本文介紹冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)建設(shè)的論證過程和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以及配電系統(tǒng)的設(shè)計思路，供同行參考。
1 分布式能源的概念及國家相關(guān)政策、規(guī)范
分布式能源是一種建立在用戶端的能源供應(yīng)方式，可獨立運行，也可并網(wǎng)運行， 是以資源、環(huán)境效益最大化來確定能源種類和容量，并將用戶的多種能源需求以及資源配置狀況進(jìn)行系統(tǒng)整合優(yōu)化后，采用需求應(yīng)對式設(shè)計和模塊化配置的新型能源系統(tǒng)，是相對于集中供能而言的分散式供能方式。
分布式能源包括太陽能利用、風(fēng)能利用、燃料電池以及燃?xì)饫洹�、電三�?lián)供等多種形式，可以與電力、熱力、制冷與蓄能技術(shù)結(jié)合，以滿足用戶的多種需求，實現(xiàn)能源梯級利用，并通過公用能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補(bǔ)充，實現(xiàn)資源利用最大化。
2011年3 月1日CJJ145-2010《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》開始實施， 該規(guī)范1.0.2 表明：本規(guī)程適用于以燃?xì)鉃橐淮文茉�，發(fā)電機(jī)總?cè)萘啃∮诨虻扔?5 MW、新建、改建、擴(kuò)建的供應(yīng)冷、熱、電能的分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計、施工、驗收和運行管理。同年，Q/GDW480-2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》也開始實施，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了新建或擴(kuò)建分布式電源接入電網(wǎng)時應(yīng)遵循的一般原則和技術(shù)要求。
上述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的實施為民用建筑中三聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用提供了設(shè)計依據(jù)。
2 天然氣冷熱電三聯(lián)供的原理
天然氣冷熱電三聯(lián)供， 又稱CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），作為眾多分布式能源中的一種形式，主要由兩部分組成—發(fā)電系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒潔凈的天然氣來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電；余熱回收系統(tǒng)包括余熱鍋爐和余熱直燃機(jī)等，該系統(tǒng)對發(fā)電做功后的余熱（內(nèi)燃機(jī)排出的400 ~ 600℃ 的煙氣）進(jìn)一步進(jìn)行回收，供給吸收式制冷機(jī)組（溴化鋰制冷機(jī)組）用于制冷，供給余熱鍋爐用于采暖和提供生活熱水等。最終能源利用效率可以達(dá)到80％以上，這是一種高效節(jié)能環(huán)保的新型能源利用方式，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)運行原理如圖1所示。
內(nèi)燃機(jī)以天然氣為能源，通過天然氣燃燒將天然氣中約37％的能量轉(zhuǎn)化為電能，其余大部分能量是在煙氣余熱和內(nèi)燃機(jī)缸套水介質(zhì)中，約占63%的天然氣能量，這些熱量被余熱系統(tǒng)回收用來產(chǎn)生所需冷和熱。系統(tǒng)可由高度智能化的控制系統(tǒng)集中控制，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組和余熱回收系統(tǒng)的聯(lián)鎖運行，在不同的冷熱電負(fù)荷情況下可以按不同的運行方式運行，同時還可接入建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。圖2為三聯(lián)供系統(tǒng)的天然氣能量梯級利用框圖。從圖中可以看出，天然氣的能源利用率約為87%，剩余的13%為不足100℃的煙氣和內(nèi)燃機(jī)的缸套水溫，此部分能量尚無法充分利用，這也是天然氣的能量損耗部分（目前廠家產(chǎn)品和工程實例等均表明天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組有35% ~ 40%的能量轉(zhuǎn)換為電能，本文中為便于計算說明，表述為“約37%”，余熱回收約50%同理）。
3 民用建筑三聯(lián)供系統(tǒng)方案分析
分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的建設(shè)首先要確定的是“以熱定電” 還是“以電定熱”。這是三聯(lián)供系統(tǒng)的兩種運行方式。“以熱定電”是以熱需求（冷熱負(fù)荷）為基準(zhǔn)，來確定系統(tǒng)的電力輸出；相反，“以電定熱”則是以電負(fù)荷需求為基準(zhǔn)，來確定系統(tǒng)的熱需求（冷熱負(fù)荷）輸出。下面以某辦公樓為例進(jìn)行分析。
