調設備的能源效率提高25%,換成能源量可以減少為15.06億Btu(比常規減少1.66億Btu);實施CCuP計劃后,能源效率還可以再提高40%,換算成能源量可減少到9.08億Btu,如果美國現有建筑的25%實施CCHP,可使建筑物消耗的能源降低2.1×10^15Btu,這是非??捎^的。

          3.4.3采暖和空調將出現新的變化

          在20世紀中采暖和空調基礎科學研究已經取得了重大突破和進展,目前正醞釀著新的變化。主要是由于空氣調節和電力技術有了重大變化,全球對環境問題的重視,如關注減輕臭氧層破壞,關注減緩地球氣候變暖(溫室效應),以及公用事業的重組等等,成為當今樓宇設計和建設的決定因素。

          電力行業的改革和新的分布式發電技術的發展,使得樓宇和居民小區有可能自己生產和出售電力,電力工業引入競爭機制,帶來了新的挑戰,同時也為那些能夠預測到技術進步的需求及市場發展趨勢的公司創造出巨大的機會。

          3.4.4更新經營模式和改進研究方法

          采用創新技術以滿足迅速成長的市場需求有很高的成本和風險,只有很少的公司能夠承受,新產品的復雜性,各系統的集成(跨越了傳統的產品分類),以及全球性競爭的加劇,要求我們采取更新的經營模式,如合伙經營(用戶、廠家以及研究機構等等的聯營),共同開發和應用先進技術和集成系統。

          過去的研究、開發以及商業化的努力主要著眼于單獨的設備(如制冷、熱能儲備、通風系統及發電設備),目前的樓宇CCHP則致力于現場燃料的轉換,使發電與暖通空調(HVAC)系統合為一體,使優化和集成其他建筑先進技術成為可能,這將使樓宇的能源利用效率大大提高,既節省了能源又減少了污染物的排放。

          3.4.5CCHP對環境保護也有巨大潛力

          1997年9月美國能源部的5個實驗室進行了一項研究,這個研究被命名為"美國碳化物減低計劃",共檢測了200多項技術,研究發現僅占三項的CCHP的技術先進的渦輪機、燃料電池和集成聯合循環卻占據碳化物預期減少量的近10%,新一代的渦輪機、燃料電池及活塞式引擎體積更小、節能效率更高,電或機械能、熱能的比例更具靈活性;同時,也可能將這些設備與先進的熱回收系統組合使用,以達到最大的節約,將碳化物的排放量降至最低點。

          3.4.6CCHP發展中的關鍵因素

          CCHP現在還不能將其劃分為某個行業,然而設備制造商、公用公司及能源服務公司將CCHP看作是下個世紀最具經濟潛力的一種組合方式,新組建的CCHP組織機構已明確未來20年決定商用、公共建筑及居民建筑設備發展的關鍵因素,這些因素包括如下各項:

          (1)政策及政治因素;

          (2)市場、經濟及公共設施的重建;

          (3)氣候的變化;

          (4)閏室內空氣質量;

          (5)建筑設計/設備選型過程;

          (6)能源使用效率;

          (7)顧客的期望值;

          (8)應變能力;

          (9)技術的進步/新技術;

          (10)滿足各方利益的建筑樓宇。

          3.4.7要特別重視室內空氣質量

          前面對于CCHP的關鍵因素共有10項,我們在這里不再一一敘述,僅就室內空氣質量介紹一些情況。

          據美國環境保護署(EPA)的一項研究披露,目前大多數室內空氣污染程度要比室外空氣高2~5倍,有的甚至高達100倍以上。室內空氣污染程度之所以特別受人類關注,這是因為人們有90%以上的時間是在室內渡過的,自70年代的石油危機以來,我們對室內空氣的質量愈加關注,其原因是多方面的:建筑物的密封性;為了節約能源而減少了室內的通風次數;復合建筑材料的使用及居室裝修;各類洗滌及化妝用品、護膚品的使用及各種殺蟲劑及室內清潔劑的使用等等,EPA及其"科學顧問專欄"已連續將室內空氣的污染列為危害公眾健康的五大污染源之一。

          到80年代,上述設計、運行和人為因素的后果顯露出來,如患各類"建筑物綜合癥"及與樓宇有關的疾病的人增多起來,暖通空調采用增強室內通風量作為解決這些問題的措施,使通風率逐漸回升到70年代初的水平。美國暖通空調工程師協會標準62號《可接受室內空氣質量的通風要求》于1989年重新修改,并于90年代初被美國政府統一納入法規中,于是使室內空氣通風標準提高了3~4倍,使室內污染物大為降低,但由此引起空調系統需要消耗更多的能源。

          此外,通風增多后,空氣濕度增大,使得菌、霉菌、病原菌的生長機遇增加,構成了各種過敏性疾病,如哮喘等發生的主要原因,因此要求在通風的同時把濕氣過濾掉。目前開發出的干燥技術由熱源驅動,可以達到能源高效利用的目的,室內空氣質量將極大地影響新老建筑的設計和運行,CCHP方案中利用回收熱量驅動干燥系統將可起到積極的推動作用。

