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第十章 冷热电三联供系统
10.1概述
10.2集中式冷热电联供技术
10.3建筑分布式冷热电联供技术
10.1概述
如果将发电过程中所产生的“废热”直接用于工厂或建筑供热，就能合理
地利用能源，减少能源资源的消耗，同时，又能减少对环境的污染，起到
保护环境的作用。这种在生产电的同时，为用户提供热的能源生产方式称
为热电联供。如果利用热能来驱动以热能为动力的制冷装置，为用户提供
冷冻水，满足用户对制冷的需求，则称这种能源利用系统为冷热电三联供
系统，简称冷热电联供。 如图10-1所示是冷热电三联供系统的示意图。
冷热电联供系统按照规模大小可分为集中式冷热电联供系统和建筑冷热电
联供系统。如图10-2所示是热电联供系统与传统的分产系统的能源利用效
率比较。
图10-2热电联产系统与分产系统的能源利用效率比较
10.2集中式冷热电联供技术
一、集中式冷热电联供系统的形式
二、集中式冷热电联供系统的冷热媒及冷热量调节
三、集中式冷热电联供的输配系统
一、集中式冷热电联供系统的形式
集中式冷热电联供系统是以中央电厂为冷热源，通过管线，以蒸汽、高温
热水或冷冻水为媒介，将热或者冷从中央冷热源输送至民用、商业或工业
用户，为这些用户提供采暖、空调、生活热水、以及工业用热等服务，满
足用户对热或者冷的需求。同时，中央电厂所发出的电，通过当地电网，
输送给各种电用户，满足用户对电的要求。 如图10-3所示是集中式冷热电
联供系统的流程图。
图10-3集中式冷热电联供系统流程图
1-中央热电厂；2-输配管网；3-用户转换站；4-建筑用户；
5-输配电网；6-变压器
由于所使用的燃料和工艺不同，集中式冷热电联供系统的能量生产方式也
不相同，主要有以下几种形式。
1、锅炉加供热汽轮机型三联供系统
由于煤燃烧形成的高温烟气不能直接用于做功，需要经过锅炉将热量传给
做功工质—蒸汽，再通过蒸汽推动汽轮机做功。如图10-4所示是锅炉加供热
汽轮机三联供系统的原理图。
煤燃烧所释放的热能经锅炉水冷壁换热之后，传给锅炉内的水，水吸热并达
到一定的温度时，产生蒸汽，饱和水蒸气经过过热器进一步加热之后，变成
过热蒸汽，具有做功能力的过热蒸汽进入汽轮机，膨胀并做功，推动汽轮机
转动，汽轮机再带动发电机转动，产生电力输出，产生的电能经进一步变频、
升压之后，即可通过电网传输到各种电用户。做功后的低品位蒸汽用于供热，
或用于驱动吸收式制冷机制冷。凝结后的凝结水再经给水泵送入锅炉，继续
循环。这种循环称为热电循环。
根据汽轮机供热方式的不同，
可将热电循环分为背压式热电
循环和抽汽式热电循环两种。
背压式热电循环中，排气压力
高于大气压力，如图10-5所示。
图10-5背压式循环原理
如图10-6所示是中间抽汽供热系统的原
理图蒸汽在调节抽汽式汽轮机中膨胀至
一定压力时，被抽出一部分送给热用户，
其余蒸汽则经过调节阀继续在汽轮机内
膨胀做功，乏汽进入凝汽器，被冷却水
吸收热量之后，冷凝成水，然后与热用
户的回水一起被送入锅炉循环。这种系
统的重要优点是能自动调节热电出力，
从而可以同时较好地满足用户对热、电
负荷的不同要求。但这种系统由于有部
分热在冷凝器中被冷却水带走，因此其
热能利用效率要比背压式低。
图10-6中间抽气式循环原理
2、燃气轮机三联供系统
锅炉加供热汽轮机热电循环属于
外燃型发电，而燃气轮机属于内
燃机，因而发电效率要比外燃机
高。燃气轮机发电装置由三个部
分组成：压气机、燃烧室和涡轮
机。基本的燃气轮机循环采用布
雷顿循环，由绝热压缩、定压加
热、绝热膨胀组成基本的燃气轮
机发电循环如图10-7所示。
为了提高燃气轮机的发电效率，
通常在基本循环上加装回热、
再热及中间冷却装置，如图
10-8所示。
图10-7基本燃气同发电循环
由于燃气轮机的排气温度还相当高，热能利用率较低，为了提高热能利用效
率，可以利用余热锅炉或换热器对燃气轮机的尾气进行热回收，用于供热或
驱动吸收式制冷机，提供空调冷冻水，从而实现冷热电联供。燃气轮机冷热
电联供系统的原理如图10-9所示。
图10-9燃气轮机冷热电联供系统原理图
3、燃气轮机、蒸汽轮机联合循环冷热电联供系统
