CN106096248B - 不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法 - Google Patents
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Abstract
一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法,其特征在于：该方法步骤包括供暖方式分析、各系统能效计算方法及算例与分析方法。本发明将几种供暖方式的能效进行深入的比较与分析后，从而探讨出了不同环境下的最佳供暖方式，其很好的解决了以往所存在的问题，利于在供暖领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法。
背景技术
随着我国社会经济的不断发展，能源消耗总量也在急剧增加。在目前我国的能源供应结构中，化石燃料，尤其是燃煤仍然占据了最大的份额。据统计，2014年我国消耗的煤炭总量超过了40亿吨。在这巨量的煤炭消耗中，有超过10亿吨的煤炭被用于居民采暖。而随着我国城镇化进程的不断增加，未来在我国的很多地区将出现更多的小城镇，而地处北方的小城镇的居民在冬季均需要供暖；另一方面，随着人们生活水平的不断提升，南方冬季供暖的呼声也日益高涨，因此今后南方城镇居民生活供暖也可能是一个必然的发展趋势。所以，我国用于居民采暖的能源消耗还将进一步增加。
在这最近的几年中，我国大部分地区的雾霾有越发严重的趋势，尤其是在北方的冬季。在北方，由于冬季气温较低，地面空气容易形成逆温层，导致地面污染物不易扩散，因此雾霾会更加严重。而在北方的冬季，又是供暖季，是燃煤消耗最多的时候，如果大量的小型采暖锅炉环保设施不能够满足国家排放标准，会进一步导致雾霾加剧。
在目前的城镇居民供暖中，最常见的方式是燃煤热电联产集中供暖方式、小型锅炉供暖方式以及分布式能源供暖方式等。但不同的供暖方式其能源利用能效是不相同的。
此外，对于家庭中的取暖设备而言，地暖以及风机盘管空调系统因为节能以及舒适性越来越受青睐，相比较常规的暖气片而言，地暖以及风机盘管空调系统的供暖水温40～50℃即可满足一般家庭的采暖需求。而风机盘管空调系统不仅可以用来供暖，在夏天时还可以用来制冷。
因此为了提高城镇居民供暖过程中的能源利用效率，降低城镇居民供暖的燃煤消耗，并尽最大可能保护自然环境，结合地暖或风机盘管空调系统，需要对几种供暖方式的能效进行深入的比较与分析，从而探讨不同环境下的最佳供暖方式。
发明内容
发明目的：发明提供一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：发明是通过以下技术方案实现的：
一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法,其特征在于：该方法步骤包括供暖方式分析、各系统能效计算方法及算例与分析方法。
该方法的具体步骤如下：
供暖方式分析
(1)、集中供暖方式
集中供暖系统，即由供热站通过大型管网将热量输送至各居民用户，假定每个热用户暖气系统内的水流量为mi，进出水的温度分别为ti与ti'，那么可以定义供暖系统的供热效率ηh为：
式中hi与h'i分布对应温度为ti与t'i时热水焓值，h与h’分别代表供热站出水与回水的焓值；
(2)分布式供暖系统
与集中供暖系统相比，分布式供暖系统一般是以大型建筑物、学校、医院或居民小区等为单位的热用户，从供热规模上看，要远远小于集中供暖系统；
分布式供暖系统的热源是小型的热水或蒸汽锅炉，或是小型燃气热电联产机组，或者采用大型的压缩式热泵系统，以电力为动力，从环境空气、河水或土壤中抽取热量进行供暖；
各系统能效计算
(1)热水锅炉：
对于小型采暖锅炉供暖系统，假定锅炉效率为ηb，同时忽略掉锅炉所消耗的电量W2，那么小型锅炉供暖系统的热能利用系数为：
λh＝ηbεaηh (2)
式中εa为吸收式热泵的制热系数，对于没有吸收式热泵的热水锅炉，εa＝1；
(2)、燃煤热电联产集中供暖系统
对于燃煤热电联产机组，定义汽轮机的发电效率为：
式中Wf为汽轮机的发电量，Q3为进入汽轮机的热量，或不考虑管道损失时为锅炉的输出热量；
定义汽轮机的热电比为：
式中Q5为汽轮机的供热量；
此时燃煤热电集中供暖系统的供电系数为：
λe＝ηbηt(1-l) (5)
式中l为厂用电率；
热能利用系数为：
λh＝ηbηtαεaηh (6)
对于没有吸收式热泵的系统，εa＝1；
(3)燃气热电联产集中供暖系统
假定燃机效率为：
那么燃气热电集中供暖系统的供电系数为：
λe＝(ηg+ηbηt-ηgηbηt)(1-l) (8)
热能利用系数为：
λh＝(1-ηg)ηbηtαεaηh (9)
εa＝1；
