0 引言
分布式能源技术可实现对能源进行综合梯级利用，是我国能源领域的前沿技术之一。该技术已被列入我国战略性新兴产业发展规划，发展前景广阔。多能源综合供热系统是将可再生能源和清洁能源集成化的供热系统，可实现燃气冷热电三联供系统和污水源热泵系统以及燃气锅炉3种系统的优势互补与能源合理配置，进一步推动节能、环保、低碳工作，促进供热水产品的技术升级，提高生活和工作环境的舒适度。
1 多能源供热系统案例
1.1 项目概况
该项目供热能源站位于山东省济南市某污水处理厂附近，其主要供暖热用户为某居住小区，设计供热面积30万m2，设计热负荷10 MW，冬季能源站设计供回水温度55 ℃/45 ℃。能源站主要以某净化水厂出水作为污水源，采用污水源热泵系统供热；同时，以天然气为主要驱动能源，采用燃气冷热电三联供系统和燃气锅炉调峰系统与污水源热泵系统并联。3个系统组成的多能源供热系统共同向小区供热，已成功运行1 a，供暖效果良好。
1.2 供热系统介绍
1.2.1 燃气内燃机系统
燃气冷热电三联供系统是在热电联产技术的基础上发展起来的一种能源供应方式，属于新型分布式能源系统，其机组以小型化、分散化的方式布置在用户附近，可同时向用户供冷、供热、供电，实现能源的综合梯级利用，是一种能源转换技术的集成化应用。
该项目燃气三联供系统采用1台功率为1 024 kW的燃气内燃发电机，燃气耗量240.39 m3/h。所发电能通过电缆并入厂区供电系统，在0.4 kV低压侧为厂区及配套系统供电，可承担螺杆式污水源热泵和能源站设备用电、照明及动力负荷。发电机组的余热利用是指对缸套水和废气热量进行综合利用，冷却水通过板式换热器与发动机的缸套水进行换热，使得外循环水的温度升高，再经过烟气换热器与废气进行换热，温度继续升高后供给用户。
1.2.2 螺杆式污水源热泵系统
采用3台额定供热量3 281.7 kW的螺杆式污水源热泵机组，单台输入功率796.9 kW。螺杆式污水源热泵机组的用电负荷应优先采用燃气内燃发电机所发电量，不足部分由市电补充。污水源热泵机组设置在隔音室内，有效降低了对环境的噪声污染。
1.2.3 燃气锅炉
采用1台燃气热水锅炉作调峰使用，额定热功率3.5 MW，设计热效率92%，燃气用量339.4 m3/h。当室外温度下降、热负荷增加到主热源无法满足系统要求时，启动调峰热源。
该供热系统采用燃气冷热电三联供系统，燃气锅炉系统与污水源热泵系统并联给用户供热的方式，系统图见图1。
图1 供热系统图
2 系统运行经济性分析
在确保能承担小区供热负荷的前提下，对该系统分以下4种运行方案进行比较。方案1：不运行燃气内燃发电机；方案2：电价峰时段发电机运行；方案3：电价峰、平时段发电机运行；方案4：电价峰、谷、平时段发电机均运行。
电价按照大工业用户峰、谷、平电价计算，高峰时段为08:30—11:30，16:00—20:00；低谷时段为23:00—07:00；其余为平时段。峰电价格为0.89元/(kW•h)，平电价格为0.59元/(kW•h)，谷电价格为0.29元/(kW•h)。天然气价格为3元/m3。供暖期天数按照120 d计算，每天运行24 h。
2.1 方案1年运行费用分析
不运行燃气内燃发电机，只运行3台污水源热泵时年运行费用见表1。
表1 方案1年运行费用
该系统2015年2月20日至3月20日仅开启3台污水源热泵，实际运行电费为1 086 723.49元，核算到4个月为4 346 893.96元，实际运行电费与计算结果误差不大。
2.2 方案2年运行费用分析
发电机电价峰时段运行、污水源热泵一直运行时年运行费用见表2。
表2 方案2年运行费用
2.3 方案3年运行费用分析
电价峰、平时段发电机组运行，污水源热泵一直运行时年运行费用见表3。
表3 方案3年运行费用
2.4 方案4年运行费用分析
电价峰、谷、平时段发电机均运行，污水源热泵一直运行时年运行费用见表4。
表4 方案4年运行费用
根据表1~4中数据可以看出，方案2和方案3的年运行费用均低于方案1，方案2的年运行费用最低，比不运行发电机每年可节约182 582元，具有较大的经济效益。目前，济南市政府有关部门正在优化调整能源结构，降低煤炭消耗，提高清洁能源使用比例，确定拆除35 t/h以下的全部小型锅炉，推进煤改气、煤改电，作为清洁能源的天然气价格有下调趋势，届时该项目将具有更好的经济效益。
3 系统经济效益、稳定性及能效分析
3.1 经济效益及稳定性
该工程多热源系统中的燃气冷热电三联供系统以燃气作为一次能源，将发电系统与供热系统结合，以燃气内燃机为原动机驱动发电机发电，发电后的高温烟气和缸套水通过余热回收设备进行再利用，虽然其单项发电效率不如大型发电厂的高，只有30%左右，但将其用于供热的余热计算在内后，一次能源利用率可提高到88%。天然气近似为一种清洁能源，其燃烧过程排放的污染物总量比燃油少35%，比燃煤少70%，环境效益显著。
污水源热泵是指从城市生活废水或者从工业生产污水中提取热量，并转换成可利用的清洁能源来实现夏季供冷、冬季供暖的热泵系统。与目前大量采用的自备锅炉房或者区域锅炉房相比，污水源热泵不但有很好的节能效果，同时还能减少CO2，SO2，NOx的排放量。所以污水源热泵对降低温室效应有一定作用，还能减少酸雨对环境的破坏。
GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定“供暖室外计算温度应采用历年平均不保证5天的日平均温度”，即整个供暖期内，最大热负荷的持续时间应在120 h内。考虑到节省设备、管网方面的初投资和煤、水、电、人工等运行费用，在室外温度低于设定温度时，可能出现供热能力不能满足供暖热负荷要求的情况，该系统采用燃气锅炉承担部分高峰负荷，保证用户侧供热效果不受极寒天气影响，使整个系统运行稳定、可靠。通过入户调查得知，供暖期间用户室内温度均能达到用户满意程度，实现了用户零投诉。
3.2 能效分析
该能源站留有空间可配备烟气吸收式热泵机组，实现能源的梯级利用，该项目燃气内燃机可配1台发热量814.4 kW的烟气型吸收式热泵机组。
燃气冷热电三联供系统的年平均能源综合利用率应高于70%。燃气冷热电三联供系统的年平均能源综合利用率定义为联供系统输出能量与输入能量之比，即
式中 v为年平均能源综合利用率；W为年发电总量，kW•h；Q1为年余热供热量，MJ；Q2为年余热供冷量，MJ；B为年燃气总耗量，m3；QL为燃气低位发热量，MJ/m3。
通过式(1)计算得出该项目燃气冷热电三联供系统年平均能源综合利用率为77%，符合能效指标规定。
4 结论
1)通过分析案例项目运行情况可知，多能源综合供热系统在济南地区运行节能效果良好，可以推广使用。
2)在济南地区，燃气冷热电三联供系统并联污水源热泵系统电价峰时段运行三联供模式，是最为经济的。
3)多能源中的冷热电三联供系统，峰值期间节能效果极佳，可以扩大装机容量，使整个系统运行调节更节能。
4)通过实际工程运行效果可以看出，多能源综合供热系统具有良好的适用性以及显著的节能和环保效益，也具有一定的市场竞争力。
全文刊登于《暖通空调》杂志2017年第10期
作者：济南能源建设发展集团有限公司 耿 房 周 旭 王志杰
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