冷热电联供系统的研究热点概述

第８卷第６期

２Ｏ０

制冷与空调

ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴｌ０ＮＡＮＤＡＩＲ—ＣｏＮＤＩＴＩｏＮＩＮＧ

卜９

８年１２月

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冷热电联供系统的研究热点概述

李胜

吴静怡

王如竹

（上海交通大学）

摘要就冷热电联供系统研究中的设备选型、系统能量管理、评价准则和分析方法以及新技术在冷热电联供系统中的应用这４个方面的研究热点进行概述。设备选型和系统能量管理是影响联供系统经济性和可行性的决定因素，是冷热电联供系统研究的重点问题；各种评价准则和分析方法具有各自不同的适用场合，发展出一套统一的评价分析体系是今后的研究趋势；随着各种新技术在冷热电联供系统中的应用，诞生了许多新型的冷热电联供系统，这将是今后冷热电联供系统研究的方向。关键词

冷热电联供设备选型

能量管理评价准则

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ＣＣＨＰ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎ

随着能源危机的日益严重以及世界各国对环保问题的日益关注，“节能和环保”已成为当今世界能源技术发展的主题。作为一种有效的节能技术，同时也是世界第二代能源技术发展的重要方向之一，冷热电联供（ＣＣＨＰ）在世界范围内受到了广泛的重视［１］。

冷热电联供（ＣＣＨＰ）由热电联供（ＣＨＰ）衍生而来，后者已有１００多年的历史，技术发展已相当成熟［２］。热电联供系统是将发电循环的余热直接回收用于供热以提高能源的使用效率。热电联供在２０世纪初已经进入实际应用阶段，当时世界上

＊教育部科学技术研究重大项目（３０６００４）．收稿日期：２００８—０４—１６

通讯作者：吴静怡，Ｅｍａｉｌ：ｊｙｗｕ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｅｎ

主要的发电手段是燃煤锅炉驱动蒸汽透平发电装置，当时的美国已经有５８％的电厂将透平乏汽的热量回收利用。由于机组的热电负荷相互牵制，特别在夏季，机组负荷处于高峰而热负荷却偏低，这给机组的运行调节带来困难，同时也降低了系统的经济性。为了解决此问题，研究者们在热电联供的基础上增加余热制冷系统，发展冷热电联供。冷热电联供系统同时提供冷、热、电３种能量，将能源利用效率从普通热电效率的４０％提高到７０％～９０％，同时具有节能减排、能量梯级利用、缓解电网压力等多方面优点口４］。

制冷与空调

第８卷

目前，世界范围内有关冷热电联供的研究与应用，美国、日本和欧洲等都起步较早且发展非常迅速，而我国的冷热电联供的研究才刚刚起步口］。国内外有关冷热电联供的研究工作，主要集中在设备选型、系统能量管理、评价和分析方法以及新技术在冷热电联供中的应用这４个方面。１冷热电联供系统设备选型研究

对于不同的应用场合，冷热电联供系统的部件选择和各部件的配置方式有很大不同，主要取决于具体场合的能量需求结构。然而，无论哪种系统配置模式，都包括发电、制冷及供热等主要装置，如图１所示。在冷热电联供系统的各组成部件中，发电机组和制冷设备占系统初投资的份额最大，是决定系统经济性的主要因素。不同的发电设备将决定联供系统的发电效率、余热品位与系统的连接方式。不同的制冷设备将决定联供系统的热能消耗与冷量输出规律。在对冷热电联供系统进行配置时，如何根据用户的冷、热、电需求选择合适的发电与制冷设备，对于满足联供系统的经济性和环境保护的要求非常重要，也是决定联供系统成功与否的关键。设备选型不佳将直接导致联供系统经济性下降，甚至出现经济性为负的情况。比较典型的例子有，上海黄浦区中心医院冷热电联供系统【３一引，由于对实际应用场合的负荷情况没有很好地评估，致使设备选型容量过大，

表１

图１

典型冷热电联供系统配置示慝图

系统长期处于４０％负荷的运行状态，最高用电负荷也仅为额定发电量的５３％，系统运行费用巨大，现在已经处于停用整改状态。因此，设备选型对于系统的经济性和可行性至关重要，是冷热电联供研究的一个热点。

１．１发电设备（原动机）的选择

应用于冷热电联供的发电设备（原动机）主要有蒸汽透平、燃气轮机、内燃机、斯特林机（燃气热气机、外燃机）和燃料电池等。Ｄ．ｗ．ｗｕ等［２１对有关以上几种原动机的大量文献进行了综述性研究，并概括叙述了各种原动机的特点。表１在所述及文献的基础上对以上几种原动机在联供系统中的适用范围、优缺点和技术的发展趋势等进行了归纳总结。

各种发电设备（原动机）的特点

由表１可以看出，对于１ＭＷ以上的大型冷热电联供系统，在发电设备的选择上以燃气轮机较为合适；对于１ＭＷ以下的小型冷热电联供系统，选择内燃机较为合适；而对于家用微型冷热电联供系统（２０ｋＷ以下），则可以选择斯特林机和燃料电池。事实上，小型内燃机也可作为家用微型冷

热电联供系统的发电设备，且更为合适。Ｄｅｎｔｉｃｅ等［８］在研究报告中指出，内燃机、燃料电池和斯特林机都可以作为微型冷热电联供系统的发电设备，但是，由于目前燃料电池和斯特林机的价格相对较高，因而不利于微型联供系统的推广与普及。而内燃发电机组技术成熟，价格低廉，发电效率

第６期

李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

高，是国家鼓励发展的动力机械【９］。孔祥强ｒ３］比较了燃气轮机和燃气内燃机２种发电设备的适用范围，指出，燃料价格和电价对经济性影响较大；在目前燃料价格和电价条件下，内燃机在发电功率较小的场合（小于３

５００

ｋＷ），经济性较好；而燃气

轮机在发电功率较大的场合（大于４

５００

ｋＷ），经

济性较好。在设备容量的选择上，Ｃａｒｄｏｎａ等ｎｏ］提出了一种用于联供系统设备选型的方法：在ＣＣＨＰ系统的原动机选型上，其最佳容量应为用户热需求峰值的４８％。１．２热驱动制冷设备的选择

