前言

　我國能源資源總量居世界第3位，現(xiàn)為世界第3大能源生產(chǎn)國和第2大能源消費國，若保持現(xiàn)開采強度，煤炭的儲采比不足百年，已探明的石油和天然氣儲量僅夠開采幾十年。因此，我國常規(guī)能源資源并不豐富，應(yīng)建立正確的資源認識，并具有相應(yīng)的憂患意識。我國在能源利用效率方面與先進國家存在較大的差距，在國家能源發(fā)展戰(zhàn)略上要充分體現(xiàn)把提高能源利用效率作為基本出發(fā)點。

　熱力、暖通空調(diào)技術(shù)是基于對能源有效利用等可持續(xù)發(fā)展的觀點為原則而取得進展的。我國具有良好環(huán)保和節(jié)能特性的城市熱力供應(yīng)系統(tǒng)。下面著重討論燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)用于區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的可行性及大城市中心商務(wù)區(qū)和高密度住宅區(qū)熱力供應(yīng)的方式。

1國內(nèi)外熱力供應(yīng)現(xiàn)狀

　我國以煤炭為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱是當前東北、華北各大中城市發(fā)展熱力供應(yīng)的主流模式。

　區(qū)域燃煤鍋爐房作為熱源的集中供熱系統(tǒng)是當前東北、華北各大中城市最主要的供熱方式，隨著國家經(jīng)濟水平的提高，對環(huán)境保護的要求將越來越高。如今，北京已將部分區(qū)域燃煤鍋爐房改為燃氣或燃油鍋爐房，極大地增加了供熱成本。

　分散獨立燃煤鍋爐房的供熱方式在今后的幾年中，將在華北的大城市中被逐步淘汰。

　在長江流域的大中城市，民用住宅不設(shè)置供暖設(shè)施，所以長江流域的大中城市尚沒有建立起以熱電廠為熱源的熱網(wǎng)。

　在華南地區(qū)，因其地處亞熱帶區(qū)域，冬季無采暖需求，建筑物的空調(diào)負荷是其熱力供應(yīng)的主要形式，目前在華南地區(qū)的大中城市，分散獨立的空調(diào)機房作為辦公樓、酒店、公共商業(yè)設(shè)施等建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)的冷源是最普遍的形式。居民住宅則基本上都采用電力驅(qū)動的房間空調(diào)器。

　俄羅斯因其熱力供應(yīng)系統(tǒng)在國際上占有極其重要的位置。莫斯科擁有14座熱電廠，其中只有2座以煤作為燃料，其他都以燃氣作為燃料。為了保證城市的空氣質(zhì)量，熱電廠盡量建在郊區(qū)，新建熱電廠都位于城市邊界環(huán)形公路之外，供熱介質(zhì)進行遠距離輸送。莫斯科擁有全世界最大的熱水熱網(wǎng)。

　日本的關(guān)東、關(guān)西地區(qū)與我國的華北、華東、華中地區(qū)的氣候條件相似，其城市熱力供應(yīng)的形式對我國華北、華東、華中地區(qū)城市熱力供應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)有一定的參考價值。日本自20世紀70年代初期開始，建設(shè)了許多區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)。

2 大城市熱力供應(yīng)的形式

2．1設(shè)計觀念、建設(shè)方式的突破

　當前，我國在考慮建筑物的節(jié)能時，主要是以提高建筑物的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、減少熱負荷為主要思路和出發(fā)點，其實提高供熱、供冷系統(tǒng)冷、熱源和系統(tǒng)的能源綜合利用效率具有同樣重要的意義。

2．2 DHC是熱力供應(yīng)的發(fā)展熱點和方向

　從能源的有效利用和環(huán)境保護出發(fā)，對于大城市的高容積率區(qū)域(如中心商務(wù)區(qū)CBD)，以天然氣為燃料，熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)是城市熱力供應(yīng)的發(fā)展方向。建設(shè)以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以淘汰常規(guī)的鍋爐供暖和電力空調(diào)制冷系統(tǒng)，不僅一次能源利用效率高，實現(xiàn)能源的梯級利用，還能緩解夏季空調(diào)制冷用電高峰，充分利用天然氣輸氣管網(wǎng)，而且可以大大減少污染物和溫室氣體的排放，有利于環(huán)境保護。