(4)、小型分布式燃气热电联产机组：
小型分布式燃气热电联产机组由于规模较小，一般不采用联合动力循环，而是由发动机的排气产生热水或蒸汽直接供暖，当然，为了提高供暖量，用余热锅炉所产生的热水或蒸汽驱动吸收式热泵，分布式燃气热电联产机组采用小型燃气轮机为动力装置，或采用大型燃气内燃机为动力装置，对于以小型燃气轮机为动力装置的热电联产机组，其供电系数为：
λe＝ηg(1-l) (10)
热能利用系数为：
λh＝(1-ηg)ηbεa (11)
εa＝1；
(5)、压缩式热泵系统：
该系统为电力驱动的大型压缩式热泵，为了分析方便，假定该大型热泵由大型超超临界纯凝式火力发电机组所发电力驱动，因此如果热泵的制热系数为εc，大型纯凝式火电机组与热泵组合系统的供电系数为：
算例与分析
(1)、小型锅炉供暖系统：
采用小型锅炉为热源的供暖系统，由于锅炉的容量比较小，所以锅炉效率也相对较低，在计算中取锅炉效率为0.8～0.85，但是因为锅炉的出水温度或蒸汽温度可以较高，所以吸收式热泵的制热系数可以较大，取吸收式热泵的制热系数为1.65～2.5；对于分布式小型锅炉供暖系统，由于供热管路距离很短，则有ηh≈1，而对于大型集中供暖系统，管网效率取值为0.5～0.9，系统能效计算结果如表1所示；
表1小型锅炉供暖系统能效系数
在表1中可以看出，采用吸收式热泵以后，供暖系统的能效系数要远远大于无热泵系统；另外，由于管网的散热较大，所以分散式的供暖系统其能效系数要高于集中供暖系统；
(2)、燃煤热电联产系统：
为了便于同小型锅炉供暖系统的比较与分析，定义了热电联产机组总的供热系数为：
λt＝λh+q (14)
式中q为电量折算供热量：
q＝εce (15)
式中e为外供电量；
计算中取大型压缩式热泵的制热系数εc＝3～5，燃煤热电联产集中供暖系统的能效计算结果参数见表2；
在表2中，由于燃煤热电联产机组的容量范围较大，既有小型背压式机组，也有大型抽凝式汽轮发电机组，所以锅炉效率的取值范围也比较大，同样的，汽轮机的发电效率以及厂用电率取值范围也较大；在计算中热电比的取值最小为0.5，取最大值时意味着该机组为背压式机组；此外，由于热电联产机组的供暖热源为抽汽或汽轮机排汽，所以其参数不可能太高，因此如果以抽汽或汽轮机排汽为吸收式热泵的驱动热源，那么吸收式热泵的制热系数相对会低，因此在本部分中吸收式热泵的制热系数取值为1.65～1.85；
在表2中可以看出，对于有吸收式热泵的燃煤热电联产供暖系统其供热系数与总的供热系数均要超过没有按照吸收式热泵的机组，而在现实中，也有越来越多的热电联产机组开始安装吸收式热泵来提高机组的供暖功率，背压机配合吸收式热泵则机组的节能效果更好，此外，随着汽轮机发电效率的提高，机组的最大供热效率不断降低；
表2燃煤集中供暖系统计算参数
(3)、燃气联合动力循环热电联产系统：
以天然气为燃料的联合动力循环热电联产集中供暖系统的能效计算参数取值范围见表3，计算结果见表4；
表3燃气热电联产机组计算参数取值范围
表4燃气热电联产机组能效计算结果
从表4中可以看出，由于联合动力循环机组的供电系数很高，所以其供热系数较低，即使增加了吸收式热泵以后也要低于燃煤热电联产机组，但是如果计算了总的供热系数以后，则供热系数很高，大大超过了燃煤热电联产机组；
(4)、分布式燃气热电联产系统：
表5分布式燃气热电联产系统计算参数取值范围
以天然气为燃料的分布式热电联产供暖系统的能效计算参数取值范围见表5，计算结果见表6；
由于小型燃气轮机或内燃机的排气温度很高，一般不低于400℃，所以余热锅炉内所产生的热水或蒸汽的温度也很高，因此吸收式热泵的制热系数较高，另外，除了必要的照明及水泵的耗电之外，小型分布式燃气热电机组的自身耗电量较少，所以厂用电率近似为0；
表6分布式燃气热电联产系统能效计算结果
在表6中，由于内燃机的气缸冷却水中所携带的热量也能够供热，所以对于没有热泵的分布式燃气热电联产系统，其供热系数大致相等，但因为大型内燃机的热效率稍高于小型燃机的效率，所以无热泵时总的供热系数要更高，但如果有吸收式热泵时，因为小燃机排气中所含热量更多，因此带有吸收式热泵的分布式燃气热电联产系统总的供热系数更高；
(5)、压缩式热泵系统：
对于热泵供暖系统，是小型家用空调，或是大型压缩式热泵，其系统能效计算结果见表7；
表7压缩式热泵系统能效系数
从表7中可以看出，由于大型超超临界机组的锅炉效率、汽轮机效率很高，同时厂用电率很小，所以其供电系数很高，配合大型压缩式热泵以后，总的供热系数较高；
(6)各系统的综合对比与分析：