热驱动制冷设备不如原动机种类繁多，主要是吸收式制冷机和吸附式制冷机２种，且两者的适用范围区分明显。吸收式制冷机已形成产业化，并具有较大规模。吸收式制冷机由于本身的容量限制（一般在１００ｋＷ以上），且其体积难以小型化，因此一般适用于大中型冷热电联供系统，且驱动热源温度较高。吸收式制冷机按工作介质不同分为溴化锂吸收式制冷机和氨水吸收式制冷机２种，前者与后者相比，具有热效率高、工作压力低、不需要精馏、结构紧凑等优点。目前大型联供系统采用溴化锂吸收式制冷机作为余热利用机组。吸附式制冷机适用于小型或微型冷热电联供系统，可采用低品位余热驱动（驱动温度低至６０℃），如太阳能、内燃机缸套水等，并且是一种环境友好型制冷方式。然而，吸附式制冷机现在大多还处于实验室阶段，尽管已开始商业化，但只有少量供应商可以提供产品。

在容量选择上，王明辉［１１］提出采用最佳冷化系数对建筑楼宇冷热电联供系统进行设备选型，指出该方法可使目前ＣＣＨＰ中制冷机组选型普遍偏大的问题得到改善，并结合实例给出了论证。Ｃａｒｄｏｎａ等［１们指出，热驱动制冷设备的最佳容量应为用户冷需求峰值的７０％。２冷热电联供系统能量管理研究

冷热电联供系统作为一种多联供总能系统，主要是将发电过程中产生的余热加以回收和利用。冷热电联供系统的能量管理直接以发电过程中热能利用的最大化为目标，以发电机组发电过程中产生的余热为热源，以不同类型的实际热用户作为系统的热汇，因此又把冷热电联供系统的能量管理称为热管理。冷热电联供系统主要应用于建筑能源领域，而建筑能源需求中的冷、热、电３

种能量的需求通常都随季节、气象条件和时间的变化而变化，因此大多数情况下冷热电联供系统处于变工况运行状态。研究表明，冷热电联供系统在降负荷运行时，各子系统性能均有所下降；联供系统的性能随负荷的降低不断下降，而且下降速度不断增加；当负荷降低到一定程度后，联供系统性能已不如参照系统。由于工况的变化对联供系统的性能影响很大，甚至在较差的运行工况和负荷条件下，联供系统不但不节能，反而更加耗能。因此，对冷热电联供系统在各种运行工况下的最优化运行研究是十分必要的，即研究冷热电联供系统的变工况能量管理策略，这已成为一个十分重要的研究热点。

国内外关于冷热电联供系统能量管理的研究很多，主要分为数学模型优化分析法和热力学分析法２种。对于数学模型优化分析法，目前联供系统最优化模型基本上是采用线性规划或混合整数线性规划对联供系统进行建模。Ｍａｉｆｒｅｄｉ等［１２３认为采用线性最优化模型对热电联供系统的热管理进行指导是可行的，模型主要集中于能源管理，但模型中设备效率设为定值。Ｌｅｅ等ｎ３］针对冷热电联供系统的优化运行，提出了“能量流”的概念，将优化系统的运行归结为对“能量流”的优化，并基于燃气轮机的冷热电联供系统，采用模糊算法指导系统的能量管理。Ｂｅｎｏｎｙｓｓｏｎ［ｔ４］对区域热电联供系统采用混合整数线性最优化模型进行分析，模型是以能量运行成本最低为优化目标函数，对影响系统热管理的经济性因子进行灵敏度分析。在国内，江亿等Ｌ１５３对带有蓄能装置的冷热电联供系统进行了热管理研究，给出了该系统优化运行的数学模型和相应的动态规划解法。张万坤Ｌ１６３建立了基于燃气轮机和余热吸收式制冷机的冷热电联供系统的通用数学模型。并结合实际建筑物负荷需求变化给出了联供系统在此应用场合的最优能量管理策略。任禾盛ｎ７３对具有余热锅炉的微型燃气轮机热电联供系统，采用二次规划数学方法，对系统进行热力优化。

对于热力学分析法，Ｈｕｂｅｒｔ等ｎ８］对基于质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）冷热电联供系统的热管理系统进行了探讨。Ｃｏｌｅｌ｜ａ［１叩针对基于燃料电池的冷热电联供系统，首次提出了通过构建热管理子系统的方法对整个联供系统的热能进行综合管理。在国内，刘凤强乜ｏ］基于燃气轮机和余热锅炉

制冷与空调第８卷

的楼宇冷热电联供系统，充分考虑换热器的换热面积、效率及其经济性，并结合系统的变工况特性，对系统能量调配方面给出了指导性的建议。张颖颖Ⅲ３对基于６０ｋＷ质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）热电联供系统的热管理进行了分析，分析系统中各股流体的流量、温度以及相互连接形式对系统控制以及能耗的影响。蒋毅［２２１从技术经济的层面应用会计模式热经济学理论，综合应用工程经济学、系统工程学及最优化学，对系统中的热流、炯流和现金流等进行了优化分析。３冷热电联供系统评价和分析方法的研究

为了确定不同系统的优劣，指导和优化系统的设计及选择，需要对系统进行评价。国内外关于冷热电联供系统的研究文献中，大部分都是关于系统的构建和对已有系统进行评价和分析，这是ＣＣＨＰ研究中的一个热点。

Ｓｉｌｖｅｉｒａ等Ｌ２３］对基于熔融碳酸盐燃料电池的联供系统进行了能量分析和经济性分析，能量分析采用总能效率和炯效率，指出系统总能效率和炯效率分别为８６％和４２％，经济性分析采用年收益和投资回报期的分析方法，指出初投资为１０００～

１

５００美元／千瓦在经济上是可行的。Ｇｏｒｓｅｋ

等【２们采用净现值、投资回收期及年耗费等分析方法对基于蒸汽轮机的联供系统进行了分析，指出联供系统相对于传统单产系统具有明显的经济优势。Ｂｉｅｚｍａ等心５１对１５种评价联供系统经济性的准则进行了评估，指出各种项目评价方法的局限性。另外，还指出，尽管可用的评价方法很多，但实际上决定一个项目可行与否就只需净现值（ＮＰＶ）、内部回收速率（ＩＲＲ）和投资回收期（ＰＰ）３种。吕静等心６１对燃料消耗量、发电效率、总能利用效率、系统效率、经济效率等常用的联供系统经济性评价指标进行了评述，认为以燃料消耗量、系统效率和经济效率３个标准来综合评价比较适宜，三者的结合可以较完善地反映冷热电联供的能量利用和经济性问题。冯志兵等乜７］对能量利用系数、炯效率、折合发电效率、节能率、经济炯效率等几种常用的评价准则进行比较，分析认为，能量利用系数将冷、热、电等各股能量等价看待，炯效率过分看重能量的作功能力，折合发电效率过分关注冷、热能的输出，均不适于冷热电联供系统的评价；节能率反映的是输入能量的使用情况，经济炯效率在某种程度上是经济性