3.1 建筑概況
該辦公樓建筑面積5.2 萬m2，其中地下1.4萬m2用于停車庫，地上3.8萬m2主要用于辦公，建筑高度99m，地上23 層。能源中心設(shè)于樓外，夏季供冷、冬季采暖面積為地上的3.8萬m2。
3.2 全樓用電負(fù)荷分析
季節(jié)性負(fù)荷為全樓夏季供冷和冬季采暖及其配套設(shè)備的用電負(fù)荷，由于采用三聯(lián)供系統(tǒng)，制冷機(jī)組的能源和采暖熱水的能源為發(fā)電機(jī)余熱，所以能源中心的用電負(fù)荷（主要為溴化鋰機(jī)組和循環(huán)水泵） 較小，且由于與三聯(lián)供系統(tǒng)同步運行，能源中心的用電負(fù)荷由發(fā)電機(jī)組提供即可。所以在向供電部門申請用電時
可不考慮此部分負(fù)荷。
非季節(jié)性用電負(fù)荷需求，采用單位指標(biāo)法進(jìn)行計算：車庫負(fù)荷按15W/m2 計共約210kW，辦公照明等負(fù)荷按35W/m2計共約1330kW，特殊設(shè)備（22 層、23 層有部分實驗設(shè)備）300kW，共約1840kW，這是全樓常年運行的非季節(jié)性計算負(fù)荷，由于三聯(lián)供系統(tǒng)僅在夏、冬季運行，所以非季節(jié)性負(fù)荷仍需取得市電電源，確保全年正常運行。春、秋兩季此部分負(fù)荷由市電供電，冬、夏兩季此部分負(fù)荷首先由發(fā)電機(jī)組供電，缺口部分由市電補(bǔ)充。這也就決定了發(fā)電機(jī)組必須與市電并網(wǎng)運行。
3.3 全樓冷熱負(fù)荷分析
全辦公樓夏季空調(diào)冬季采暖面積3.8萬m2， 暖通專業(yè)提供的夏季空調(diào)總計算負(fù)荷約5050kW，如果全部采用內(nèi)燃機(jī)的余熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則需要發(fā)電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定輸出功率約［（5050kW /1.1）/50 %］×37%=3397kW（吸收式制冷機(jī)組采用溴化鋰機(jī)組，是以熱力驅(qū)動制冷機(jī)組，熱力系數(shù)為1.1）；同理，暖通專業(yè)提供的冬季采暖總計算負(fù)荷約3465 kW，如果全部采用內(nèi)燃機(jī)的余熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則需要發(fā)電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定輸出功率約［（3465kW/0.8）/50 %］×37%=3205kW（內(nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動余熱鍋爐生產(chǎn)高溫?zé)崴邷責(zé)崴?jīng)板式換熱器生產(chǎn)采暖熱水，供全樓采暖負(fù)荷，其中的轉(zhuǎn)換效率暖通專業(yè)取0.8）。但是，全樓的非季節(jié)性用電總負(fù)荷僅為1840 kW，不能全部消化上述發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，即驅(qū)動發(fā)電機(jī)內(nèi)燃機(jī)的余熱既不能保證冬季采暖負(fù)荷，更不能保證夏季的空調(diào)制冷負(fù)荷。所以“以熱定電”在本辦公樓中不能實現(xiàn)，只能“以電定熱”。即先根據(jù)全樓用電負(fù)荷，確定發(fā)電機(jī)的額定功率，然后再根據(jù)驅(qū)動發(fā)電機(jī)內(nèi)燃機(jī)的余熱量，確定所能夠轉(zhuǎn)換的采暖負(fù)荷或空調(diào)負(fù)荷，這樣針對整個辦公樓的采暖負(fù)荷或空調(diào)負(fù)荷的缺口部分，再設(shè)置天然氣直燃鍋爐補(bǔ)充，與余熱鍋爐并列運行，確保整個辦公樓的采暖負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷需求。
3.4發(fā)電機(jī)組容量確定
發(fā)電機(jī)組額定容量的確定，需以全樓用電負(fù)荷的計算負(fù)荷作為依據(jù)，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性和社會效益。
后文將會提到，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)較傳統(tǒng)的市電供電（電動壓縮制冷） 還是稍微節(jié)約一些的，這種情況下，發(fā)電機(jī)組的容量越大，經(jīng)濟(jì)性也就越明顯。同時，分布式能源本身就是一種節(jié)能環(huán)保的措施，雖然少用了公用電網(wǎng)的電能而多消耗了天然氣，但相比燃煤火力發(fā)電，天然氣是清潔能源，無污染，同時能源也得到了梯級充分利用，社會效益明顯。綜上，在該項目的方案論證過程中，筆者建議盡可能提高三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)模，達(dá)到充分顯示三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能效益的目的。