通过对不同供暖系统性能参数的计算可以发现，大型燃气-蒸汽联合动力循环热电联产系统具有最高的性能系数，其次是分布式燃气热电联产供热系统，而性能系数最低的是不安装吸收式热泵的小型锅炉采暖系统，因此在燃气供应充足、环保要求较高的区域可以根据实际热负荷的大小优选建设大型燃气联合动力循环热电联产机组或分布式燃气热电联产供热系统，如果与吸收式热泵组合，在冬季除了可以满足供暖需求以外，还能在夏季利用发电余热提供制冷服务，实现热电冷三联供，即使在天然气供应不充分地区，在不能配套安装吸收式热泵机组情况下，小型锅炉采暖系统也不建议使用，采用大型压缩式热泵或热电联产机组提供供暖服务可能是更好的选择。
集中供暖方式中，集中供暖系统热源有几种，第一种热源是热水或蒸汽锅炉，但因为锅炉产生的热水或蒸汽所含热量的品质较高，而居民采暖中，如果采用地暖方式，其所用的热量品位较低，所以为了提高供热量或为了降低燃料消耗量，可以附加吸收式热泵，从空气、河水或土壤中吸取一定的热量供暖；第二种热源是热电联产机组，热电联产机组根据所用燃料不同，又有燃煤热电联产机组，以及以天然气为燃料的联合动力循环机组；当然，为了提高机组的供热效率，或者提高机组的供热量，也可以附加吸收式热泵，吸收式热泵的驱动热源一般是汽轮机的抽汽，在供热量很大时，汽轮机可以采用背压式，即汽轮机的全部排出热量都用来供暖。
小型分布式燃气热电联产机组中，对于以燃气内燃机为动力装置的热电联产机组，由于内燃机在工作中为了防止气缸过热，需要一定的冷却水来冷却气缸，气缸的冷却水在出水温度较高时，可以用于供暖，因此采用内燃机为动力的分布式热电联产机组的供电系数仍可以采用式(10)计算，但其热能利用系数需采用下式计算：
式中φ为内燃机排气热量比，即废气中所携带热量与冷却水中所携带热量的比值。
对比表2与表7可以发现，采用电力驱动的大型压缩式热泵供暖方式因为大型超超临界火电机组的效率很高、同时如果采用水源或土壤源等高制热系数热泵并配合地暖或风机盘管空调系统，在没有管网散热的情况下，其总的供热效率超过了无吸收式热泵、汽轮机发电效率为0.4的燃煤热电联产系统，或者安装了吸收式热泵、汽轮机发电效率为0.3时的燃煤热电联产系统；
我国部分小型背压式汽轮机的性能参数如表8所示，对比表8及表2中参数，即使是50MW的背压式汽轮机，并安装了吸收式热泵时，最大供暖系数也不到1.96，小于大型超超临界火电机组与大型压缩式热泵组合的最大供热系数，因此尽管按照相关的行业标准，小型背压式燃煤热电联产机组的供电煤耗很低，甚至其计算值不高于200g/kWh，但并不代表该机组很节能，因为相同的燃煤，通过在大型超超临界机组中发电，电力通过压缩式热泵提供相同的供暖负荷后，剩余电力仍然要超过其发电量，如果算上环保成本等因素，而且小型热电联产机组在夏天非供暖期如果以纯凝状态运行，那么小型热电联产机组的能效指标会更低；表8国产部分背压式小型汽轮机性能参数
另一方面，由于我国近年来大力鼓励新能源与可再生能源的发展，火电在我国电力供应结构中的比重在不断下降；2014年我国单机6000kW及以上机组的电力装机容量与发电量见表9；
表9我国电力装机结构与发电量构成
从表9中可以看出，在我国发电量的构成中，火力发电量仅占总发电量的75％左右，其余25％的电力由不排放CO2的其他能源提供，因此，采用大型热泵系统，实际上相当于有25％的能源来源于非化石燃料，大大减轻了供暖期的CO2排放量；
采用压缩式热泵供暖方式也大大提高我国目前电力设备的利用小时数，比如根据表9，2014年全国火电机组的平均利用小时数仅有4600小时左右，采用电力供暖，提高火电设备的利用小时数，可以进一步降低火电设备的单位能耗，比如某百万机组在满负荷时供电煤耗为287g/kWh，但在80％负荷时供电煤耗提高至296g/kWh，在60％负荷时进一步上升至314g/kWh，此外，采用压缩式热泵对于相对于小型热电联产机组，相当于锅炉尾气集中处理，大大提高了污染物的处理成本；大型压缩式热泵不仅可以再冬季能够供暖，在夏季还可以为用户提供制冷服务，当然，为了能够更好的提供制冷服务，用户需安装风机盘管空调系统；
当然，采用大型压缩式热泵节能的前提是热泵的制热系数要足够的高，这个时候需要考虑热泵所处的工作环境，比如在长江流域甚至大部分的华北地区都可以使用，用其替代小型采暖锅炉是合理的；
在东北以及内蒙等冬季严寒地区，由于热泵的制热系数较低，能效系数反而不及热电联产机组，此时应该优先建设燃煤热电联产机组，根据表2，热电联产机组汽轮机的发电效率应该尽可能的提高，系统总的能效系数才会更高。
优点效果：
本发明提供一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法，本发明将几种供暖方式的能效进行深入的比较与分析后，从而探讨出了不同环境下的最佳供暖方式，其很好的解决了以往所存在的问题，利于在供暖领域推广应用。
附图说明
图1是集中供暖系统示意图；
图2为热水锅炉系统示意图；
图3为燃煤热电联产机组示意图；
图4为燃气热电联产机组示意图；
图5为小型燃气热电联产机组示意图；