的表现，比较适于冷热电联供系统的评价。贾明生等乜胡分析了一次能源消耗率、发电煤耗、燃料节约量、当量热力系数、炯效率等主要评价模型，指出每一个评价模型都有其局限性，对一个具体项目，采用一次能源消耗率、发电煤耗和炯效率３种指标进行评价比较全面。皇甫艺等［２叼提出了一种考虑工程多方面属性的综合评价方法，称为“混合灰色关联多层次综合评价法”。该方法综合了几种常用评价方法的优点，建立评价冷热电联供系统的综合评价模型。

从以上研究情况可以看出，对于冷热电联供的评价指标和分析方法众多，有些评价指标甚至相互矛盾，不同的研究者所倡导的评价指标和分析方法往往不尽相同。因此，制定出一套统一的评价分析体系将是今后的研究趋势。４新技术在冷热电联供系统中的应用

４．１可再生能源技术在冷热电联供系统中的应用

目前，环保问题在世界范围内受到了前所未有的重视。采用传统能源供应的冷热电联供系统，虽然可以起到节能减排的作用，但只能减轻对环境的污染，还是不能从根本上实现零排放。因此，在此基础上，研究者们又提出了以可再生能源如太阳能、生物质能、氢能为基础的冷热电联供系统，这也成为当前和今后的研究热点和趋势。

苏亚欣等口０］介绍了一种典型的太阳能热动力冷热电联供系统，如图２所示。系统利用太阳能集热器驱动闭式Ｂｒａｙｔｏｎ循环，完成发电之后废热温度高达４５０Ｋ。利用一个气一气换热器加热送风系统的空气，可以直接作为热源。在寒冷季节通过管路和散热器进行供热，或者利用气一水换热器加热供水，进行热水供暖或者供热水。在炎热季节，则可以利用这部分余热驱动制冷系统供冷。另一种基于太阳能的冷热电联供是以太阳能电池为原动设备，产生的电能驱动传统压缩式制冷或热泵可以完成冷、热与发电的联供循环。然而，由于太阳能间歇性的特点，为了保证系统在阴雨天和夜间仍能够正常使用，必须配备蓄电池系统，这大大增加了成本。因此此种形式的太阳能冷热电联供系统的实用价值有限，只在一些理论分析中有所涉及。目前太阳能驱动冷热电联供仍属于探索阶段。成本、系统稳定性及效率等诸多问题限制了该系统的实际应用。

第６期李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

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图４基于质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）的热电联供系统‘“１

李新禹等［３妇通过对生物质技术和冷热电联供两者工作原理进行对比，分析了生物质作为一次能源用于冷热电联供系统的可行性和存在的问题。孟薇ｂ２１分析了黑龙江省生物质能热电综合利用的前景，指出了存在的问题。赵廷林等ｂ３１提出了一种生物质能吸收式制冷系统，并通过实验研

究验证了其可行性，系统示意图如图３所示。工作时生物质成型燃料炉具产生的蒸汽经管道传输到制冷系统的发生器，通过包裹在发生器外面的冷凝器，冷凝放热将热量传给制冷系统。目前，生物质能开发利用的规模还不大，科学技术水平还不高，能源转换效率低，产业化薄弱，商品化的程度

制冷与空调第８卷

也很低。不少国家还没有把生物质能的开发利用放在应有的地位，没有纳入国家的能源建设计划，投入不足，缺乏一整套鼓励、扶持、推广的政策法规，这些都是有待解决的问题。

意大利的Ｇｉｇｌｉｕｃｃｉ等［３们建立了世界上首例基于质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）的热电联供系统，如图４所示。该系统的建立，旨在验证ＰＥＭ—ＦＣ热电联供系统的可行性，对系统的测试表明，系统符合“概念性样机”的预期要求。Ｃｏｌｅｌｌａ［１叼研究了采用燃料电池的热电联供系统，并建立了发电量为４ｋＷ的实验样机。目前已有的几种燃料电池中，磷酸燃料电池（ＰＡＦＣ）是目前技术最成熟、商业化程度最高的民用燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）、固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）和质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）是最有希望的商业化的燃料电池。然而，如表１所述，燃料电池

目前整体上还存在技术不成熟、成本高、商业化程度低、工程风险高等缺点，其在冷热电联供系统中的广泛应用有待于技术的突破和成本的降低。４．２冷热电联供的微型化研究

近年来ＣＣＨＰ系统逐渐朝小型化、微型化、民用化方向发展㈨，诞生了微型冷热电联供系统

（ＭｉｃｒｏＣＣＨＰ）。Ｆｒｏｓｔ＆Ｓｕｌｌｉｖａｎ公司的报告

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型联供系统定义为发电容量低于２０ｋＷ的联供系统，微型联供系统应已满足家用作为参照。Ｐｅａ－ｃｏｃｋ等［３６３的报告指出，微型热电联供系统引入英国家庭，每年可减少９％～１６％的Ｃ０：排放量。在欧洲，微型联供系统已逐渐走人市场，显示出了较强的商业潜力。图５给出了微型联供系统在欧洲各国的市场潜力［８］，德国、英国和荷兰位列前３位。

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豳５微型联供系统２００６年在欧洲各国的销售情况‘‘１

负荷工作特性以及在各个模式切换过程中系统的

热力非稳态特性。Ｍｉｇｕｅｚ等［３８驯研究了基于燃气

内燃机的微型家用热电联供和热泵复合系统（图７），为了适应全年工况变化，该系统设置了备用模式（ＳＢ）、发电模式（ＥＧ）、联供模式（ＣＧ）、夏季热泵模式（ＨＰＳ）、冬季热泵模式（ＨＰＷ）５种运行模式，系统变工况特性通过蓄热、蓄电实现。研究指出，未来要降低成本，需要对蓄能设备进行优化，减小其容量。Ｄｅｎｔｉｃｅ等№３针对微型冷热电联供系统中发动／发电机的选择、系统的经济性等方面作了详

图６

Ｓｍｉｔｈ等建立的家用微型冷热电联供系统与热泵联合运行的概念性样机流程图［”３

细的探讨，并建立了面向家庭和小型商业用途的微型热电联供系统（图８）。皇甫艺等【９３建立了基于燃气内燃机和吸附式制冷机的可移动式微型冷热电联供系统（图９）。该系统可以提供最大１６ｋｗ发电量，３５ｋＷ供热量和１０ｋｗ供冷量。系

