[内容摘要] 本文介绍了冷热联供和热电冷联供的系统形式；阐述了以热电联产热、直燃锅炉热和废热、可再生能源等“免费”热为热源的各种冷热联供系统的能耗估算方法。汽轮机供热能耗用发电量减少法估算，可以区分各种条件，特别是背压汽轮机的型号、参数及供热参数不同对供热、供冷能耗的影响。给出了在一定条件下各种系统的供热、供冷初次能耗率。比较了三效、双效、单效、两级吸收式制冷系统和电制冷系统的供冷能耗。比较了联产热、锅炉热、电热泵、吸收式热泵系统的供热能耗。对影响因素进行了分析。
一．前言
利用热能驱动的制冷系统因其可回收利用各种低品位余热，从而在能量梯级利用中起着不可替代的作用。在空调需求不断增长，电动制冷面临工质替代和电力紧张等问题困扰的情况下，各种节电、节能和保护环境的热制冷日益受到人们的关注。
热制冷的驱动热源一般在非供冷季节也被用于供热（采暖、过程加热或生活热水）。也就是说，热制冷通常伴随着一个供热系统。由于共用了热源和其它一些设备，冷、热两部分互相联系成为一体，故称之为冷热联供系统。与采用电动制冷、热能供热的冷热分供相比，供热设备的冬、夏共用提高了它的全年利用小时数，降低了供热成本；又因分担了热制冷在热源建设上的投资也可能降低供冷成本。在热电联产的情况下利用热制冷可缓解夏季用电高峰和用热低谷的矛盾，平衡冬夏负荷；若利用太阳能，还可转移夏季白天的用电高峰，平衡昼夜负荷，缓解电力紧张状况。随着这种系统的普及应用，研究它在什么条件下节能，具有十分重要的现实意义。
二．系统形式
由于驱动热的来源、载热介质和参数的不同，导致热制冷设备种类繁多，冷热联供系统型式的多样化，其技术经济性能彼此之间有很大差异。因此在计算系统能耗时，不仅制冷机等主要设备的特性，而且热源的属性也成为一个关键问题。根据热的来源冷热联供系统可分为：利用各种废热或可再生能源热、利用热电联产热和利用初次燃料热等三类。从能的有效利用角度来看，必须遵守能量梯级利用的原则。尽可能利用低品位余热和可再生能源供热供冷。文献[1] 介绍了一个成功地回收利用工业余热进行冷热联供的典型实例。对于需要燃烧化石燃料产生热能的情况，应当先作功发电之后再利用余热供热供冷。也就是说要采用热电联产。
热电联产（Cogeneration）是从同一能源同时生产电能（或机械能）和有用的低品位热能。它可以使用两种途径：将电力生产移到用户装置上或将余热送往用户。柴油机、燃气发动机或燃气轮机的现场热电联产装置属于前者；而区域供热的热电联产属于后者，即集中发电，同时通过地下管网输送蒸汽或热水。
我国长期以煤为主要燃料，大力发展燃煤汽轮发电机组的热电联产。因此区域冷热联供在我国目前应用的普遍形式是从热电联产的区域供热发展而来，即：利用一次网将热电厂生产的热量输送到热力/制冷站，站内的换热器/吸收式制冷机将热转换为热媒水和冷媒水，再通过二次网将冷、热媒水输送到用户。对热电厂来说，同时送出的产品只是热和电。无论供热供冷都只不过是它的热负荷而已。故可称这种系统为热电联产的冷热联供，简称热电冷联供。
在以燃油或燃气为燃料的情况下，可采用燃气轮机或内燃引擎的热电联产或热电冷联产。所谓热电冷联产是在同一能源中心同时生产电能（或机械能）、热能和冷媒水，并利用管网将冷、热媒输送到用户。日本新宿新都心的区域供热供冷是燃机热电冷联产的一个典型。制冷容量达208MW，号称世界最大。文献[2] 介绍了三联产（Trigeneration）的概念，描述了八十年代专为区域供能开发出三联产机器的特征是：与原动机（燃气轮机）在同一根轴上连接着发电机/电动机和制冷压缩机；原动机产生的轴功可用于在任意比例下生产冷媒水和发电；用原动机的排气生产出第三个产品——热。这种系统效率很高，年满负荷运行达5000~7000小时。