          4CCHP與中國

          我國目前經濟發展水平和居民收入水平來看,在城鎮已經進入暖通空調大發展時期,我國在暖通空調方面有可能實現跨越,對于如何把握暖通空調發展方向應盡早研究。

          4.1小型電站是21世紀的新電源,最具經濟潛力

          21世紀21個設想中第一個設想是能源"我是你的地方電站",文章說:"到21世紀,差不多人人都有個渦輪機。它們以棕擱油或沼氣為動力,確保家電設備正常運轉,假如你的電力自給有余,你還可以把多余的電出售給當地電網","這是2009年的夏天,我家有兩只電表,分別顯示電力的'輸入'和'輸出'。顯示電力'輸入'的電表在絕大多數情況下都在轉動,不過偶爾在電力不足或電價上漲時,我家地下室里的一臺小發電機就會運轉起來",這是小型電站的一種型式,另外的型式就是本文所講的小型熱電聯產和冷熱電聯產,用高科技武裝起來的小型電站CHP、CCHP耗能低、可靠性高、效率高、低排污,具有很大的優越性,是提高能源利用效率、降低冷熱電成本和保護生態環境的重要措施,美國把小型電站看作是有助于美國保持在21世紀全球競爭力的優勢,可見其重要性。

          20世紀初以來的傳統觀念是,發電機組容量越大,效率越高,單位千瓦的投資越低,發電成本也越低,因而電力工業的發展方向是"大機組、大電廠和大電網",但是由于高科技的發展,分布式的小型電站,特別是CHP、CCHP的發展,小電站的好處已經超過了"大機組、大電廠和大電網",我國應當走大電網與為數眾多的小型分布式電站相結合的道路。

          4.2要嚴格控制為樓宇采暖建設大型熱電聯產電廠和大型供熱管網

          世界上對于樓宇(包括商用建筑、寫字樓、公寓和住宅小區)采暖供熱有兩種模式:歐美國家大都采用分散式的采暖設施,現在正向小型冷熱電聯供(CCHP)的方向發展;而原蘇聯、東歐等社會主義國家主要是學習原蘇聯模式采用大型熱電廠、大中型鍋爐房和大型熱網,現在看來修建大型熱電廠、大型鍋爐房和大型熱網專門供商用、寫字樓、公寓和住宅小區供熱是極不經濟的,今后大型熱電廠主要應當用于有穩定熱負荷的工業企業,以修建工業企業。工業小區的自備熱電廠為主。樓宇采暖應當因地制宜采用多種方式解決。

          4.3要重視發展分布式小型熱電聯產(CHP)和小型冷熱電聯產(CCHP)

          隨著我國經濟發展和人民生活水平的提高,人們對工作環境和生活環境的舒適程度要求越來越高,對室內溫度、濕度、清潔程度的控制要求越來越高,采暖空調設施的發展是不可控制的,只能因勢利導。要重視發展CHP和CCHP。北方寒冷地區無制冷空調要求,僅有采暖和衛生熱水要求的地區可以發展小型CHP;在中部地帶既有制冷空調,又有采暖和供熱水要求的地區,可以發展小型CCHP;在南方地帶無采暖要求,僅有制冷空調和供衛生要求的地區也可以采用小型CCHP。

          4.4加快發展天然氣、煤層氣,積極引進液化天然氣和管道天然氣

          我國長期以來能源供應以煤炭為主,煤炭最大消費量曾達到13.8~13.9億噸,1998年已下降到12.5億噸,現在準備降低到9億噸,這個變化說明能源消費優質化已不可避免,要順應潮流加快發展天然氣、煤層氣,積極引進液化天然氣和管道天然氣。有充足的燃氣供應是發展分布式小型CHP和CCHP的前提條件,在有天然氣供應的地方應當優先用于發展CHP和CCHP。但我們也必須看到,中國各地的情況復雜,CHP和CCHP不可能包打天下,有便宜電力供應的地方,以及可利用低谷的地方,可以發展蓄冰空調、蓄熱式電熱鍋爐;有的地方可以發展電力空調、電采暖器和電熱水器??傊?,要從節能、經濟、環境保護的原則出發,因地制宜,慎重研究,認真決策。

          4.5為經濟合理的發展暖通空調,要盡快取消采暖免費供應制度

          現在住房、水、電、氣都要由用戶自己交費,只有采暖由機關、企事業單位交費,顯然不合理。原蘇聯解體后,俄羅斯解體后,俄羅斯已規定由用戶自己交費。由于采暖不要用戶自己交費,用戶就不會想辦法去采用經濟合理的采暖方式,供暖企業也沒有降低成本的壓力,不利于走向市場,不利于節約能源和采暖設施投資。所以必須盡快取消采暖的免費供應制度,盡快完善采暖的控制、計量和收費制度,促進經濟合理的發展暖通空調,促進能源的節約和環境保護。

          4.6要加強冷熱電聯供系統(CCHP)的研究和推廣工作

          美國為發展冷熱電聯產采取更新經營模式,聯合研究和政策扶持等措施,并編制了長達20年的研究發展目標,我國如要發展小型CHP和CCHP也應組織聯合公關,政府扶持?,F在看來冷熱電聯產比熱電聯供要先進得多,能適應我國大部分地區的需要,特別是我國過去采暖僅限制在黃河、秦嶺山脈以北的"三北"地區,現在黃河與長江之間的中間地帶,為提高舒適度,正開始搞采暖,同時搞制冷空調,宜采取跨越發展手段,跳過CHP,直接搞CCHP。我國在冷熱電聯產方面具有一定的優勢,湖南長沙市遠大空調有限公司生產的直燃式空調機,可以解決冷、采暖和衛生熱水聯供,他們正在研究將燃氣渦輪機與直燃式空調機相配套,形成高效的冷熱電聯產系統?!督洕鷧⒖紙蟆吩泩蟮肋^世界吸收式空調中心在中國,中國的中心在長沙、遠大城。如果我們抓緊CCHP的研究和應用我們在冷熱電聯產的發展中有可能超過美國,走在世界前列,成為我國21世紀全球競爭中的優勢產業之一,值得重視。

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