近来，对于微型联供系统的研究，在全球范围内都比较活跃，但研究大多仅处于验证性阶段。Ｓｍｉｔｈ等ｍ３建立了家用规模的微型冷热电联供系统与热泵联合运行的概念性样机，流程如图６所示，他们指出，未来研究工作之一就是确定系统变

统中引入了一个新型换热设备——热管理器，该

设备的引入解决了内燃机缸套水温度随负荷变化而剧烈波动的问题。

第６期李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

图７

Ｍｉｇｕｅｚ等研究的基于燃气内燃机驱动热泵的微型冷热电联供系统［”１

图８Ｄｅｎｔｉｃｅ等建立的面向家庭和小型商业用途的微型热电联供系统嘲

图９皇甫艺等建立的基于燃气内燃机和吸附式

制冷机的微型可移动式冷热电系统【’１

４．３热管技术在冷热电联供系统中的应用

热管是一种依据相变传热原理工作的高效传热元件，其种类和形式很多，已经得到了广泛的应

用。近年来，热管技术不断地被应用到冷热电联供系统中。

Ｌａｍｆｏｎ等¨叩将热管换热器用于基于燃气轮机的冷热电联供系统，回收烟气余热，并用于加热燃气轮机进口空气，使得燃气轮机的发电效率得到提高。Ｐａｎｏｐｏｕｌｏｓ［４１］对基于固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）的热电联供系统，设计了热管式生物气化重整炉，实现向ｓｏＦＣ提供燃料反映气体和电池堆冷却的作用，并将系统的体积大大缩小。Ｒｉｆｆａｔ等“２３提出了集成式太阳能热电联供系统的概念，并采用热管技术实现对余热的回收。在国内，黄显飞“３１将热管换热器用于燃气发动机驱动的冷热电联供系统，用于回收发动机烟气的余热，经热管换热器后的烟气温度为１１０℃。李旭ｒ４４］对

热电联供系统的烟气进行余热回收，用于加热水。系统中采用分离热管技术，在保证高效传热的前提下，使得热源的热量可以远距离向热汇输送。

皇甫艺和ＬｉＳ等［９’４明基于气控热管技术提出了热管理器的概念，构建了实验和工程样机，并运用到基于燃气内燃机的可移动式微型冷热电联供系统中。该热管理器在联供系统中起到热管理平台的作用，同时实现热源温度控制和系统热管理的功能，具有结构紧凑、接口灵活、控制简单、部件集成等优点。图１０为热管理器的原理和结构示意图Ｌ４引。当热量输入段从热源吸收热量后，工质液体沸腾蒸发，产生的蒸汽上升至热量输出段并在

换热管上冷凝，冷凝液在重力作用下返回工质液池。工质蒸汽与不凝气之间的相互作用达到动态平衡，两者之间形成一个分界面，将热量输出段分成２个区域。在蒸汽覆盖区，工质蒸汽有效凝结换热；在不凝气阻隔区，凝结换热几乎被完全抑制。工况变化时，热管理器通过分界面的移动来改变热量输出段有效传热面积，使得热量输人输出相匹配。当贮气室容积足够大时，腔体内工作压力波动很小，饱和的工质液池温度几乎不变，从而控制热源温度。当热源负荷及用热对象用热状况发生变化时，将会造成交界面的移动，热管理器会自动调整向各个用热对象的热量输出。交界面起到

的是“热开关”的作用。５结论

冷热电联供技术具有提高能源综合利用率、实现能源梯级利用的优点，是缓解当今世界能源

危机和环保问题的一种有效途径，在世界范围内

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制冷与空调

第８卷

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图ｌＯ热管理器原理和结构示意图‘”１

受到了广泛的重视，成为能源类技术领域研究中的一个热点。根据侧重点的不同，对冷热电联供系统的研究也细化到各个不同的研究方面。笔者就冷热电联供研究中的设备选型、系统能量管理、评价和分析方法以及新技术在冷热电联供系统中的应用这４个方面的研究热点进行了概述，结论如下：

１）冷热电联供系统的设备选型着重于系统构建的初始阶段，对于系统经济性和可行性起到至关重要的作用，现在可供选择的原动机和制冷设备均较多，各自具有一定的适用范围，在选型时应以能源价格情况作为参考。发展通用设备选型和优化匹配理论是当前的研究重点。

２）冷热电联供系统的能量管理着重于系统的运行阶段，其目的是找到系统优化运行的最佳方案，以提高系统性能。基于能量管理的系统变工况控制研究，是冷热电联供系统研究的一个重要方向。

３）冷热电联供系统评价和分析方法的研究是对已有的系统进行评价，以验证系统的可行性和经济性，并找到系统进一步改进的方法，各种评价指标和分析方法很多且都具有各自不同的适用场合，开发出一套统一的评价分析体系是今后的研究趋势。

４）各种新技术在冷热电联供系统中的应用研究现在十分活跃，然而大多数还处于探索阶段，许多关键问题需要解决，是今后冷热电联供系统研究的方向。

参考文献

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ｃｏｍｐｌｅｘｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

ｓｔｏｒａｇｅ／／３５ｔｈＩｎｔｅｒｓｏｃｉｅｔｙＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔ，ＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎｏｆＴｅｃｈ—

第６期

李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

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ａ

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ｈｅａｔｐｕｍｐ：ＩＩ．Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒ—

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ｃｏｍｂｉｎｅｄ

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ｔｕｒｂｉｎｅｅｎｇｉｎｅａｎｄｈｅａｔｐｉｐｅ

ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔ

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ＭＣ）ｅｍｐｌｏｙｅｄ

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ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｅｎｅｒｇｙ

Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄ

Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔ２００７，４８：３０７４－３０８３．

第８卷第６期

２Ｏ０

制冷与空调

ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴｌ０ＮＡＮＤＡＩＲ—ＣｏＮＤＩＴＩｏＮＩＮＧ

卜９

８年１２月

＊

冷热电联供系统的研究热点概述

李胜

吴静怡

王如竹

（上海交通大学）

摘要就冷热电联供系统研究中的设备选型、系统能量管理、评价准则和分析方法以及新技术在冷热电联供系统中的应用这４个方面的研究热点进行概述。设备选型和系统能量管理是影响联供系统经济性和可行性的决定因素，是冷热电联供系统研究的重点问题；各种评价准则和分析方法具有各自不同的适用场合，发展出一套统一的评价分析体系是今后的研究趋势；随着各种新技术在冷热电联供系统中的应用，诞生了许多新型的冷热电联供系统，这将是今后冷热电联供系统研究的方向。关键词