此外，采用电动热泵既供热又供冷的系统也是一种冷热联供系统。
三．方法
能耗的估算方法有动态和静态之分。静态方法只按设计负荷和设备的设计工况特性计算，并可以当量满负荷小时数法估算季节或全年能耗。这种方法简便，在一般分析中可用。动态方法则以负荷的逐时分布特性为基础，并考虑设备的部分负荷特性和变工况特性,来估算全年能耗[3]。由于动态方法可以考虑到不同地区、不同使用对象和采用不同设备之间的差异，故在针对某一具体工程进行可行性研究或方案设计时，应当用动态方法或它的简化方法对系统中所有设备作全年能耗估算。本文属一般性能耗分析，所以采用了静态方法。
冷热联供系统从热源、输送系统到站房，由多种设备组成。它们有的消耗热能有的消耗电能，各种能量品位和来源都有不同。要进行能耗的分析比较，最好是把它们全都折算到初次能源消耗量；其中凡是电量都按骨干凝汽式发电厂或全国平均发电能耗折算。
初次能耗量（PE）是指为供应所需要的能而耗费的各种能折算成的初次能源消耗量。初次能耗率（PER）是初次能耗量与需要输出能量的比值。
1．当耗用来自燃烧器或锅炉的热能时
供热初次能耗量 PE=Qh/ηb （1）
供热初次能耗率 PER=1/ηb （2）
热驱动制冷或热泵主机的初次能耗率 PER=1/(COP·ηb） （3）
式中 Qh¾¾供热量
ηb ¾¾燃烧器或锅炉的效率
COP——制冷或热泵主机的性能系数
2．当耗用电能时
初次能耗量 PE=W/ηpl （4）
电动压缩式制冷或热泵主机的初次能耗率为
PER=1/(COP·ηpl) （5）
式中 W——耗电量
ηpl¾¾凝汽式发电厂的总效率
3．当利用废热或太阳能、地热等可再生热能时
能耗与投入辅助能源多少有关。设f为输入的废热或可再生热能Qw占需要输入总能量(Qw+PE)的份额
f= Qw/( Qw+PE) （6）
其中初次能耗量 PE与需要输入的驱动热Qd和锅炉或燃烧器效率ηb有关。
Qd= Qw+PE·ηb （7）
由此可得制冷的初次能耗率为
PER=1/{ [ηb+ f / (1- f)]COP} （8）
4．当利用热电联产热时
供热、供冷的初次能耗率估算方法将在下节专门讨论。
5．当系统有多种耗能设备时
初次能耗量为
 （9）
式中，下标 j¾¾系统中不同耗能设备。
一个冷热联供系统的耗能部分通常包括制冷或热泵主机、冷却或低温热源系统、能储存和输送系统以及辅助加热系统等。
系统的供冷初次能耗率为 PERc..s= PERr+ Ac/ηpl （10）
系统的供热初次能耗率为 PERh..s= PERh+ Ah/ηpl+B/ηb （11）
式中 PERr——制冷主机初次能耗率
PERh ——制热主机初次能耗率
Ac——辅助设备耗电量与系统供冷量之比 GJ/GJ
Ah——辅助设备耗电量与系统供热量之比 GJ/GJ
B——辅助加热量与系统供热量之比 GJ/GJ
因本文只进行不同系统方案间的比较，可把彼此基本相同的部分忽略，不计冷、热媒输送系统耗能。对制冷系统只计主机耗能和冷却水系统耗电。对热泵系统只计主机耗能、低温热源系统耗电和辅助加热系统耗能。这样，
对于两效吸收式制冷取Ac=0.04~0.05
对于单效吸收式制冷取Ac=0.07~0.09
对于两级吸收式制冷取Ac=0.10~0.14
对于电动压缩式制冷取Ac=0.03~0.04