图6为大型压缩式热泵系统示意图。
具体实施方式
如图所示，本发明提供一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法，具体如下：
1供暖方式
1.1集中供暖方式
集中供暖系统如图1所示，即由供热站通过大型管网将热量输送至各居民用户。在图1中，假定每个热用户暖气系统内的水流量为mi，进出水的温度分别为ti与t'i，那么可以定义供暖系统的供热效率ηh为：
式中hi与h'i分布对应温度为ti与t'i时热水焓值，h与h’分别代表供热站出水与回水的焓值。
集中供暖系统热源有几种，第一种热源是热水或蒸汽锅炉，但因为锅炉产生的热水或蒸汽所含热量的品质较高，而居民采暖中，如果采用地暖方式，其所用的热量品位较低，所以为了提高供热量或为了降低燃料消耗量，可以附加吸收式热泵，从空气、河水或土壤中吸取一定的热量供暖，如图2所示；第二种热源是热电联产机组，热电联产机组根据所用燃料不同，又有燃煤热电联产机组，见图3，以及以天然气为燃料的联合动力循环机组，见图4。当然，为了提高机组的供热效率，或者提高机组的供热量，也可以附加吸收式热泵，如图3中的b以及图4中的b所示。吸收式热泵的驱动热源一般是汽轮机的抽汽，在供热量很大时，汽轮机可以采用背压式，即汽轮机的全部排出热量都用来供暖。
1.2分布式供暖系统
与集中供暖系统相比，分布式供暖系统一般是以大型建筑物、学校、医院或居民小区等为单位的热用户，从供热规模上看，要远远小于集中供暖系统。
分布式供暖系统的热源可以是小型的热水或蒸汽锅炉，如图2所示；也可以是小型燃气热电联产机组，如图5所示；或者采用大型的压缩式热泵系统，以电力为动力，从环境空气、河水或土壤中抽取热量进行供暖，如图6所示。
3各系统能效计算
3.1热水锅炉
对于如图2所示的小型采暖锅炉供暖系统，假定锅炉效率为ηb，同时忽略掉锅炉所消耗的电量W2，那么小型锅炉供暖系统的热能利用系数为：
λh＝ηbεaηh (2)
式中εa为吸收式热泵的制热系数，对于没有吸收式热泵的热水锅炉，εa＝1。
3.2燃煤热电联产集中供暖系统
对于如图3所示的燃煤热电联产机组，定义汽轮机的发电效率为：
式中Wf为汽轮机的发电量，Q3为进入汽轮机的热量，或不考虑管道损失时为锅炉的输出热量。
定义汽轮机的热电比为：
式中Q5为汽轮机的供热量。
此时燃煤热电集中供暖系统的供电系数为：
λe＝ηbηt(1-l) (5)
式中l为厂用电率。
热能利用系数为：
λh＝ηbηtαεaηh (6)
对于图3中的a中的没有吸收式热泵的系统，εa＝1。
3.3燃气热电联产集中供暖系统
在图4中，假定燃机效率为
那么燃气热电集中供暖系统的供电系数为：
λe＝(ηg+ηbηt-ηgηbηt)(1-l) (8)
热能利用系数为：
λh＝(1-ηg)ηbηtαεaηh (9)
对于图4中的a，εa＝1。
3.4小型分布式燃气热电联产机组
小型分布式燃气热电联产机组由于规模较小，一般不采用联合动力循环，而是由发动机的排气产生热水或蒸汽直接供暖，当然，为了提高供暖量，可以用余热锅炉所产生的热水或蒸汽驱动吸收式热泵。分布式燃气热电联产机组可以采用小型燃气轮机为动力装置，也可以采用大型燃气内燃机为动力装置，见图5。对于以小型燃气轮机为动力装置的热电联产机组，其供电系数为：
λe＝ηg(1-l) (10)
热能利用系数为：
λh＝(1-ηg)ηbεa (11)
对于图5中的a，εa＝1。
而对于以燃气内燃机为动力装置的热电联产机组，由于内燃机在工作中为了防止气缸过热，需要一定的冷却水来冷却气缸，气缸的冷却水在出水温度较高时，可以用于供暖，因此采用内燃机为动力的分布式热电联产机组的供电系数仍可以采用式(10)计算，但其热能利用系数需采用下式计算：
式中φ为内燃机排气热量比，即废气中所携带热量与冷却水中所携带热量的比值。
3.5压缩式热泵系统
图6所示的系统为电力驱动的大型压缩式热泵，为了分析方便，假定该大型热泵由大型超超临界纯凝式火力发电机组所发电力驱动，因此如果热泵的制热系数为εc，大型纯凝式火电机组与热泵组合系统的供电系数为：
4算例与分析
4.1小型锅炉供暖系统
采用小型锅炉为热源的供暖系统，由于锅炉的容量比较小，所以锅炉效率也相对较低，在计算中取锅炉效率为0.8～0.85，但是因为锅炉的出水温度或蒸汽温度可以较高，所以吸收式热泵的制热系数可以较大，取吸收式热泵的制热系数为1.65～2.5；对于分布式小型锅炉供暖系统，由于供热管路距离很短，则有ηh≈1，而对于大型集中供暖系统，管网效率取值为0.5～0.9。系统能效计算结果如表1所示。
表1小型锅炉供暖系统能效系数
在表1中可以看出，采用吸收式热泵以后，供暖系统的能效系数要远远大于无热泵系统；另外，由于管网的散热较大，所以分散式的供暖系统其能效系数要高于集中供暖系统。