冷热电联供设备选型

能量管理评价准则

ｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｃｏｏｌｉｎｇ，

Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｓ

ｏｎ

ｈｅａｔｉｎｇａｎｄｐｏｗｅｒ（ＣＣＨＰ）ｓｙｓｔｅｍ

ＬｉＳｈｅｎｇ

ＷｕＪｉｎｇｙｉ

Ｗａｎｇ

Ｒｕｚｈｕ

（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴＰｒｅｓｅｎｔｓ

ａ

ｓｕｍｍａｒｙｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｓ

ｏｎ

ｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｃｏｏｌｉｎｇ，ｈｅａｔｉｎｇ

ａｎｄｐｏｗｅｒ（ＣＣＨＰ）ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅ—

ｍｅｎｔ，ｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ

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ｔｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｐｐｌｉｅｄ

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ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔｓ

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ｔｈｅｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＣＣＨＰ，ｗｈｉｃｈ

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ＣＣＨＰｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓｆｅｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｕｓｉｔｉｓｙｓｉｓ

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ｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｒｅｎｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐ

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ｓｙｓｔｅｍ．ＷｉｔｈＷＯＲＤＳ

ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｍａｎｙｎｏｖｅｌＣＣＨＰｓｙｓｔｅｍｓ

ｈａｖｅｂｅｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＣＣＨＰｓｙｓｔｅｍ．ＫＥＹ

ＣＣＨＰ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎ

随着能源危机的日益严重以及世界各国对环保问题的日益关注，“节能和环保”已成为当今世界能源技术发展的主题。作为一种有效的节能技术，同时也是世界第二代能源技术发展的重要方向之一，冷热电联供（ＣＣＨＰ）在世界范围内受到了广泛的重视［１］。

冷热电联供（ＣＣＨＰ）由热电联供（ＣＨＰ）衍生而来，后者已有１００多年的历史，技术发展已相当成熟［２］。热电联供系统是将发电循环的余热直接回收用于供热以提高能源的使用效率。热电联供在２０世纪初已经进入实际应用阶段，当时世界上

＊教育部科学技术研究重大项目（３０６００４）．收稿日期：２００８—０４—１６

通讯作者：吴静怡，Ｅｍａｉｌ：ｊｙｗｕ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｅｎ

主要的发电手段是燃煤锅炉驱动蒸汽透平发电装置，当时的美国已经有５８％的电厂将透平乏汽的热量回收利用。由于机组的热电负荷相互牵制，特别在夏季，机组负荷处于高峰而热负荷却偏低，这给机组的运行调节带来困难，同时也降低了系统的经济性。为了解决此问题，研究者们在热电联供的基础上增加余热制冷系统，发展冷热电联供。冷热电联供系统同时提供冷、热、电３种能量，将能源利用效率从普通热电效率的４０％提高到７０％～９０％，同时具有节能减排、能量梯级利用、缓解电网压力等多方面优点口４］。

制冷与空调

第８卷

目前，世界范围内有关冷热电联供的研究与应用，美国、日本和欧洲等都起步较早且发展非常迅速，而我国的冷热电联供的研究才刚刚起步口］。国内外有关冷热电联供的研究工作，主要集中在设备选型、系统能量管理、评价和分析方法以及新技术在冷热电联供中的应用这４个方面。１冷热电联供系统设备选型研究

对于不同的应用场合，冷热电联供系统的部件选择和各部件的配置方式有很大不同，主要取决于具体场合的能量需求结构。然而，无论哪种系统配置模式，都包括发电、制冷及供热等主要装置，如图１所示。在冷热电联供系统的各组成部件中，发电机组和制冷设备占系统初投资的份额最大，是决定系统经济性的主要因素。不同的发电设备将决定联供系统的发电效率、余热品位与系统的连接方式。不同的制冷设备将决定联供系统的热能消耗与冷量输出规律。在对冷热电联供系统进行配置时，如何根据用户的冷、热、电需求选择合适的发电与制冷设备，对于满足联供系统的经济性和环境保护的要求非常重要，也是决定联供系统成功与否的关键。设备选型不佳将直接导致联供系统经济性下降，甚至出现经济性为负的情况。比较典型的例子有，上海黄浦区中心医院冷热电联供系统【３一引，由于对实际应用场合的负荷情况没有很好地评估，致使设备选型容量过大，

表１

图１

典型冷热电联供系统配置示慝图

系统长期处于４０％负荷的运行状态，最高用电负荷也仅为额定发电量的５３％，系统运行费用巨大，现在已经处于停用整改状态。因此，设备选型对于系统的经济性和可行性至关重要，是冷热电联供研究的一个热点。

１．１发电设备（原动机）的选择

应用于冷热电联供的发电设备（原动机）主要有蒸汽透平、燃气轮机、内燃机、斯特林机（燃气热气机、外燃机）和燃料电池等。Ｄ．ｗ．ｗｕ等［２１对有关以上几种原动机的大量文献进行了综述性研究，并概括叙述了各种原动机的特点。表１在所述及文献的基础上对以上几种原动机在联供系统中的适用范围、优缺点和技术的发展趋势等进行了归纳总结。

各种发电设备（原动机）的特点

由表１可以看出，对于１ＭＷ以上的大型冷热电联供系统，在发电设备的选择上以燃气轮机较为合适；对于１ＭＷ以下的小型冷热电联供系统，选择内燃机较为合适；而对于家用微型冷热电联供系统（２０ｋＷ以下），则可以选择斯特林机和燃料电池。事实上，小型内燃机也可作为家用微型冷

热电联供系统的发电设备，且更为合适。Ｄｅｎｔｉｃｅ等［８］在研究报告中指出，内燃机、燃料电池和斯特林机都可以作为微型冷热电联供系统的发电设备，但是，由于目前燃料电池和斯特林机的价格相对较高，因而不利于微型联供系统的推广与普及。而内燃发电机组技术成熟，价格低廉，发电效率

第６期

李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

高，是国家鼓励发展的动力机械【９］。孔祥强ｒ３］比较了燃气轮机和燃气内燃机２种发电设备的适用范围，指出，燃料价格和电价对经济性影响较大；在目前燃料价格和电价条件下，内燃机在发电功率较小的场合（小于３

５００

ｋＷ），经济性较好；而燃气

轮机在发电功率较大的场合（大于４

５００

ｋＷ），经

济性较好。在设备容量的选择上，Ｃａｒｄｏｎａ等ｎｏ］提出了一种用于联供系统设备选型的方法：在ＣＣＨＰ系统的原动机选型上，其最佳容量应为用户热需求峰值的４８％。１．２热驱动制冷设备的选择