对于热泵取Ah = 0.02~0.04
四．联产供热能耗
在作热电联产节能计算时，一般都是与被替代的凝汽式电厂加被替代的锅炉房电热分产作比较的。但在考虑热电分摊时，目前普遍采用的热量法把热电联产的好处全部归电。联产供热能耗等于供热量除以热电厂锅炉效率。联产供热的初次能耗率将永远大于1。如果锅炉效率等于0.8， PER就等于1.25，而不管汽轮机型式、进汽参数、供热参数如何。若以这种方法计算纷繁多样的冷热联供系统能耗，并用来进行各方案的比较，显然难以得到可信的结果。
汽轮机热电厂利用作功后的蒸汽供热，大大提高了电厂热能利用率。但由于只有高于环境温度的热能才可以利用，因而供热蒸汽压力总是高于凝汽器压力。从而导致消耗同样燃料热量所发电量要比被替代的凝汽式发电厂少。把所减少的发电量，折合成初次燃料热，即应为联产供热所消耗的能量。笔者下面将用此法（简称发电量减少法）计算汽轮机供热能耗。显然，供热量一定时，发电量越高，供热能耗越小。但发电和供热的比例并不能任意设定。它与汽轮机的新汽初参数、供热排汽压力和设备构造的完善程度等多个因素有关。文献[3]给出利用表征汽轮发电机组耗热量Q、发电量Wh和供热量Qh之间关系的热力特性方程估算能耗的方法。本文为简便起见，利用文献[4]给出的背压汽轮发电机组的供热电能生产率曲线（图1）来计算。供热电能生产率ω（简称电能生产率）是指在热电联产过程中，供热抽汽每向用户供应1GJ热能时所发出的电能，单位为“kWh/GJ”。它是表征热电厂在生产电能方面完善程度的主要指标之一。
另一个衡量热电厂生产过程经济效益的重要指标是热能利用系数K。它是指热电厂有效利用的热量（包括发电和对外供热）与同时期内所消耗的总热量之比。
当已知ω、K和Qh时，就可以利用以下几个简单的式子计算联产供热的初次能耗率 PERh ：
图1 背压汽轮发电机组的供热电能生产率
汽轮机进口蒸汽压力： 1——3.5Mpa， 2——9 Mpa，
3、4——13 Mpa ， 5——24 Mpa
热电厂的热能利用系数 K=（1+0.0036ω）ηbηp Qh/Q (11)
热电联产发电量 Wh=ω* Qh MW (12)
供热汽轮发电机组的耗热量 Q=（1+.0036ω）Qhηbηp/K GJ/h (13)
Q相同时凝汽式发电厂发电量 W= Qηpl /（.0036ηbcηpc） MW (14)
热电联产供热的初次能耗量 PEh=0.0036（W- Wh）/ ηpl GJ/h (15)
热电联产供热的初次能耗率 PERh= PEh /Qh (16)
将式(12)~ (15)代入(16)得：
PERh=（1+.0036ω）ηbηp/（ηbcηpcK）-.0036ω/ ηpl GJ/GJ (17)
式中 ηb、ηp——热电厂的锅炉效率、反映主蒸汽管散热损失的管道效率
ηbc、ηpc ——对比凝汽式电厂的锅炉效率、反映主蒸汽管散热损失的管道效率
ηpl——替代凝汽式发电厂的总效率
笔者根据式(17)作出曲线图，如图2。由公式和图可见，背压汽轮机组供热的初次能耗率由热电厂的热能利用率、汽轮机组的供热电能生产率和替代凝汽式电厂的总效率决定。若K和ηpl 一定，则ω越高，或者说汽轮机的进汽参数越高和出汽压力越低，PERh越低。若ω一定，则K越高、ηpl 越低，PERh越低。
由式（17）还可得到利用背压汽轮机排汽热制冷主机的初次能耗率
PERr=（（1+.0036ω）ηbηp/（ηbcηpcK）-.0036ω/ ηpl ）/COP GJ/GJ (18)