(1)大城市中心商務(wù)區(qū)熱力供應(yīng)形式

　隨著我國西部地區(qū)天然氣資源的逐步開發(fā)，西氣東輸項目的實施完成及俄羅斯天然氣進入中國市場，通過天然氣規(guī)劃的實施，2005年以前將有14個城市、7200萬人口使用天然氣，用氣量達202億m3。到2010年，270個城市利用天然氣414億m3，到2020年城市利用天然氣將達到937億m3。上述情況使大城市中心商務(wù)區(qū)(CBD)以天然氣為輸入能源，熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)作為CBD區(qū)域的熱力供應(yīng)形式成為可能，區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)以天然氣作為能源的輸入形式具有以下優(yōu)勢。

①在我國東部地區(qū)大城市，空調(diào)負荷集中在電網(wǎng)負荷高峰期，空調(diào)使用期內(nèi)平均負荷率只有40％。為空調(diào)設(shè)備供電的這部分輸配電設(shè)備一年里只利用幾百個小時，利用率極低，難以用正常的電費回收彌補其損失，導致發(fā)電及輸配電成本上升。夏季電力最高負荷中空調(diào)用電占35％以上．2003年夏季上海市用電負荷超過l 200萬kW，北京市用電負荷超過800萬kW，空調(diào)負荷的快速增加使我國電網(wǎng)的峰谷差增加，平均負荷率降低，造成發(fā)電輸電資源的浪費。我國現(xiàn)尚處于空調(diào)發(fā)展的初始階段，隨著空調(diào)的發(fā)展，其對電力負荷特性的影響還會加大，對電力工業(yè)經(jīng)濟的影響不可低估，以天然氣作為能源輸入形式的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)可以平抑由于空調(diào)系統(tǒng)運行而造成的電網(wǎng)峰谷差。

②根據(jù)我國主要城市的供氣情況，燃氣消費季節(jié)性不平衡是城市燃氣發(fā)展中的一大難題。以北京為例，冬季最高峰的平均用氣量與夏季最低月份的平均用氣量之比為6：l，管網(wǎng)利用率只有30％左右，季節(jié)性的不平衡導致管網(wǎng)利用率極低并需投入高成本建設(shè)儲氣設(shè)施，造成燃氣成本加大，區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)以天然氣作為能源的輸入形式能對天然氣起到填谷的作用，緩解天然氣消費的季節(jié)性不平衡問題，提高燃氣管網(wǎng)的利用率。

③電力空調(diào)設(shè)備的發(fā)展需要大量相應(yīng)的發(fā)電、輸電和配電等電力基本建設(shè)投資，可以說用戶每安裝l套電力空調(diào)系統(tǒng)，國家需要投入比用戶購買空調(diào)設(shè)備還要多的錢來建電廠、電網(wǎng)以保證供電。如用戶每使用l kW負荷的電力空調(diào)投資為3 000元，國家為此發(fā)電設(shè)備投資按6 000元/kW計，輸配電投資為2 000元/kW，共需投資8 000元/kw，再加上廠用電和線損15％，共需電源投資9 200元/kW。為了滿足高速增長的空調(diào)用電需求，如此比例的電力投入是否合理，如果這筆巨額的電力建設(shè)費用分攤到用戶身上，則比其空調(diào)設(shè)備本身的投入還要多許多倍，否則，國家就要負擔這筆巨大的電力建設(shè)投資。采用以天然氣為輸入能源，熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)從總體投資上更加經(jīng)濟合理。

④以天然氣為燃料的熱電冷聯(lián)供(CClIP)區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)可以極大地減少污染物的排放，有利于城市空氣質(zhì)量的提高。

l—燃氣輪機；2—燃氣輪機直接驅(qū)動的發(fā)電機組；

3—燃氣輪機直接驅(qū)動的離心式冷水機組；4—余熱鍋爐；

5—背壓透平機組；6—凝汽透平機組；

7—背壓透平機組直接驅(qū)動的離心式冷水機組；

8—凝汽透平機組直接驅(qū)動的離心式冷水機組；

9—蒸汽型吸收式制冷機組；lO—蓄冷裝置

圖l集中供熱供冷(DHC)裝置主要設(shè)備及流程

(2)天然氣區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的技術(shù)問題

以天然氣熱電冷聯(lián)供區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)設(shè)計規(guī)劃中應(yīng)解決如下技術(shù)問題。

①針對區(qū)域內(nèi)各建筑物全年熱電冷負荷曲線的特性，要進行熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)優(yōu)化配置的研究。這里包括CCHP系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及主要設(shè)備的優(yōu)化配置模型，例如燃氣輪機容量的選擇，燃氣輪機所驅(qū)動的發(fā)電機容量的確定，背壓機組容量的確定，抽凝機組容量的確定，蒸汽型吸收式冷水機組容量的選擇，蓄冷裝置大小的確定等。研究不同外部環(huán)境下系統(tǒng)最佳配置及運行模式的選擇，整體系統(tǒng)最佳配置的建模計算方法。

　在東京新宿新都心地區(qū)的CCHP系統(tǒng)中，兩套由燃氣輪機直接驅(qū)動的發(fā)電機組分別向DHC中心和區(qū)域內(nèi)的建筑物供電，其能力大約分別滿足DHC中心60％的電力需求和建筑物5％的電力需求。根據(jù)負荷的特性，在系統(tǒng)的設(shè)計上采用了由背壓透平、離心冷凍機及雙效吸收式制冷機組合成的串級系統(tǒng)承擔基本負荷，由凝汽透平、離心冷凍機組成的系統(tǒng)承擔尖峰負荷，基本負荷的容量約占整個系統(tǒng)負荷容量的7％。

②熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究。因一年乃至一天中不同時段電、熱、冷負荷的變化，要實現(xiàn)合理的熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行方式以達到最佳的經(jīng)濟效益，需對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，為此需要研究開發(fā)出一套將熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和供熱供冷系統(tǒng)作為一個整體優(yōu)化協(xié)調(diào)的熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)。

③對于中心商務(wù)區(qū)(CBD)的熱電冷聯(lián)供(CCHP)區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)，由于區(qū)域內(nèi)建筑物在一天中的電力負荷、供熱空調(diào)負荷、及 DHC中心的用電負荷都有很大的變化，從降低系統(tǒng)的高峰負荷，減少設(shè)備的裝機容量降低投資，提高設(shè)備的利用率及使用效率出發(fā)，應(yīng)研究采用蓄能技術(shù)。當前蓄能系統(tǒng)的種類較多，蓄能方法各異，蓄能介質(zhì)和蓄能設(shè)備也不相同，應(yīng)研究適合于熱電冷聯(lián)供(CCHP)區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)的蓄能模式和蓄能容量的確定方法，使DHC系統(tǒng)的綜合效益達到最優(yōu)。

　在國外，蓄能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)中，此類工程實例很多，如美國芝加哥有蓄冷量達232 MW．h的DHC系統(tǒng)實例，日本關(guān)東地區(qū)有蓄冷量達106 MW·h的DHC系統(tǒng)實例，在已有工程實例中，蓄能介質(zhì)和蓄能設(shè)備多種多樣，有采用動態(tài)冰泥方式的，有采用管外結(jié)冰方式。

④在熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)中，DHC中心的布局位置將直接影響 DHC中心自身的造價，同時也影響到管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，而管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計則直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)的投資費用，管網(wǎng)的動力消耗和熱力消耗，所以在DHC系統(tǒng)設(shè)計時，DHC中心的布局位置和管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。應(yīng)建立優(yōu)化設(shè)計方法，研究以DHC中心的投資費用，管網(wǎng)系統(tǒng)的投資費用、管網(wǎng)系統(tǒng)的動力消耗、管網(wǎng)系統(tǒng)的熱力損失為目標函數(shù)的數(shù)學模型及計算方法，綜合考慮動力消耗、熱力消耗、投資費用，使整個DHC系統(tǒng)的設(shè)計達到最優(yōu)。

(3)高密度住宅區(qū)供熱供冷形式

　在我國現(xiàn)有的住宅中，家用空調(diào)器的使用最為廣泛，由于價格適中，安裝簡單方便，使用靈活，用戶可根據(jù)需要隨意開關(guān)自行掌握使用費用。

　因住宅小區(qū)中，各住戶居民的生活和工作規(guī)律不盡相同，有的家庭白天無人，無需空調(diào)，有的家庭有老人兒童，需使用空調(diào)。如住宅小區(qū)采用集中空調(diào)系統(tǒng)，為了滿足不同業(yè)主的需求，需要全天開機運行，造成系統(tǒng)部分負荷運行時問長，運行費用較高等弊端。由于系統(tǒng)在低負荷工況的運行效率低，能耗高，所以單位冷量的運行成本要高于經(jīng)濟工況許多，所以即使采用按冷量計量裝置計量收費，也無法區(qū)分業(yè)主在系統(tǒng)低負荷階段及高負荷階段所消耗的冷量，無法公平計費。所以，適用于高密度住宅區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該將目前集中空調(diào)系統(tǒng)和家用空調(diào)器的一些優(yōu)點結(jié)合起來。

　我們提出一種將家用空調(diào)器的優(yōu)點和中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢相結(jié)合起來的空調(diào)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)，每一個建筑單元都安裝一套壓縮冷凝機組，冷凝器采用特殊設(shè)計的水冷形式，充分利用壓縮機高溫排氣，使冷卻水的出水溫度能夠達到42～45℃．壓縮機和冷凝器封裝在一個隔聲隔熱的機箱里，機箱可以做成如冰箱似的箱體，結(jié)合建筑物的整體布局計，放置于建筑單元內(nèi)衛(wèi)生問、廚房、公共走廊或門廳吊頂?shù)容o助區(qū)域內(nèi)。為了提高COP系數(shù)，末端置應(yīng)采用直接蒸發(fā)風機盤管。在整個住宅小區(qū)，建設(shè)集中的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，向每一棟住宅的每個建筑單元提供冷卻水，每個建筑單元的冷卻水道上安裝計量裝置作為向業(yè)主收費的依據(jù)，集中冷卻水系統(tǒng)把每個建筑單元壓縮冷凝機組所排放熱量收集起來，作為生活熱水的熱源之一，進人生熱水系統(tǒng)，輸送到每個建筑單元。如果空調(diào)機組的排熱量少于或接近于加熱生活熱水所需的熱量，壓縮冷凝機組的熱回收系統(tǒng)與生活熱水系統(tǒng)相結(jié)合行設(shè)計，可以省去冷卻塔設(shè)備，省去了冷卻塔部分的初投資。如果空調(diào)排熱量遠遠大于生活熱水所需的加熱量，則應(yīng)同時設(shè)置冷卻塔系統(tǒng)，但冷卻塔的容量減小許多，同樣降低了冷卻塔系統(tǒng)的投資費用。

　熱電冷聯(lián)供(CCHP)區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)的熱力供應(yīng)形式也應(yīng)是大城市高密度住宅區(qū)的民方向和趨勢，目前沒有在我國住宅建設(shè)中得到應(yīng)用。住宅區(qū)DHC系統(tǒng)冷源設(shè)備的容量通常只選擇住宅區(qū)建筑物全部冷負荷的50％～60％，而且 DHC系統(tǒng)由于是規(guī)模化經(jīng)營，設(shè)備折舊期長，折合到每l m3住宅面積上的建設(shè)費用和運行費用也并非特別高。據(jù)有關(guān)可行性研究的結(jié)論，初投資折合250-400元/m2，運行費用不高于現(xiàn)家用空調(diào)的運行費用，消費者應(yīng)能夠承受DHC系統(tǒng)的初投資費用和運行費用。另外，在我國目前有關(guān)城市規(guī)劃及房地產(chǎn)法律法規(guī)的環(huán)境下，對實施DHC系統(tǒng)的投融資辦法、收費制度、設(shè)施的產(chǎn)權(quán)界定和折舊方式等一系列政策問題尚未解決的情況下。對于高密度住宅區(qū)采用DHC系統(tǒng)進行冷熱聯(lián)供的條件尚不成熟。

3結(jié)語

　應(yīng)站在戰(zhàn)略的高度認識我國提高能源使用效率的重要性和緊迫性，從國家能源的有效利用和環(huán)境保護出發(fā)，趨利避害，吸收國際上各種先進的設(shè)計思想。隨著我國的社會進步和經(jīng)濟發(fā)展，天然氣作為大城市主要能源形式將是一個必然趨勢，建設(shè)以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，實現(xiàn)大城市中心城區(qū)等建筑物密集區(qū)域的熱力供應(yīng)，不僅一次能源利用效率高，實現(xiàn)能量的梯級利用，還能緩解夏季空調(diào)用電的高峰，提高電力設(shè)施的投資效益，緩解天然氣消費的季節(jié)性不平衡，提高燃氣管網(wǎng)的利用率，而且極大地減少了污染物和溫室氣體的排放，有利于環(huán)境保護。國家應(yīng)在政策的制定上積極支持保護先進的熱力供應(yīng)形式，由于建設(shè)以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)涉及電力、燃氣、熱力、房地產(chǎn)等各集團的自身利益，政府部門和立法機構(gòu)應(yīng)積極參與制定相關(guān)政策，平衡來自各利益集團之間的矛盾。政府各級規(guī)劃部門也應(yīng)積極倡導和采用先進的熱力供應(yīng)形式，以提高我國城市熱力供應(yīng)的水平。