热驱动制冷设备不如原动机种类繁多，主要是吸收式制冷机和吸附式制冷机２种，且两者的适用范围区分明显。吸收式制冷机已形成产业化，并具有较大规模。吸收式制冷机由于本身的容量限制（一般在１００ｋＷ以上），且其体积难以小型化，因此一般适用于大中型冷热电联供系统，且驱动热源温度较高。吸收式制冷机按工作介质不同分为溴化锂吸收式制冷机和氨水吸收式制冷机２种，前者与后者相比，具有热效率高、工作压力低、不需要精馏、结构紧凑等优点。目前大型联供系统采用溴化锂吸收式制冷机作为余热利用机组。吸附式制冷机适用于小型或微型冷热电联供系统，可采用低品位余热驱动（驱动温度低至６０℃），如太阳能、内燃机缸套水等，并且是一种环境友好型制冷方式。然而，吸附式制冷机现在大多还处于实验室阶段，尽管已开始商业化，但只有少量供应商可以提供产品。

在容量选择上，王明辉［１１］提出采用最佳冷化系数对建筑楼宇冷热电联供系统进行设备选型，指出该方法可使目前ＣＣＨＰ中制冷机组选型普遍偏大的问题得到改善，并结合实例给出了论证。Ｃａｒｄｏｎａ等［１们指出，热驱动制冷设备的最佳容量应为用户冷需求峰值的７０％。２冷热电联供系统能量管理研究

冷热电联供系统作为一种多联供总能系统，主要是将发电过程中产生的余热加以回收和利用。冷热电联供系统的能量管理直接以发电过程中热能利用的最大化为目标，以发电机组发电过程中产生的余热为热源，以不同类型的实际热用户作为系统的热汇，因此又把冷热电联供系统的能量管理称为热管理。冷热电联供系统主要应用于建筑能源领域，而建筑能源需求中的冷、热、电３

种能量的需求通常都随季节、气象条件和时间的变化而变化，因此大多数情况下冷热电联供系统处于变工况运行状态。研究表明，冷热电联供系统在降负荷运行时，各子系统性能均有所下降；联供系统的性能随负荷的降低不断下降，而且下降速度不断增加；当负荷降低到一定程度后，联供系统性能已不如参照系统。由于工况的变化对联供系统的性能影响很大，甚至在较差的运行工况和负荷条件下，联供系统不但不节能，反而更加耗能。因此，对冷热电联供系统在各种运行工况下的最优化运行研究是十分必要的，即研究冷热电联供系统的变工况能量管理策略，这已成为一个十分重要的研究热点。

国内外关于冷热电联供系统能量管理的研究很多，主要分为数学模型优化分析法和热力学分析法２种。对于数学模型优化分析法，目前联供系统最优化模型基本上是采用线性规划或混合整数线性规划对联供系统进行建模。Ｍａｉｆｒｅｄｉ等［１２３认为采用线性最优化模型对热电联供系统的热管理进行指导是可行的，模型主要集中于能源管理，但模型中设备效率设为定值。Ｌｅｅ等ｎ３］针对冷热电联供系统的优化运行，提出了“能量流”的概念，将优化系统的运行归结为对“能量流”的优化，并基于燃气轮机的冷热电联供系统，采用模糊算法指导系统的能量管理。Ｂｅｎｏｎｙｓｓｏｎ［ｔ４］对区域热电联供系统采用混合整数线性最优化模型进行分析，模型是以能量运行成本最低为优化目标函数，对影响系统热管理的经济性因子进行灵敏度分析。在国内，江亿等Ｌ１５３对带有蓄能装置的冷热电联供系统进行了热管理研究，给出了该系统优化运行的数学模型和相应的动态规划解法。张万坤Ｌ１６３建立了基于燃气轮机和余热吸收式制冷机的冷热电联供系统的通用数学模型。并结合实际建筑物负荷需求变化给出了联供系统在此应用场合的最优能量管理策略。任禾盛ｎ７３对具有余热锅炉的微型燃气轮机热电联供系统，采用二次规划数学方法，对系统进行热力优化。

对于热力学分析法，Ｈｕｂｅｒｔ等ｎ８］对基于质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）冷热电联供系统的热管理系统进行了探讨。Ｃｏｌｅｌ｜ａ［１叩针对基于燃料电池的冷热电联供系统，首次提出了通过构建热管理子系统的方法对整个联供系统的热能进行综合管理。在国内，刘凤强乜ｏ］基于燃气轮机和余热锅炉

制冷与空调第８卷

的楼宇冷热电联供系统，充分考虑换热器的换热面积、效率及其经济性，并结合系统的变工况特性，对系统能量调配方面给出了指导性的建议。张颖颖Ⅲ３对基于６０ｋＷ质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）热电联供系统的热管理进行了分析，分析系统中各股流体的流量、温度以及相互连接形式对系统控制以及能耗的影响。蒋毅［２２１从技术经济的层面应用会计模式热经济学理论，综合应用工程经济学、系统工程学及最优化学，对系统中的热流、炯流和现金流等进行了优化分析。３冷热电联供系统评价和分析方法的研究

为了确定不同系统的优劣，指导和优化系统的设计及选择，需要对系统进行评价。国内外关于冷热电联供系统的研究文献中，大部分都是关于系统的构建和对已有系统进行评价和分析，这是ＣＣＨＰ研究中的一个热点。

Ｓｉｌｖｅｉｒａ等Ｌ２３］对基于熔融碳酸盐燃料电池的联供系统进行了能量分析和经济性分析，能量分析采用总能效率和炯效率，指出系统总能效率和炯效率分别为８６％和４２％，经济性分析采用年收益和投资回报期的分析方法，指出初投资为１０００～

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５００美元／千瓦在经济上是可行的。Ｇｏｒｓｅｋ

等【２们采用净现值、投资回收期及年耗费等分析方法对基于蒸汽轮机的联供系统进行了分析，指出联供系统相对于传统单产系统具有明显的经济优势。Ｂｉｅｚｍａ等心５１对１５种评价联供系统经济性的准则进行了评估，指出各种项目评价方法的局限性。另外，还指出，尽管可用的评价方法很多，但实际上决定一个项目可行与否就只需净现值（ＮＰＶ）、内部回收速率（ＩＲＲ）和投资回收期（ＰＰ）３种。吕静等心６１对燃料消耗量、发电效率、总能利用效率、系统效率、经济效率等常用的联供系统经济性评价指标进行了评述，认为以燃料消耗量、系统效率和经济效率３个标准来综合评价比较适宜，三者的结合可以较完善地反映冷热电联供的能量利用和经济性问题。冯志兵等乜７］对能量利用系数、炯效率、折合发电效率、节能率、经济炯效率等几种常用的评价准则进行比较，分析认为，能量利用系数将冷、热、电等各股能量等价看待，炯效率过分看重能量的作功能力，折合发电效率过分关注冷、热能的输出，均不适于冷热电联供系统的评价；节能率反映的是输入能量的使用情况，经济炯效率在某种程度上是经济性