利用燃气轮机或内燃引擎余热供热供冷，不会影响发电量却提高了热能利用率，按本文方法则视为废热利用。但对于发电功率小的机器，发电效率可能低于替代凝汽式电厂。故这种情况将另作考虑，不在本文讨论。
五．供暖与供冷能耗
在进行冷热联供系统能耗估算时，由于采暖与供冷负荷一般并不同时出现，且它们所消耗能的品位不同，比较对象不同，可以按上述方法分别计算供热、供冷初次能耗率以后，再按下式得出冷热联供系统的全年能耗∑Q。
（a）当ηpl=30% （b）当ηpl=40%
图2 背压汽轮发电机组供热初次能耗率
∑Q= Qc·HC·PERc。s +Qh·Hh·PERh。s GJ/年 （19）
式中 Qc 、Qh——分别为供冷量和供热量 GJ/h
HC 、Hh——分别为供冷和供热当量满负荷小时数 h/年
对于在不同系统方案间进行能耗比较分析来说，仍可主要看它的供冷、供暖初次能耗率。图3、图4给出在替代凝汽电厂总效率35%，热电厂热能利用率80%条件下，计算得到的各种系统供冷、供暖初次能耗率柱形图。
由图3可见，热驱动制冷系统初次能耗率随制冷机COP的降低而升高。吸收式系统初次能耗率由低到高顺序为三效、双效、单效、两级。这在利用直燃或锅炉热时是毫无疑问的，就是在热电联产的情况下，虽然三效、双效吸收式制冷需要汽机排汽压力相对较高，汽轮发电机组的电效率降低，供热PER增大，但供冷PER随COP的变化趋势依旧。吸收式供冷PER还随汽轮机进汽压力降低而增大，这一影响在制冷机COP低时越发明显。联产热制冷与直燃或锅炉热制冷相比总是省能的；而且热制冷机COP越低，这种差别也越大。两级吸收式制冷系统尽管用与供暖相同的85℃热水驱动，但因COP太低，并从而辅助电耗也高，以至制冷初次能耗率很高。即使利用废热或太阳能、地热等可再生能源，由于通常需要辅助加热，是否节能还要看“免费”热所占份额。例如，欲使制冷PER小于1，废热利用的两级机“免费”热所占份额f须大于三分之二。因此，为了利用“免费”热，应当研究开发再生温度低而热力系数高的热驱动制冷系统。此外，在系统设计时还应采取诸如蓄热等措施，以减少辅助加热，提高废热利用率。
当与电制冷相比时，须确定一些有影响的条件，并考虑COP的不同。家用小型电空调器，COP为2~3制冷初次能耗率较高；大型电动离心式制冷机COP=5~6，与高参数汽轮机联产热驱动三效、双效吸收式制冷之间能耗相近，是应当根据具体情况仔细计算比较的。
由图4可见，用锅炉或直燃热供暖，即使按90%效率计算，也是初次能耗率最高。与之相比,利用各种热泵和热电联产热供暖总是省能的。
小型电动热泵，COP为3~4，供暖初次能耗率较高。中高进汽压力较好的背压汽轮机供暖初次能耗率最低。需要说明的是：本文联产热供暖按85℃热水计算能耗，而热泵供暖大约是50℃热水。如果联产热供暖按与热泵相同的温度计算，则供暖初次能耗率将会更低。大型电动热泵，COP=4~6，供暖初次能耗率与联产热驱动的吸收式热泵相近，这是指设计工况点，在非设计工况下，电动热泵效率会有较大降低。在这方面吸收式热泵将更优越些。此外，图4热泵是
图3 各种制冷系统初次能耗率的比较（ηpl=35%，K=0.8）
电制冷，制冷系数：1——2.0，2——3.0，3——4.0，4——5.0, 6——6.0
吸收式制冷：1——直燃或锅炉热驱动,锅炉效率85%
汽轮机进汽压力(Mpa)：2——3.5, 3——9.0, 4——13.0, 5——24.0
汽轮机排汽压力(Mpa)：三效——1.5， 双效——0.9，单效——0.2，两级——0.08