4.2燃煤热电联产系统
为了便于同小型锅炉供暖系统的比较与分析，定义了热电联产机组总的供热系数为：
λt＝λh+q (14)
式中q为电量折算供热量：
q＝εce (15)
式中e为外供电量。
计算中取大型压缩式热泵的制热系数εc＝3～5，燃煤热电联产集中供暖系统的能效计算结果参数见表2。
在表2中，由于燃煤热电联产机组的容量范围较大，既有小型背压式机组，也有大型抽凝式汽轮发电机组，所以锅炉效率的取值范围也比较大，同样的，汽轮机的发电效率以及厂用电率取值范围也较大；根据2011年6月30日国家发展和改革委员会修改后的《关于发展热电联产的规定》(计基础〔2000〕1268号)中相关规定，在计算中热电比的取值最小为0.5，取最大值时意味着该机组为背压式机组；此外，由于热电联产机组的供暖热源为抽汽或汽轮机排汽，所以其参数不可能太高，因此如果以抽汽或汽轮机排汽为吸收式热泵的驱动热源，那么吸收式热泵的制热系数相对会低，因此在本部分中吸收式热泵的制热系数取值为1.65～1.85。
在表2中可以看出，对于有吸收式热泵的燃煤热电联产供暖系统其供热系数与总的供热系数均要超过没有按照吸收式热泵的机组，而在现实中，也有越来越多的热电联产机组开始安装吸收式热泵来提高机组的供暖功率，如果是背压机配合吸收式热泵则机组的节能效果会更好。此外，随着汽轮机发电效率的提高，机组的最大供热效率不断降低，这是因为有更多的热能转换为电力，但总的供热系数却在不断增加。
表2燃煤集中供暖系统计算参数
4.3燃气联合动力循环热电联产系统
以天然气为燃料的联合动力循环热电联产集中供暖系统的能效计算参数取值范围见表3，计算结果见表4。
表3燃气热电联产机组计算参数取值范围
表4燃气热电联产机组能效计算结果
从表4中可以看出，由于联合动力循环机组的供电系数很高，所以其供热系数较低，即使增加了吸收式热泵以后也要低于燃煤热电联产机组，但是如果计算了总的供热系数以后，则供热系数很高，大大超过了燃煤热电联产机组。4.4分布式燃气热电联产系统
表5分布式燃气热电联产系统计算参数取值范围
以天然气为燃料的分布式热电联产供暖系统的能效计算参数取值范围见表5，计算结果见表6。
由于小型燃气轮机或内燃机的排气温度很高，一般不低于400℃，所以余热锅炉内所产生的热水或蒸汽的温度也可以很高，因此吸收式热泵的制热系数可以较高。另外，除了必要的照明及水泵的耗电之外，小型分布式燃气热电机组的自身耗电量较少，所以厂用电率近似为0。根据某国产大型2MW等级燃气内燃机的性能参数，其气缸冷却水出水温度为80℃左右，所携带的热量与废气中所含的热量大致相当，所以φ≈1。
表6分布式燃气热电联产系统能效计算结果
在表6中，由于内燃机的气缸冷却水中所携带的热量也能够供热，所以对于没有热泵的分布式燃气热电联产系统，其供热系数大致相等，但因为大型内燃机的热效率稍高于小型燃机的效率，所以无热泵时总的供热系数要更高。但如果有吸收式热泵时，因为小燃机排气中所含热量更多，因此带有吸收式热泵的分布式燃气热电联产系统总的供热系数更高。
4.5压缩式热泵系统
对于热泵供暖系统，可以是小型家用空调，也可以是大型压缩式热泵，其系统能效计算结果见表7。
表7压缩式热泵系统能效系数
从表7中可以看出，由于大型超超临界机组的锅炉效率、汽轮机效率很高，同时厂用电率很小，所以其供电系数很高，配合大型压缩式热泵以后，总的供热系数较高。
4.6各系统的综合对比与分析
通过对不同供暖系统性能参数的计算可以发现，大型燃气-蒸汽联合动力循环热电联产系统具有最高的性能系数，其次是分布式燃气热电联产供热系统，而性能系数最低的是不安装吸收式热泵的小型锅炉采暖系统。因此在燃气供应充足、环保要求较高的区域可以根据实际热负荷的大小优选建设大型燃气联合动力循环热电联产机组或分布式燃气热电联产供热系统，如果与吸收式热泵组合，在冬季除了可以满足供暖需求以外，还可以在夏季利用发电余热提供制冷服务，实现热电冷三联供。即使在天然气供应不充分地区，在不能配套安装吸收式热泵机组情况下，小型锅炉采暖系统也不建议使用，采用大型压缩式热泵或热电联产机组提供供暖服务可能是更好的选择。
对比表2与表7可以发现，采用电力驱动的大型压缩式热泵供暖方式因为大型超超临界火电机组的效率很高、同时如果采用水源或土壤源等高制热系数热泵并配合地暖或风机盘管空调系统，在没有管网散热的情况下，其总的供热效率超过了无吸收式热泵、汽轮机发电效率为0.4的燃煤热电联产系统，或者安装了吸收式热泵、汽轮机发电效率为0.3时的燃煤热电联产系统。