目前較為普遍的情況是進(jìn)行負(fù)荷計算時，計算結(jié)果往往偏大。如按單位指標(biāo)法，辦公樓用電指標(biāo)為30~70 W/m2，若取其上限70W/m2，則去除電動壓縮制冷空調(diào)系統(tǒng)用電35W/m2，辦公樓中的照明、動力用電負(fù)荷約35W/m2。筆者調(diào)研過某辦公樓，按35W/m2計算的照明、普通動力用電變壓器設(shè)計負(fù)載率在60%，但實際運行中變壓器負(fù)載率不超過30%。所以前述本辦公樓的負(fù)荷估算1840kW是偏大的。
因此， 經(jīng)與暖通專業(yè)設(shè)計人員多次溝通協(xié)商，本工程最終選用兩臺700kW的天然氣發(fā)電機(jī)組，使發(fā)電機(jī)的總安裝容量略低于本樓除空調(diào)外的總用電負(fù)荷，保證發(fā)電機(jī)組能滿負(fù)荷投入運行，并確保內(nèi)燃機(jī)所提供的余熱能夠持續(xù)穩(wěn)定，盡量避免制冷系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)的運行工況出現(xiàn)頻繁的、幅度較大的波動。天然氣發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量供全樓用電，機(jī)組發(fā)電與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，并保證三聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)電被優(yōu)先使用，市電作為補(bǔ)充。由于發(fā)電機(jī)組容量不大，其額定電壓確定為0.4kV，這樣可便于發(fā)電機(jī)組在變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)運行，也避免了10kV發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時與供電部門協(xié)調(diào)的麻煩。
3.5 配電系統(tǒng)主接線型式
發(fā)電機(jī)組臺數(shù)的確定與辦公樓的供配電系統(tǒng)有密切關(guān)系。本辦公樓為一級負(fù)荷用戶，由兩路10kV雙重電源供電，設(shè)置兩臺降壓變壓器分列運行。設(shè)置兩臺發(fā)電機(jī)組可以分別與兩臺變壓器并網(wǎng)運行，使配電系統(tǒng)可靠、簡單、合理，電氣系統(tǒng)主接線如圖3 所示。
4 民用建筑三聯(lián)供系統(tǒng)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
一般情況下，對于冬季需要供熱、夏季需要制冷的城市，用戶的解決方案大致有兩種：一是需夏季購買電能制冷、冬季購買市政熱能采暖；二是購買天然氣采用直燃機(jī)解決夏季制冷冬季采暖的需要。當(dāng)用戶采用分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)時， 其建設(shè)費用將會大于上述兩種技術(shù)方案的建設(shè)費用，但它的優(yōu)勢在于實際運營階段的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于其他方式。技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案對比后發(fā)現(xiàn)，三聯(lián)供系統(tǒng)新增的投資費用主要發(fā)生在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組投資等方面，但是用戶可在自發(fā)電費用中節(jié)約開支。同時，三聯(lián)供系統(tǒng)的能源利用率更高，經(jīng)濟(jì)效益、社會效益也更明顯。
4.1 年發(fā)電量折算
兩臺機(jī)組均按700kW工況連續(xù)運行，每日8h，每年制冷采暖季共按200日計算，年工作1600h，每年發(fā)電量共為224萬kWh。同時，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的余熱為（224/37%）×50%= 303萬kWh，此部分余熱驅(qū)動溴化鋰制冷機(jī)組制冷，熱力系數(shù)按1.1 計，共可產(chǎn)生333萬kWh的冷量。如果采用電動壓縮機(jī)制冷獲取相當(dāng)?shù)睦淞�，制冷效率（COP值）按4計，則消耗電量為333/4= 83.3萬kWh。此為被利用的余熱所相當(dāng)?shù)碾娏浚从酂崂盟?jié)約的電量。
所以，可視為供給發(fā)電機(jī)組內(nèi)燃機(jī)的天然氣能源充分利用后相當(dāng)于產(chǎn)生了224 +83.3= 307.3 萬kWh電能。
4.2 每年消耗天然氣費用
每一標(biāo)準(zhǔn)立方米（Nm3）天然氣的熱值為36MJ，其中的37% 轉(zhuǎn)化為電能，即內(nèi)燃機(jī)組可發(fā)電3.7kWh。按年發(fā)電量224萬kWh，則年耗氣量為60.5萬m3，天然氣按3.61元/m3（濟(jì)南地區(qū)價格）計，年耗氣費用為60.5×3.61= 218.4萬元。折合發(fā)電單價218.4/307.3 =0.71元/kWh。
4. 3 年運行費用
a.人員及管理費用：電站需運行管理技術(shù)人員按2人計，每人每年按5萬計， 則人員費用為10 萬元。折合發(fā)電單價10/307.3 = 0.0325元/kWh。
b.機(jī)油消耗費用：機(jī)組的機(jī)油消耗率為1.5g/kWh，按700kW×2 連續(xù)工作運行，年工作1600h，兩臺機(jī)組每年消耗機(jī)油3360kg，機(jī)油價格為6元/kg，則機(jī)油費用為2.016萬元。折合發(fā)電單價2.016/307.3 = 0.0066元/kWh。
c.設(shè)備折舊費用：每臺機(jī)組價格為70 萬元，按運行20年報廢，殘值率按5% 計，兩臺機(jī)組每年的折舊費用約為6.65萬元。折合發(fā)電單價0.022元/kWh。
d.維護(hù)及配件費用：每臺機(jī)組每年5萬元，合計為10萬元。折合發(fā)電單價10/307.3 = 0.0325元/kWh。
e.發(fā)電機(jī)組占地費用：由于增加發(fā)電機(jī)組，約增加了50 m2的占地面積，1m2面積價格按3000元計，占地費用約為15 萬元。按運行50 年計，每年的占地費用為0.3萬元，折合發(fā)電單價0.3/307.3= 0.001元/kWh。
4.4 折合發(fā)電單價
綜上，折合發(fā)電單價為（0.71+ 0.0325 +0.006 6+ 0.022 + 0.0325 + 0. 001）= 0.8046元/kWh （經(jīng)查詢，一般濟(jì)南工商業(yè)用電價格：1～10 kV 為0.89元/kWh）。
4.5 回收年限分析
每年發(fā)電量為224萬kWh，每kWh自發(fā)電折合單價與市政電網(wǎng)的差價約為0.08 元；每年電費差價為224×0.08= 17.92 萬元；發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備投資約70×2（發(fā)電機(jī)組價格）+ 15（設(shè)備占地面積所用費用）= 155萬元；投資回收年限約155/17.92≈ 9年。
通過以上分析，采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，比聯(lián)網(wǎng)用電單價略低。但從投資回報來看優(yōu)勢不明顯。本工程作為示范性項目，如果政府能夠適當(dāng)對天然氣價格實行特殊補(bǔ)貼，將會有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
5 民用建筑三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用總結(jié)
a. 能源梯級利用，綜合利用率較高。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)其綜合能源利用率可接近90%。從能量品質(zhì)的角度看，燃?xì)忮仩t的熱效率雖然也能達(dá)到90 %，但是它最終產(chǎn)出能量形式為低品位的熱能，而三聯(lián)供系統(tǒng)中將有37％ 左右的高品位電能產(chǎn)出，電能的做功能力是相同數(shù)量熱能的2倍以上，所以三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源利用效率比燃?xì)忮仩t直接燃燒天然氣供熱高得多。另外，系統(tǒng)建設(shè)在用戶附近，與傳統(tǒng)長距離輸電相比，還能減少6% ~7% 的線損。
b. 對燃?xì)夂碗娏τ邢麟娏χ逄钊細(xì)庵鹊淖饔�。我國大部分地區(qū)冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調(diào)用電使得夏季電負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冬季，即電力使用的高峰出現(xiàn)在夏季。而目前50% 以上的天然氣消費量用于冬季采暖，即燃?xì)馐褂玫母叻宄霈F(xiàn)在冬季。采用燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)，夏季燃燒天然氣制冷，增加夏季的燃?xì)馐褂昧�，減少夏季空調(diào)的電力負(fù)荷，同時系統(tǒng)的自發(fā)電也可以降低電網(wǎng)的供電壓力。
c.清潔環(huán)保，減少碳排放。天然氣是清潔能源，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的排放指標(biāo)均能達(dá)到相關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)美國的調(diào)查數(shù)據(jù)，采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)分布式能源，寫字樓類建筑可減少溫室氣體排放22.7%，商場類建筑可減少溫室氣體排放34.4%，醫(yī)院類建筑可減少溫室氣體排放61.4%，體育場館類建筑可減少溫室氣體排放22.7%，酒店類建筑可減少溫室氣體排放34.3%。
d.與電網(wǎng)互相支撐，提高供電安全性。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組作為備用電源與市電并網(wǎng)運行，提高了供電的可靠性。在春秋季系統(tǒng)不運行時，發(fā)電機(jī)組亦可作為備用電源，尤其是對于醫(yī)療、酒店等建筑節(jié)約了柴油發(fā)電機(jī)組的安裝投入。