在上面所讲的燃气轮机单循环中，余热锅炉产生的蒸汽参数仍然很高，如果
增设供热汽轮机，使用余热锅炉所产生的较高参数的蒸汽在供热汽轮机中发
电，可以进一步提高发电效率，其抽汽或背压排汽用于供热或制冷，从而实
现冷热电的三联供。这种联合循环冷热电联供系统如图10-10所示。
二、集中式冷热电联供系统的冷热媒及冷热量调节
1．冷热媒的选择
提供同样的热量时，热水质量流量要远远大于蒸汽的质量流量，热水质量
流量大约是蒸汽质量流量的10倍。尽管如此，由于蒸汽的密度很小，输送
同样热量的蒸汽管要比热水管大，但蒸汽的凝结回水量很小，所以，回水
管也很小，从而可以弥补供汽管道较大的不足。因而，从管道安装成本来
看，采用蒸汽和热水为热媒的初装成本大体相当。但是，与热水管道相比，
蒸汽凝结回水管的腐蚀性较大，管道维修费用高。同时，供汽管还存在排
除管路凝结水的问题，因此，蒸汽作为热媒的集中供热系统的设计要比采
用热水为热媒时复杂得多。
热水系统可分为三种：温度高于180℃称为高温热水系统，温度在120～
180℃之间称为中温热水系统，温度低于120℃称为低温热水系统。
冷冻水可以由吸收式制冷机提供，传统的供水温度为5～7℃，供回水温
差为7℃。为减少输配管网的投资，有时采用更低的供水温度，从而可以
采用更大的供水温差，即大温差供水。对于水蓄冷系统，水温下限为4℃，
因为这时水的密度最大；对于冰蓄冷系统，水温下限可达到1℃。系统负
荷的大小及热源与用户之间的距离是影响供冷系统可行性的重要因素。
2．供热供冷系统的调节
供热供冷系统的负荷随气候条件的变化而不断变化，为了节约能源，必须
对系统进行调节。通常，集中供热供冷系统根据室外温度的变化而调节供
水温度对于供冷系统，当负荷降低时，适当提高供水温度，以满足负荷变
化的需要、提高供水温度，能够提高制冷机的COP值，从而减少制冷机的
能耗。同时，提高供水温度，可以减少管路冷量损失与供冷相反，当负荷
降低时，供热系统则降低供水温度，从而提高锅炉的热效率。
当然，冷水或热水温度不能无限制地提高或降低。例如，对于供冷的情况，
冷负荷除了与室外温度有关外，还在很大程度上与相对湿度有关这种情况
尤其是对于气候比较潮湿的地区，空气调节经常要涉及到除湿，也就是消
除潜热负荷。因此，尽管环境温度很低，为保证除湿的需要，仍需要很低
的供水温度。另外，供水温度还受用户的需求限制，供水温度不能低于用
户对冷、热水温度的最低要求。
三、集中式冷热电联供的输配系统
中央电厂所生产的热能必须通过管网最终传送给用户，在通过管网传送
冷热水或蒸汽时，可以采用直接连接或间接连接的方式或在直接连接方
式中、输配管网直接将冷热媒送入建筑设备系统，供建筑设备使用。而
采用间接连接力式时，输配管网与用户之间不是直接相通的，而是通过
中间换热器，将能量从输配管网传送至用户建筑设备系统。
1．直接连接
在直接连接方式中，输配管网与用户之间没有中间设备，冷热源系
统中的冷热媒直接流进建筑系统，因此，输配管网系统中的冷热媒与
建筑系统中的冷热媒具有同样的水质要求，而且，冷热媒更容易受到
污染，或者发生泄漏。通常这种系统必须对水质进行连续监测。对于
用户来说，直接系统可能会更经济，因为它不需要承担换热器、二级
循环泵的安装及维修费用，也不需要单独的水处理设备，因此，投资
相对较少。
如图10-11所示是一个简单的直接连接系统，系统包括压差控制器、
温度控制阀以及各种相关的控制调节阀门。对于有热计量要求的系统，
还往往配置有热量测量装置，通过测量用户供回水温度及流量，即可
测量出用户所使用的热量或冷量。
图10-11直接连接系统示意图
2．间接连接
如图10-12所示是间接连接系统示意图，除多了中间换热器之外，其他装
置与直接连接系统类似。安装中间换热器有多个作用，除起到热的传递作
用外，它还具有隔离、缓冲的作用。因此，输配管网与用户系统之间可以
有不同的水质要求。在间接连接系统中，换热器的传热量可以根据建筑负
荷的变化通过调节阀来调节，以维持换热器两边的水温在设定值。
图10-12间接连接系统示意图
10.3建筑分布式冷热电联供技术
一、分布式发电技术
二、热回收技术
一、分布式发电技术
建筑冷、热、电联供（Buildings Cooling, Heating, and Power，BCHP)是
指在建筑内部或其附近发电，以部分或者全部地满足建筑用电需求，同时
通过回收发电所产生的废热来驱动以热能为动力的用热设备，为建筑提供
冷、热、生活热水及湿度控制等服务。它通过对传统的现场发电技术与暖
通空调系统之间的集成，从而实现能源的梯级利用，提高了能源利用效率，
因而又称作集成式能源系统（Integrated Energy System,，IES)。与传统
的能源系统相比，BCHP系统可以提高能源利用效率30％以上，减少CO2
排放45%，总体能源利用效率超过80%，被认为是第二代能源系统。
建筑冷热电联供系统的流程如图10-13所示，由两大子系统组成：分布式
发电系统和热回收系统。分布式发电又称现场发电，主要包括发电装置、
控制装置及与当地电网之间的连接装置。其中发电装置的作用是将燃料的
化学能转化为电能。控制装置主要是实现电流、电压或频率的转换功能，
以保证输出的电力能够满足用户要求。而热回收系统的主要作用则是对发
电所产生的废热进行回收，并为建筑提供冷、热、生活热水或干燥空气等。
图10-13建筑冷热电联供系统流程图
分布式发电技术是一种小规模现场发电技术，应用于建筑冷热电联供系统
的分布式发电技术主要包括：微型燃气轮机、燃料电池和往复式内燃机。
（1）微型燃气轮机（Mi-croturbine，MT）微型燃气轮机是指单机功率为
30～400kW的一种小型热力发动机，它是20世纪90年代以来才发展起来
的一种先进的动力装置，装置采用布雷顿循环，主要包括：压气机、燃烧
室、燃气轮机、回热器、发电机和控制装置等组成部分。其工作流程图如
图10-14所示 。
图10-14微型燃气轮机系统的结构流程图
(2)往复式内燃机（Internal Combustion Engines，ICE）内燃机是一种已经
成熟了的现场发电技术，它已经在很多地方被用做备用电源或现场发电。
内燃机的发电效率为30％～40%（基于低位热值的效率），其燃料可以是
汽油、柴油或天然气等。在分布式发电技术中，内燃机的成本最低，然而，
由于内燃机的运动部件较多，所以维修费用高，且污染排放浓度高，有一
定的低频噪声问题。通过燃用天然气和采用催化燃烧技术，可以降低污染
排放浓度。另外，内燃机的调节性好，部分负荷效率高，排气温度高。
二、热回收技术
分布式发电技术的排气温度一般都较高，还包含有大量的可利用热能，为
提高能源利用效率，可对排气中的热量进行回收，回收后的热能用于为建
筑供暖、空调或进行湿度控制。利用气、水换热器，可以将排气用于提供
热水或蒸汽，这些热水或蒸汽除直接用于为建筑供暖或提供生活热水外，
还可用于驱动吸收式制冷机为建筑提供冷水和用于再生干燥剂为建筑提供
干燥空气。
(1)吸收式制冷技术如图10-15所示是吸收式制冷的原理示意图，其基本循环与
电制冷相似，区别只是在于电制冷使用电动机驱动压缩机提高制冷剂蒸气压力，
而吸收式制冷是依靠热能通过发生器来加压制冷剂蒸气的。吸收式制冷除溶液
泵消耗很少的电之外，其主要能源是热能，因此，可以通过发电尾气的热能来
驱动，组成联供系统。
图10-15发电尾气驱动的吸收式制冷工作流程
目前使用的吸收式制冷机主要是单效和双效，三效吸收式制冷机还处在开发过
程中。吸收式制冷机的工作介质主要是溴化锂水溶液或氨水溶液，其中溴化锂
吸收式制冷机的效率较高，已经实现了商业化。
(2)干燥剂除湿技术为维持一个舒适的室内环境，除必须保持室内空气在一定
的温度范围内外，还必须维持室内空气保持一定的湿度。为防止发霉，抑制
细菌、病毒的生长和繁殖，确保室内相对湿度低于60％是必要的。
传统空调控制湿度的方法是通过用低于送风空气露点温度的冷冻水来冷却空
气，使空气中的水蒸气凝结下来。除采用冷却除湿之外，还可以采用干燥剂
除湿。干燥剂除湿是让潮湿空气通过干燥剂，干燥剂吸收或吸附空气中的水
蒸气而使得空气湿度下降，处理后的干燥空气经冷却之后送入空调房间，以
维持舒适的室内环境。
干燥剂除湿分为固体干燥剂除湿和液体干燥剂除湿。固体干燥剂除湿的流
程如图10-16所示。固体干燥剂主要有硅胶、活性炭、氯化钙等 .
图10-16发电尾气驱动的固体干燥剂除湿流程
液体干燥剂除湿流程如图10-17所示。液体干燥剂主要有氯化锂、氯化钙等水
溶液。
图10-17发电尾气驱动的液体干燥剂除湿流程