根据《中小型热电联产工程设计手册》，我国部分小型背压式汽轮机的性能参数如表8所示。对比表8及表2中参数，即使是50MW的背压式汽轮机，并安装了吸收式热泵时，最大供暖系数也不到1.96，小于大型超超临界火电机组与大型压缩式热泵组合的最大供热系数。因此尽管按照相关的行业标准，小型背压式燃煤热电联产机组的供电煤耗很低，甚至其计算值不高于200g/kWh，但并不代表该机组很节能。因为相同的燃煤，通过在大型超超临界机组中发电，电力通过压缩式热泵提供相同的供暖负荷后，剩余电力仍然要超过其发电量。如果算上环保成本等因素，而且小型热电联产机组在夏天非供暖期如果以纯凝状态运行，那么小型热电联产机组的能效指标会更低。
表8国产部分背压式小型汽轮机性能参数
另一方面，由于我国近年来大力鼓励新能源与可再生能源的发展，火电在我国电力供应结构中的比重在不断下降。2014年我国单机6000kW及以上机组的电力装机容量与发电量见表9。
表9我国电力装机结构与发电量构成
从表9中可以看出，在我国发电量的构成中，火力发电量仅占总发电量的75％左右，其余25％的电力由不排放CO2的其他能源提供，因此，采用大型热泵系统，实际上相当于有25％的能源来源于非化石燃料，大大减轻了供暖期的CO2排放量。
采用压缩式热泵供暖方式也可以大大提高我国目前电力设备的利用小时数，比如根据表9，2014年全国火电机组的平均利用小时数仅有4600小时左右，采用电力供暖，提高火电设备的利用小时数，可以进一步降低火电设备的单位能耗，比如某百万机组在满负荷时供电煤耗为287g/kWh，但在80％负荷时供电煤耗提高至296g/kWh，在60％负荷时进一步上升至314g/kWh。此外，采用压缩式热泵对于相对于小型热电联产机组，相当于锅炉尾气集中处理，大大提高了污染物的处理成本。大型压缩式热泵不仅可以再冬季能够供暖，在夏季还可以为用户提供制冷服务，当然，为了能够更好的提供制冷服务，用户需安装风机盘管空调系统。
当然，采用大型压缩式热泵节能的前提是热泵的制热系数要足够的高，这个时候需要考虑热泵所处的工作环境，比如在长江流域甚至大部分的华北地区都可以使用，用其替代小型采暖锅炉是合理的。
在东北以及内蒙等冬季严寒地区，由于热泵的制热系数较低，能效系数反而不及热电联产机组，此时应该优先建设燃煤热电联产机组，根据表2，热电联产机组汽轮机的发电效率应该尽可能的提高，系统总的能效系数才会更高。
经过对不同供暖系统能效系数的计算与分析，能够为不同地区建设不同供暖系统提供参考：一方面需要考虑供暖系统的能效指标，同时还需要兼顾当地不同能源的价格水平。一般而言，在天然气供应比较充分的地区，应该优先建设联合动力循环热电联产机组及分布式燃气热电机组；在冬季环境温度不是太低的地区，优先考虑热泵供暖系统；发展燃煤热电联产机组要尽可能提高汽轮机的发电效率；对于只能建设小型锅炉供暖系统的地方，应该配套建设吸收式热泵，以提高系统的能效系数。
Claims (4)
1.一种不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法,其特征在于：该方法步骤包括供暖方式分析、各系统能效计算方法及算例与分析方法；
该方法的具体步骤如下：
供暖方式分析
(1)、集中供暖方式
集中供暖系统，即由供热站通过大型管网将热量输送至各居民用户，假定每个热用户暖气系统内的水流量为mi，进出水的温度分别为ti与t′i，那么可以定义供暖系统的供热效率ηh为：
式中hi与h′i分别对应温度为ti与t′i时的热水焓值，h与h＇分别代表供热站出水与回水的焓值；
(2)分布式供暖系统
与集中供暖系统相比，分布式供暖系统是以大型建筑物、学校、医院或居民小区为单位的热用户，从供热规模上看，要远远小于集中供暖系统；
分布式供暖系统的热源是小型的热水或蒸汽锅炉，或是小型燃气热电联产机组，或者采用大型的压缩式热泵系统，以电力为动力，从环境空气、河水或土壤中抽取热量进行供暖；
各系统能效计算
(1)热水锅炉：
对于小型采暖锅炉供暖系统，假定锅炉效率为ηb，同时忽略掉锅炉所消耗的电量W2，那么小型锅炉供暖系统的热能利用系数为：
λh＝ηbεaηh (2)
式中εa为吸收式热泵的制热系数，对于没有吸收式热泵的热水锅炉，
εa＝1；
(2)、燃煤热电联产集中供暖系统
对于燃煤热电联产机组，定义汽轮机的发电效率为：
式中Wf为汽轮机的发电量，Q3为进入汽轮机的热量，或不考虑管道损失时为锅炉的输出热量；
定义汽轮机的热电比为：
式中Q5为汽轮机的供热量；
此时燃煤热电联产集中供暖系统的供电系数为：
λe＝ηbηt(1-l) (5)
式中l为厂用电率；
热能利用系数为：
λh＝ηbηtαεaηh (6)
对于没有吸收式热泵的系统，εa＝1；
(3)燃气热电联产集中供暖系统
假定燃机效率为：
那么燃气热电联产集中供暖系统的供电系数为：
λe＝(ηg+ηbηt-ηgηbηt)(1-l) (8)
热能利用系数为：
λh＝(1-ηg)ηbηtαεaηh (9)
εa＝1；
(4)、小型分布式燃气热电联产机组：
