公共建筑供熱空調(diào)冷熱源方式的多目標分析

1冷、熱、電能源供應需求近年來，北京郊區(qū)的幾座建筑平均每年超過1000萬元，并以每年1000萬元以上的速度增加。由于對功能的不同需求，公共建筑也有必要滿足冷、熱、電能源的要求。目前國內(nèi)外已有成熟經(jīng)驗并經(jīng)環(huán)保認可的供熱空調(diào)冷熱源方案主要有:電動壓縮制冷機+燃氣鍋爐,電動壓縮制冷機+電鍋爐,電動熱泵,直燃型溴化鋰吸收式冷熱機,燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供等,現(xiàn)就以上幾種方案進行分析。1.1電廠高效能源量夏季采用電動壓縮式制冷機,可選用離心式冷水機組,此類制冷機從電能到制出冷量的能源利用率(COP)可達5,考慮到2001年我國單機6000kW及以上電廠效率僅為35%,即從一次能源到制冷的COP可達1.75;冬季由燃氣鍋爐供熱,其一次能源的利用率約0.9。此方案的電力消耗量很大,且空調(diào)制冷用電高峰與城市供電網(wǎng)用電高峰一致,加重了城市峰段供電負荷,一些單位為削峰填谷和降低運行費用,采用蓄冷空調(diào)系統(tǒng),使空調(diào)制冷COP略有降低,是一個較好的供冷方法。1.2次能源利用率為5.35冬季由電熱鍋爐供暖,即使電熱鍋爐的熱效率為100%,其一次能源利用率也只有0.35,因為發(fā)電效率約為0.35,所以用電熱取暖是很不經(jīng)濟的。夏季采用電動壓縮式制冷機組,在前已分析。1.3風冷式熱泵供熱夏季、冬季共用一套熱泵型機組,夏季供冷、冬季供熱,這種機組從電能到制冷、制熱的COP大致為4,從一次能源到冷量(或熱量)的能源利用率約為1.4。由于北京冬季氣溫較低,最冷時段的熱負荷較大,采用風冷式熱泵宜同時設置較小容量燃油(氣)鍋爐,在峰期補充供熱。采用水冷式熱泵,北京地區(qū)本身缺水,地下水位已逐年下降,所以在北京要采用此方案必須首先解決可靠的水源;若用地下水時,必須可靠地解決“回灌”技術,否則不能輕率的采用。采用土氣地源熱泵,需要根據(jù)地質條件有足夠的埋設地耦管的土地面積,同時由于土氣地源熱泵目前機組設備單臺容量較小,為直供冷熱風,當供熱空調(diào)面積很大時,必須多臺組合分區(qū)布置。1.4熱水熱水直燃型溴化鋰吸收式冷熱機(簡稱直燃機)按照雙效制冷循環(huán)制取冷水,直接利用冷劑蒸汽冷凝制取熱水,冷水或熱水采用同一回路向建筑提供空調(diào)制冷和供熱,直燃機亦可增加衛(wèi)生熱水回路,在機組制冷或制熱的同時提供衛(wèi)生熱水。夏季制冷運行時的COP為1.2,冬季供熱運行時的COP為0.9,全年供冷、供熱從一次能源到制得冷量、熱量的COP為1.1左右,可見此類機組是節(jié)電不節(jié)能,對削減夏季空調(diào)用電負荷有利。1.5燃氣供熱發(fā)電國際上通常將300kW～20MW的燃氣輪機視為小型燃氣輪機,小于300kW的為微型燃機。燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供可以小型燃氣輪機為核心,并配以余熱鍋爐及溴化鋰吸收式冷熱機組和電動熱泵裝置的系統(tǒng)。它首先利用天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣在燃汽輪機中做功,將一部分熱能轉變?yōu)楦咂肺坏碾娔?發(fā)電可供應電動熱泵機組制冷和供熱。該發(fā)電裝置與城市電網(wǎng)的關系是連網(wǎng)但不一定上網(wǎng),其發(fā)電量主要是滿足燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)用電,即電動熱泵機組及其各類水泵風機用電等。再利用燃汽輪機做功后排出的高溫煙氣進余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽,所產(chǎn)生的蒸汽供熱或進溴化鋰吸收式制冷機產(chǎn)冷水供空調(diào)制冷。另外,燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供是以微型燃機為核心并配以直燃型溴化鋰吸收式冷熱機組的系統(tǒng)。它首先利用天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣在燃汽輪機中做功,再利用燃汽輪機做功后排出的高溫煙氣進直燃型溴化鋰吸收式冷熱機組制冷和供熱。燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)使一次能源在使用中完全符合熱力學的按質用能、分級利用的原則,并且利用現(xiàn)有的成熟技術,不追求某一種機組的高COP,而是利用各種設備的優(yōu)點,合理匹配。小型燃機的發(fā)電效率30%,其供熱效率50%,合計熱電綜合效率80%。微型燃機的發(fā)電效率26%,其供熱效率50%,合計熱電綜合效率78%。2冷源選擇的因素2.1方案經(jīng)濟性分析全年總費用是將工程方案從開始實施到竣工年份的投資折算到竣工年份,然后將折算后的投資平均分攤到方案服務年限內(nèi)的每一年,再和年運行費用(主要是能源費用,公共建筑中能源費用一般占運行費70%左右)相加,得到全年總費用。進行方案比較時全年總費用最低的方案經(jīng)濟性最好。在計算燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供機組方案中,年運行費用中將發(fā)電效益作收入沖減費用。2.2煤粉使用對煤的自然清除效果的性質研究從熱力學的角度對環(huán)境影響定義如下:環(huán)境影響是由于自然因素或人類行為導致環(huán)境化學熱力學參數(shù)偏離了期望環(huán)境值,從而引起一系列物理化學變化過程,并最終達到與期望值平衡。環(huán)境影響的大小,就是偏離狀態(tài)下的環(huán)境物質成分相當于期望環(huán)境值體現(xiàn)未來的火用,以及恢復期望環(huán)境值時所消耗的其他資源火用價值?；鹩檬枪べ|相對于環(huán)境的做功能力,如果工質和參考環(huán)境處于同樣狀態(tài),則火用為0,這個時候工質對環(huán)境的危害或影響也是0,可見,火用是一個相對概念,同樣環(huán)境影響也是相對于參考環(huán)境的,從這個角度說,火用能很好地表達環(huán)境影響本質,避免了通常環(huán)境影響中許多不確定因素和主觀因素。1kg煤燃燒后其污染物在自然清除過程中導致的火用損失為4515.93kJ,占其所能提供能量的20.16%,而1m3天然氣燃燒后污染物導致的火用損失為763.39kJ,占其所能提供能量的2.32%。按2001年我國單機6000kW及以上發(fā)電機組的平均供電煤耗385gce/kWh計算,電網(wǎng)供1kWh電力其污染物在自然清除過程中導致的火用損失為2434.09kJ。2.3從一次能源轉換成熱量制冷機的能量性能指標是指在耗用單位能量時可產(chǎn)生的多少制冷量的指標,對于壓縮式制冷機常稱為制冷系數(shù),對于吸收式制機有時稱為熱力制冷系數(shù),僅表明為產(chǎn)生一定的冷量時需要消耗多少熱量,它沒有反映這些熱量是怎樣來的,產(chǎn)生這些熱量的過程的效率怎樣。實際上,目前公共建筑利用的熱能都來自于一次能源,而電能絕大部分是由燃煤電廠產(chǎn)生,也由一次能源轉換得來的。因而生產(chǎn)一定量的冷量時,研究它從一次能源轉換為電能或可利用熱能,再產(chǎn)生成轉換為一定量的冷量,才是一種合理的評價方法?；蛘哒f以消耗一定量的一次能源后產(chǎn)生多少冷量來作為制冷機的能量性能指標,稱之為從一次能源到冷量(或熱量)的一次能源利用率(COP)。前述幾種冷熱源方案的從一次能源到冷量(或熱量)的一次能源利用率(COP)見表1。2.4北京天然氣季調(diào)峰面臨的主要問題北京為解決環(huán)境問題,1997年底將陜甘寧天然氣引入北京,由于對天然氣合理資源配置問題認識不足,截止2001年底購入天然氣17.9億m3,其中51%是采暖用氣量,將大量高品質的天然氣資源用于燒鍋爐采暖,從能源利用的角度來說是不盡合理的。同時單一的采暖用氣比例過大,導致季節(jié)用氣不平衡,2002年冬季最大日用氣量1606萬m3,12月份的平均日用氣量超過1500萬m3,而夏季日用氣量約為230～260萬m3,冬夏季用氣量比約6∶1。造成北京天然氣季調(diào)峰負擔很重,管網(wǎng)輸送的經(jīng)濟性很差,使輸送成本高居不下。從長遠來看,這種局面對推動天然氣的應用是不利的,亟待發(fā)展冬夏平衡的負荷,直燃型溴化鋰吸收式冷熱機技術、燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供技術是冬夏季負荷平衡的冷熱源方案,同時燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供技術的應用既滿足了冷熱負荷需求,又提供了高品位的電能,充分發(fā)揮天然氣作為高品質清潔能源的效能。