的表现，比较适于冷热电联供系统的评价。贾明生等乜胡分析了一次能源消耗率、发电煤耗、燃料节约量、当量热力系数、炯效率等主要评价模型，指出每一个评价模型都有其局限性，对一个具体项目，采用一次能源消耗率、发电煤耗和炯效率３种指标进行评价比较全面。皇甫艺等［２叼提出了一种考虑工程多方面属性的综合评价方法，称为“混合灰色关联多层次综合评价法”。该方法综合了几种常用评价方法的优点，建立评价冷热电联供系统的综合评价模型。

从以上研究情况可以看出，对于冷热电联供的评价指标和分析方法众多，有些评价指标甚至相互矛盾，不同的研究者所倡导的评价指标和分析方法往往不尽相同。因此，制定出一套统一的评价分析体系将是今后的研究趋势。４新技术在冷热电联供系统中的应用

４．１可再生能源技术在冷热电联供系统中的应用

目前，环保问题在世界范围内受到了前所未有的重视。采用传统能源供应的冷热电联供系统，虽然可以起到节能减排的作用，但只能减轻对环境的污染，还是不能从根本上实现零排放。因此，在此基础上，研究者们又提出了以可再生能源如太阳能、生物质能、氢能为基础的冷热电联供系统，这也成为当前和今后的研究热点和趋势。

苏亚欣等口０］介绍了一种典型的太阳能热动力冷热电联供系统，如图２所示。系统利用太阳能集热器驱动闭式Ｂｒａｙｔｏｎ循环，完成发电之后废热温度高达４５０Ｋ。利用一个气一气换热器加热送风系统的空气，可以直接作为热源。在寒冷季节通过管路和散热器进行供热，或者利用气一水换热器加热供水，进行热水供暖或者供热水。在炎热季节，则可以利用这部分余热驱动制冷系统供冷。另一种基于太阳能的冷热电联供是以太阳能电池为原动设备，产生的电能驱动传统压缩式制冷或热泵可以完成冷、热与发电的联供循环。然而，由于太阳能间歇性的特点，为了保证系统在阴雨天和夜间仍能够正常使用，必须配备蓄电池系统，这大大增加了成本。因此此种形式的太阳能冷热电联供系统的实用价值有限，只在一些理论分析中有所涉及。目前太阳能驱动冷热电联供仍属于探索阶段。成本、系统稳定性及效率等诸多问题限制了该系统的实际应用。

第６期李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

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图２太阳能热动力冷热电联供系统‘”】

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图３生物质能吸收式制冷系统‘”３

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图４基于质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）的热电联供系统‘“１

李新禹等［３妇通过对生物质技术和冷热电联供两者工作原理进行对比，分析了生物质作为一次能源用于冷热电联供系统的可行性和存在的问题。孟薇ｂ２１分析了黑龙江省生物质能热电综合利用的前景，指出了存在的问题。赵廷林等ｂ３１提出了一种生物质能吸收式制冷系统，并通过实验研

究验证了其可行性，系统示意图如图３所示。工作时生物质成型燃料炉具产生的蒸汽经管道传输到制冷系统的发生器，通过包裹在发生器外面的冷凝器，冷凝放热将热量传给制冷系统。目前，生物质能开发利用的规模还不大，科学技术水平还不高，能源转换效率低，产业化薄弱，商品化的程度

制冷与空调第８卷

也很低。不少国家还没有把生物质能的开发利用放在应有的地位，没有纳入国家的能源建设计划，投入不足，缺乏一整套鼓励、扶持、推广的政策法规，这些都是有待解决的问题。

意大利的Ｇｉｇｌｉｕｃｃｉ等［３们建立了世界上首例基于质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）的热电联供系统，如图４所示。该系统的建立，旨在验证ＰＥＭ—ＦＣ热电联供系统的可行性，对系统的测试表明，系统符合“概念性样机”的预期要求。Ｃｏｌｅｌｌａ［１叼研究了采用燃料电池的热电联供系统，并建立了发电量为４ｋＷ的实验样机。目前已有的几种燃料电池中，磷酸燃料电池（ＰＡＦＣ）是目前技术最成熟、商业化程度最高的民用燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）、固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）和质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）是最有希望的商业化的燃料电池。然而，如表１所述，燃料电池

目前整体上还存在技术不成熟、成本高、商业化程度低、工程风险高等缺点，其在冷热电联供系统中的广泛应用有待于技术的突破和成本的降低。４．２冷热电联供的微型化研究

近年来ＣＣＨＰ系统逐渐朝小型化、微型化、民用化方向发展㈨，诞生了微型冷热电联供系统

（ＭｉｃｒｏＣＣＨＰ）。Ｆｒｏｓｔ＆Ｓｕｌｌｉｖａｎ公司的报告

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型联供系统定义为发电容量低于２０ｋＷ的联供系统，微型联供系统应已满足家用作为参照。Ｐｅａ－ｃｏｃｋ等［３６３的报告指出，微型热电联供系统引入英国家庭，每年可减少９％～１６％的Ｃ０：排放量。在欧洲，微型联供系统已逐渐走人市场，显示出了较强的商业潜力。图５给出了微型联供系统在欧洲各国的市场潜力［８］，德国、英国和荷兰位列前３位。

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豳５微型联供系统２００６年在欧洲各国的销售情况‘‘１

负荷工作特性以及在各个模式切换过程中系统的

热力非稳态特性。Ｍｉｇｕｅｚ等［３８驯研究了基于燃气

内燃机的微型家用热电联供和热泵复合系统（图７），为了适应全年工况变化，该系统设置了备用模式（ＳＢ）、发电模式（ＥＧ）、联供模式（ＣＧ）、夏季热泵模式（ＨＰＳ）、冬季热泵模式（ＨＰＷ）５种运行模式，系统变工况特性通过蓄热、蓄电实现。研究指出，未来要降低成本，需要对蓄能设备进行优化，减小其容量。Ｄｅｎｔｉｃｅ等№３针对微型冷热电联供系统中发动／发电机的选择、系统的经济性等方面作了详

图６

Ｓｍｉｔｈ等建立的家用微型冷热电联供系统与热泵联合运行的概念性样机流程图［”３

细的探讨，并建立了面向家庭和小型商业用途的微型热电联供系统（图８）。皇甫艺等【９３建立了基于燃气内燃机和吸附式制冷机的可移动式微型冷热电联供系统（图９）。该系统可以提供最大１６ｋｗ发电量，３５ｋＷ供热量和１０ｋｗ供冷量。系

近来，对于微型联供系统的研究，在全球范围内都比较活跃，但研究大多仅处于验证性阶段。Ｓｍｉｔｈ等ｍ３建立了家用规模的微型冷热电联供系统与热泵联合运行的概念性样机，流程如图６所示，他们指出，未来研究工作之一就是确定系统变

统中引入了一个新型换热设备——热管理器，该

设备的引入解决了内燃机缸套水温度随负荷变化而剧烈波动的问题。

第６期李胜等：冷热电联供系统的研究热点概述

图７

Ｍｉｇｕｅｚ等研究的基于燃气内燃机驱动热泵的微型冷热电联供系统［”１

图８Ｄｅｎｔｉｃｅ等建立的面向家庭和小型商业用途的微型热电联供系统嘲

图９皇甫艺等建立的基于燃气内燃机和吸附式

制冷机的微型可移动式冷热电系统【’１

４．３热管技术在冷热电联供系统中的应用

热管是一种依据相变传热原理工作的高效传热元件，其种类和形式很多，已经得到了广泛的应

用。近年来，热管技术不断地被应用到冷热电联供系统中。

Ｌａｍｆｏｎ等¨叩将热管换热器用于基于燃气轮机的冷热电联供系统，回收烟气余热，并用于加热燃气轮机进口空气，使得燃气轮机的发电效率得到提高。Ｐａｎｏｐｏｕｌｏｓ［４１］对基于固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）的热电联供系统，设计了热管式生物气化重整炉，实现向ｓｏＦＣ提供燃料反映气体和电池堆冷却的作用，并将系统的体积大大缩小。Ｒｉｆｆａｔ等“２３提出了集成式太阳能热电联供系统的概念，并采用热管技术实现对余热的回收。在国内，黄显飞“３１将热管换热器用于燃气发动机驱动的冷热电联供系统，用于回收发动机烟气的余热，经热管换热器后的烟气温度为１１０℃。李旭ｒ４４］对

热电联供系统的烟气进行余热回收，用于加热水。系统中采用分离热管技术，在保证高效传热的前提下，使得热源的热量可以远距离向热汇输送。

皇甫艺和ＬｉＳ等［９’４明基于气控热管技术提出了热管理器的概念，构建了实验和工程样机，并运用到基于燃气内燃机的可移动式微型冷热电联供系统中。该热管理器在联供系统中起到热管理平台的作用，同时实现热源温度控制和系统热管理的功能，具有结构紧凑、接口灵活、控制简单、部件集成等优点。图１０为热管理器的原理和结构示意图Ｌ４引。当热量输入段从热源吸收热量后，工质液体沸腾蒸发，产生的蒸汽上升至热量输出段并在

换热管上冷凝，冷凝液在重力作用下返回工质液池。工质蒸汽与不凝气之间的相互作用达到动态平衡，两者之间形成一个分界面，将热量输出段分成２个区域。在蒸汽覆盖区，工质蒸汽有效凝结换热；在不凝气阻隔区，凝结换热几乎被完全抑制。工况变化时，热管理器通过分界面的移动来改变热量输出段有效传热面积，使得热量输人输出相匹配。当贮气室容积足够大时，腔体内工作压力波动很小，饱和的工质液池温度几乎不变，从而控制热源温度。当热源负荷及用热对象用热状况发生变化时，将会造成交界面的移动，热管理器会自动调整向各个用热对象的热量输出。交界面起到

的是“热开关”的作用。５结论

冷热电联供技术具有提高能源综合利用率、实现能源梯级利用的优点，是缓解当今世界能源

危机和环保问题的一种有效途径，在世界范围内

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制冷与空调

第８卷

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图ｌＯ热管理器原理和结构示意图‘”１

受到了广泛的重视，成为能源类技术领域研究中的一个热点。根据侧重点的不同，对冷热电联供系统的研究也细化到各个不同的研究方面。笔者就冷热电联供研究中的设备选型、系统能量管理、评价和分析方法以及新技术在冷热电联供系统中的应用这４个方面的研究热点进行了概述，结论如下：

１）冷热电联供系统的设备选型着重于系统构建的初始阶段，对于系统经济性和可行性起到至关重要的作用，现在可供选择的原动机和制冷设备均较多，各自具有一定的适用范围，在选型时应以能源价格情况作为参考。发展通用设备选型和优化匹配理论是当前的研究重点。

２）冷热电联供系统的能量管理着重于系统的运行阶段，其目的是找到系统优化运行的最佳方案，以提高系统性能。基于能量管理的系统变工况控制研究，是冷热电联供系统研究的一个重要方向。

３）冷热电联供系统评价和分析方法的研究是对已有的系统进行评价，以验证系统的可行性和经济性，并找到系统进一步改进的方法，各种评价指标和分析方法很多且都具有各自不同的适用场合，开发出一套统一的评价分析体系是今后的研究趋势。

４）各种新技术在冷热电联供系统中的应用研究现在十分活跃，然而大多数还处于探索阶段，许多关键问题需要解决，是今后冷热电联供系统研究的方向。

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ｍｅａｓｕｒｅｓ

ｏｎ

ｔｈｅＣ０２ｓａｖｉｎｇｓａｔｔｒｉｂｕｔａｂｌｅ

ｔｏ

ｍｉｃｒｏ－

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ＭＡ。ＦｅｗＰＣ

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ｃｏｍｂｉｎｅｄｈｅａｔ－

ａｎｄ－ｐｏｗｅｒ

ｓｙｓｔｅｍｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ

ａ

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ａ

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ａ

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Ｊ，ＭｉｇｕｅｚＪＬ，ＭｕｒｉｌｌｏＳ，ＬｏｐｅｚＬＭ．Ｆｅａ—

ｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆ

ａ

ｎｅｗ

ｄｏｍｅｓｔｉｃＣＨＰｔｒｉｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈ

ｈｅａｔｐｕｍｐ：ＩＩ．Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒ—

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ＬａｍｆｏｎＮ

Ｊ．ＮａｊｊａｒＹＳＨ，ＡｋｙｕｒｔＭＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ

ｃｏｍｂｉｎｅｄ

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ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔ

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