小型分布式燃气热电联产机组由于规模较小，不采用联合动力循环，而是由发动机的排气产生热水或蒸汽直接供暖，当然，为了提高供暖量，用余热锅炉所产生的热水或蒸汽驱动吸收式热泵，分布式燃气热电联产机组采用小型燃气轮机为动力装置，或采用大型燃气内燃机为动力装置，对于以小型燃气轮机为动力装置的热电联产机组，其供电系数为：
λe＝ηg(1-l) (10)
热能利用系数为：
λh＝(1-ηg)ηbεa (11)
εa＝1；
(5)、压缩式热泵系统：
该系统为电力驱动的大型压缩式热泵，为了分析方便，假定该大型热泵由大型超超临界纯凝式火力发电机组所发电力驱动，因此如果热泵的制热系数为εc，大型超超临界纯凝式火力发电机组与热泵组合系统的供电系数为：
算例与分析
(1)、小型锅炉供暖系统：
采用小型锅炉为热源的供暖系统，由于锅炉的容量比较小，所以锅炉效率也相对较低，在计算中取锅炉效率为0.8～0.85，但是因为锅炉的出水温度或蒸汽温度可以较高，所以吸收式热泵的制热系数可以较大，取吸收式热泵的制热系数为1.65～2.5；对于分布式小型锅炉供暖系统，由于供热管路距离很短，则有ηh≈1，而对于大型集中供暖系统，管网效率取值为0.5～0.9，系统能效计算结果如表1所示；
表1 小型锅炉供暖系统能效系数
在表1中可以看出，采用吸收式热泵以后，供暖系统的能效系数要远远大于无热泵系统；另外，由于管网的散热较大，所以分散式的供暖系统其能效系数要高于集中供暖系统；
(2)、燃煤热电联产集中供暖系统：
为了便于同小型锅炉供暖系统的比较与分析，定义了热电联产机组总的供热系数为：
λt＝λh+q (14)
式中q为电量折算供热量：
q＝εce (15)
式中e为外供电量；
计算中取大型压缩式热泵的制热系数εc＝3～5，燃煤热电联产集中供暖系统计算参数见表2；
在表2中，由于燃煤热电联产机组的容量范围较大，既有小型背压式机组，也有大型抽凝式汽轮发电机组，所以锅炉效率的取值范围也比较大，同样的，汽轮机的发电效率以及厂用电率取值范围也较大；在计算中热电比的取值最小为0.5，取最大值时意味着该机组为背压式机组；此外，由于热电联产机组的供暖热源为抽汽或汽轮机排汽，所以其参数不可能太高，因此如果以抽汽或汽轮机排汽为吸收式热泵的驱动热源，那么吸收式热泵的制热系数相对会低，因此在本部分中吸收式热泵的制热系数取值为1.65～1.85；
在表2中可以看出，对于有吸收式热泵的燃煤热电联产集中供暖系统其供热系数与总的供热系数均要超过没有吸收式热泵的机组，而在现实中，也有越来越多的热电联产机组开始安装吸收式热泵来提高机组的供暖功率，背压机配合吸收式热泵则机组的节能效果更好，此外，随着汽轮机发电效率的提高，机组的最大供热效率不断降低；
表2 燃煤热电联产集中供暖系统计算参数
(3)、燃气联合动力循环热电联产系统：
以天然气为燃料的联合动力循环热电联产集中供暖系统的能效计算参数取值范围见表3，燃气热电联产机组能效计算结果见表4；
表3 以天然气为燃料的联合动力循环热电联产集中供暖系统的能效计算参数取值范围
表4 燃气热电联产机组能效计算结果
从表4中可以看出，由于联合动力循环机组的供电系数很高，所以其供热系数较低，即使增加了吸收式热泵以后也要低于燃煤热电联产机组，但是如果计算了总的供热系数以后，则供热系数很高，大大超过了燃煤热电联产机组；(4)、分布式燃气热电联产系统：
表5 分布式燃气热电联产系统计算参数取值范围
以天然气为燃料的分布式热电联产供暖系统的能效计算参数取值范围见表5，计算结果见表6；
由于小型燃气轮机或内燃机的排气温度很高，不低于400℃，所以余热锅炉内所产生的热水或蒸汽的温度也很高，因此吸收式热泵的制热系数较高，另外，除了必要的照明及水泵的耗电之外，小型分布式燃气热电机组的自身耗电量较少，所以厂用电率近似为0；
表6 分布式燃气热电联产系统能效计算结果
在表6中，由于内燃机的气缸冷却水中所携带的热量也能够供热，所以对于没有热泵的分布式燃气热电联产系统，其供热系数大致相等，但因为大型内燃机的热效率稍高于小型燃机的效率，所以无热泵时总的供热系数要更高，但如果有吸收式热泵时，因为小型燃机排气中所含热量更多，因此带有吸收式热泵的分布式燃气热电联产系统总的供热系数更高；
(5)、压缩式热泵系统：
对于热泵供暖系统，是小型家用空调，或是大型压缩式热泵，其压缩式热泵系统能效系数见表7；
表7 压缩式热泵系统能效系数
从表7中可以看出，由于大型超超临界机组的锅炉效率、汽轮机效率很高，同时厂用电率很小，所以其供电系数很高，配合大型压缩式热泵以后，总的供热系数较高；
(6)各系统的综合对比与分析：