北京市的供電主要依賴外埠,目前每年從外埠購電量接近70%。北京的輸電走廊集中在西部,同跨一個地震斷裂帶和相同的氣候區(qū)域,一場大地震或大霧,就可能造成北京供電系統(tǒng)的破壞,這使北京供電系統(tǒng)抵御意外災害的能力很差。2001年北京電網(wǎng)的用電負荷達到705萬kW,峰谷負荷差超過250萬kW。2002年負荷增加17%,達到824萬kW,其中不正常竄生主要是電力空調(diào)造成的,電力空調(diào)負荷已經(jīng)達到電力負荷的40%,對電網(wǎng)的安全運行、電網(wǎng)及電廠的利用效率和經(jīng)濟效益造成了嚴重問題。急需削減電力空調(diào)負荷,直燃型溴化鋰吸收式冷熱機技術、燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供技術是削減電力空調(diào)負荷的冷熱源方案,同時,燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供也是高效能的分布式供電方案之一。分布式供電系統(tǒng)可以彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足。3采用多目標決策分析方法的冷熱源方案選擇公共建筑供熱空調(diào)冷熱源方案的選擇涉及全年總費用、能源利用、能源配置與安全、環(huán)境影響等多種因素,有的因素難以定量分析,因此必須尋找一種能將定量分析和定性分析相結合,簡單有效又可靠的綜合方法。系統(tǒng)工程中著名的層次分析法可以用于供熱空調(diào)的冷熱源方案選擇的決策,它是一種實用多目標決策分析方法,它將定性和定量指標統(tǒng)一在一個模型中,既能進行定量分析又能進行定性分析的功能評價,首先根據(jù)問題的性質和要達到的總目標,將問題分解為不同的組成要素,然后按照要素間的相互關系影響和隸屬關系將其按不同層次聚集組合,形成一個多層次的分析結構模型,屬于同一級的要素以上一級要素為準則,進行兩兩比較,根據(jù)評價指標確定其相對重要性,并以此建立判斷矩陣,再通過計算,確定各級要素的相對重要度,最后通過綜合重要度計算,對各種方案進行排序,從而為決策提供依據(jù)。利用層次分析法選擇供熱空調(diào)冷熱源方案的分層結構圖如圖1:4判斷矩陣的確定以一個30000m2的公共建筑選擇供熱空調(diào)冷熱源為例,相關指標見表2。方案中一些數(shù)據(jù)的取值和模型來源如下:單位面積的消耗指標以耗冷量93W/m2,耗熱量70W/m2計。本算例估算中按北京市的氣象資料中各個月份的平均溫度計算出冬季采暖期的負荷系數(shù)為0.67;夏季空調(diào)供冷期的負荷系數(shù)為0.4。燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供天然氣價格按1.4元/m3,燃氣鍋爐、直燃機則按1.8元/m3計,市電按0.6元/kWh,設備折舊期按20年計。全年總費用分5個等級,211.5萬元為1級,則110.6萬元為5級,143.1萬元為3.712級,148.7萬元為3.490級,195.6萬元為1.630級,對于一次能源利用率(COP)、對環(huán)境影響的火用損失也按類似的方法。根據(jù)上表可構造各個判斷矩陣,層次總排序結果見表3:所設相容性指標C.I.均小于0.1,可認為所構造判斷矩陣有相容性,據(jù)此計算出的相對重要度值可以接受。最后結論燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供方案最合理。5北京市天然氣管網(wǎng)和供熱空調(diào)冷熱源北京市的環(huán)保要求及相關規(guī)劃限制了燃煤的使用,引入天然氣后,為各類建筑合理選擇供熱空調(diào)冷熱源提供了多種選擇機會,結合層次分析法,將定量分析和定性分析相結合,可得到合理的供熱空調(diào)冷熱源方案。燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供符合按質用能、分級利用的原則,對削減夏季空調(diào)電力負荷,發(fā)展均衡的冬夏季天然氣負荷,合理配置天然氣資源十分有力。北京市2008年將舉辦奧運會,這使北京市解決環(huán)保問題的要求更加迫切。據(jù)有關規(guī)劃:2005年北京市煤炭消費量將控制在2000萬t左右,其中發(fā)電800萬t,城近郊200萬t,遠郊1000萬t;2008年北京市煤炭消費量將控制在1500萬t左右,其中發(fā)電800萬t,遠郊700萬t,煤炭消費量在北京