制冷系数：三效——1.6, 双效——1.2，单效——0.7，两级——0.4
图4 供暖初次能耗率的比较（ηpl=35%，K=0.8）
电热泵，制热系数：1——3.0，2——4.0，3——5.0 ，4——6.0
吸收式热泵，汽轮机进汽压力(Mpa)：1——3.5, 2——9.0, 3——13.0, 4——24.0
汽轮机排汽压力0.63 Mpa，COP=1.7
联产热，汽轮机进汽压力(Mpa)：1——3.5, 2——9.0, 3——13.0, 4——24.0
汽轮机排汽压力：0.08 MPa
锅炉，效率：1——70%, 2——80%, 3——90%, 4——100%
按没有辅助加热计算的，事实上冬季热泵常受到低温热源条件限制，而需要辅助加热，PER将比图示值增高。
目前利用燃煤锅炉冷热联供不节能这一点已普遍达到共识，应尽可能避免采用。至于直燃吸收式冷温水机组, 从能耗上看相当于以锅炉为热源的冷热联供，只不过把这种系统的燃煤改成直接燃气或燃油，因而燃料转换到热的效率稍高而已。但即使按高的锅炉效率计算，PER仍高。何况直燃机更应与相同燃料的燃气轮机或内燃引擎比较。按[2]给出的已由实际区域供能站运行证实了的数据：
燃气两效吸收式制冷PER=1，而带热回收的燃机三联产供冷PER已降低到0.317。
六．结论
由于热源和热制冷设备种类繁多，导致冷热联供系统形式多样，其能耗和技术经济性能彼此差异很大；必须针对不同情况，尤其要区别电、热来源和参数分别计算。本文阐述了采用热电联产热、锅炉直燃热和“免费”热等不同热源时各种系统方案供热供冷初次能耗率的计算方法。汽轮机供热能耗用发电量减少法估算，不但符合与替代凝汽电厂对比的原则，而且可以考虑到汽轮机型号、参数及供热参数不同对供热能耗的影响，这一点对形式多样的冷热联供系统的能耗估算和分析是十分必要的。“热量法”不能区别这些不同情况，若应用于热电冷联供系统的能耗分析中，将有很大的局限性。
计算分析表明，无论采用什么热源、能源，制冷机或热泵的COP高对降低能耗总是最重要的因素。用直燃或锅炉热时，供暖的初次能耗率在所有系统中最高，供冷的初次能耗率比联产热制冷要高，故应尽量避免采用。用中高进汽压力、好的背压汽轮机，带COP高的热制冷机的冷热联供系统与电制冷加锅炉的冷热分供系统相比，在能耗上是有竞争性的。
采用大型高效热泵/制冷机的冷热联供系统在能耗上有优势。但要注意，热泵与利用“免费”热的系统都会遇到类似问题：辅助加热量对能耗的影响是不容忽视的。
文中给出了在一定条件下计算得到的一些典型系统的供热、供冷初次能耗率，仅供选择方案时参考。
文中介绍了国外已有燃气轮机热电冷联产工程实际达到供冷PER低至0.317的先进水平。我们目前差距还很大，应当努力。
[参考文献]
[1]陈君燕 侯凤英“低品位余热利用的一个典型范例” ，节能技术，1995年第3期
[2]G.Mornhed T.R.Casten “Innovation in District Heating and Cooling 1984-1994
and Their Economic Impact”,ASHRAE Transaction 1995.
[3]张强 陈君燕 “区域冷热联供系统能耗估算方法研究” 全国暖通空调制冷1998年学术文
集，p.372~377，中国建筑工业出版社1998.10
[4] Е·Я·索柯洛夫 “热化与热力网” ，机械工业出版社 1988.9
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