通过对不同供暖系统性能参数的计算可以发现，大型燃气联合动力循环热电联产系统具有最高的性能系数，其次是分布式燃气热电联产供热系统，而性能系数最低的是不安装吸收式热泵的小型锅炉采暖系统，因此在燃气供应充足、环保要求较高的区域可以根据实际热负荷的大小建设大型燃气联合动力循环热电联产机组或分布式燃气热电联产供热系统，如果与吸收式热泵组合，在冬季除了可以满足供暖需求以外，还能在夏季利用发电余热提供制冷服务，实现热电冷三联供，即使在天然气供应不充分地区，在不能配套安装吸收式热泵机组情况下，小型锅炉采暖系统也不建议使用，采用大型压缩式热泵或热电联产机组提供供暖服务可能是更好的选择。
2.根据权利要求1所述的不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法,其特征在于：集中供暖方式中，集中供暖系统热源有几种，第一种热源是热水或蒸汽锅炉，但因为锅炉产生的热水或蒸汽所含热量的品质较高，而居民采暖中，如果采用地暖方式，其所用的热量品位较低，所以为了提高供热量或为了降低燃料消耗量，可以附加吸收式热泵，从空气、河水或土壤中吸取一定的热量供暖；第二种热源是热电联产机组，热电联产机组根据所用燃料不同，又有燃煤热电联产机组，以及以天然气为燃料的联合动力循环机组；当然，为了提高机组的供热效率，或者提高机组的供热量，也可以附加吸收式热泵，吸收式热泵的驱动热源是汽轮机的抽汽，在供热量很大时，汽轮机可以采用背压式，即汽轮机的全部排出热量都用来供暖。
3.根据权利要求1所述的不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法,其特征在于：小型分布式燃气热电联产机组中，对于以燃气内燃机为动力装置的热电联产机组，由于内燃机在工作中为了防止气缸过热，需要一定的冷却水来冷却气缸，气缸的冷却水在出水温度较高时，可以用于供暖，因此采用内燃机为动力的分布式热电联产机组的供电系数仍可以采用式(10)计算，但其热能利用系数需采用下式计算：
式中为内燃机排气热量比，即废气中所携带热量与冷却水中所携带热量的比值。
4.根据权利要求1所述的不同环境下的最佳供暖方式的甄选方法,其特征在于：对比表2与表7可以发现，采用电力驱动的大型压缩式热泵供暖方式因为大型超超临界火电机组的效率很高、同时如果采用水源或土壤源高制热系数热泵并配合地暖或风机盘管空调系统，在没有管网散热的情况下，其总的供热效率超过了无吸收式热泵、汽轮机发电效率为0.4的燃煤热电联产系统，或者安装了吸收式热泵、汽轮机发电效率为0.3时的燃煤热电联产系统；
我国部分小型背压式汽轮机的性能参数如表8所示，对比表8及表2中参数，即使是50MW的背压式汽轮机，并安装了吸收式热泵时，最大供暖系数也不到1.96，小于大型超超临界火电机组与大型压缩式热泵组合的最大供热系数，因此尽管按照相关的行业标准，小型背压式燃煤热电联产机组的供电煤耗很低，甚至其计算值不高于200g/kWh，但并不代表该机组很节能，因为相同的燃煤，通过在大型超超临界机组中发电，电力通过压缩式热泵提供相同的供暖负荷后，剩余电力仍然要超过其发电量，如果算上环保成本因素，而且小型热电联产机组在夏天非供暖期如果以纯凝状态运行，那么小型热电联产机组的能效指标会更低；表8国产部分背压式小型汽轮机性能参数
另一方面，由于我国近年来大力鼓励新能源与可再生能源的发展，火电在我国电力供应结构中的比重在不断下降；2014年我国单机6000kW及以上机组的电力装机容量与发电量见表9；
表9 我国电力装机结构与发电量构成
从表9中可以看出，在我国发电量的构成中，火力发电量仅占总发电量的75％，其余25％的电力由不排放CO2的其他能源提供，因此，采用大型热泵系统，实际上相当于有25％的能源来源于非化石燃料，大大减轻了供暖期的CO2排放量；
采用压缩式热泵供暖方式也大大提高我国目前电力设备的利用小时数，根据表9，2014年全国火电机组的平均利用小时数仅有4600小时，采用电力供暖，提高火电设备的利用小时数，可以进一步降低火电设备的单位能耗，某百万机组在满负荷时供电煤耗为287g/kWh，但在80％负荷时供电煤耗提高至296g/kWh，在60％负荷时进一步上升至314g/kWh，此外，采用压缩式热泵相对于小型热电联产机组，相当于锅炉尾气集中处理，大大提高了污染物的处理成本；大型压缩式热泵不仅可以在冬季能够供暖，在夏季还可以为用户提供制冷服务，当然，为了能够更好的提供制冷服务，用户需安装风机盘管空调系统；
当然，采用大型压缩式热泵节能的前提是热泵的制热系数要足够的高，这个时候需要考虑热泵所处的工作环境，在长江流域甚至华北地区都可以使用，用其替代小型采暖锅炉是合理的；
在东北以及内蒙冬季严寒地区，由于热泵的制热系数较低，能效系数反而不及热电联产机组，此时应该优先建设燃煤热电联产机组，根据表2，热电联产机组汽轮机的发电效率应该尽可能的提高，系统总的能效系数才会更高。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |