能量梯级利用技术及其在循环经济中的应用

（1）能量梯级利用的一般概念 能量的梯级利用是能源高效利用的基本原理，也是相关系统集成创新的核心。20世纪80年代，吴仲华先生首次将热力系统集成原则概括为“温度对口，梯级利用”原理。2005年，国务院发布了关于加快发展循环经济的若干意见，其中技术开发部分重点强调了能量的梯级利用技术、废物综合利用技术、新能源和可再生能源开发利用技术。2006年，国家中长期科技发展规划中有11个重点领域，能源列为第一领域，设有68个优先主题，节能位于第一主题，能源环境首次位于优先位置，并且明确指出了“能量的综合梯级利用技术”，可见科学用能与高效能源动力系统从能量的梯级利用发展到了能源的综合梯级利用。

能源综合梯级利用的主要核心科学问题可归纳为三个：一是将能源的梯级利用概念引入化学能及化学能向物理能转化的阶段，以实现化学能与物理能的综合梯级利用；二是提出多功能综合新思路，试图解决独立系统无法解决的矛盾，提高热力性能与实现环保之间的矛盾，以实现不同用能系统的有机联合；三是寻求能源动力系统与环境相容协调，以实现更高层次的循环系统集成。

在实际用能的过程中，经常是不按能量的质来使用热能，从而造成热能浪费的现象。例如：①在工厂中常常把高参数的蒸汽经过节流降为低参数的蒸汽来使用。如常用的低压锅炉生产的1.3MPa的饱和蒸汽，经节流过程降为生产所需的0.3MPa的蒸汽来使用，能的数量基本上没有减少，但降低了能的品质，这是很不合算的。②利用燃料燃烧直接对房屋供暖，也是很不合理的热能利用方式，没有利用可达1000℃的高温热源，把优质热能用于低质热能完全可以满足要求的采暖上，浪费了优质热能。如果将高品质的高温热源通过热机将其转变为机械能，然后再利用此机械能通过热泵系统去提供所需的热量，从理论上讲，1kJ的燃烧热可以提供12kJ采暖所需的低温热量，由此可见按质使用热能的重要意义。此外还应当在热能利用过程中尽可能减少由于不可逆过程所引起的贬值，如燃料的燃烧、化学反应、有温差下的换热、介质的节流降压、有摩擦的扰流等。因此燃烧和化学反应过程应尽可能在高温下进行；加热冷却等换热过程应使放热和吸热介质的温度接近；力求避免介质节流降压和摩擦扰流等。

（2）热电冷三联供受到各国的特别关注 由于在生活和各类工业生产中都需要供热或制冷，所以在能量的梯级利用中集中供热、热电联产和热电冷三联供是最普遍的问题，因此受到世界各国的广泛重视和迅速的发展，其中热电冷三联供受到各国的特别关注。热电冷联产（Combined Cooling Headand Power———CCHP，又称分布式能源系统）是一种建立在能源梯级利用基础上，将制冷、供热采暖和供热水及发电一体化的总能系统，目的在于提高能源利用效率，减少CO及有害气体的排放。与集中式发电-远程送电比较，可以大大提高能源利用效率。如大型发电厂的发电效率一般为35%～55%，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到30%～47%。而热电冷联产（CCHP）的能源利用率可达到90%，没有输电损耗，另外热电冷联产（CCHP）在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力。据有关专家估算，在美国如果从2000年起，每年有4%的现有建筑的供电、供暖和制冷采用热电冷联产（CCHP），从2005年起的25%新建建筑及从2010年起的50%新建建筑均采用热电冷联产（CCHP）的话，到2020年的CO₂的排放量将减少19%。如果将现有建筑实施热电冷联产（CCHP）的比例从4%提高到8%，到2020年的CO₂的排放量将减少30%。

传统的单一大型集中供能方式解决当前世界能源产业面临亟待解决的问题，如合理调整能源结构；进一步提高能源利用效率；改善能源产业的安全性；解决环境污染存在一定困难，而以热电冷联产（CCHP）为代表的分布式能源系统恰好可以在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出贡献。热电冷联产（CCHP）具有六个方面的主要特征：①燃料的多元化；②设备的小型、微型化；③热电冷联产化；④网络化；⑤智能化控制和信息化管理；⑥高标准的环保水平。热电冷联产系统在世界各国的能源规划与发展中得到重视，同时也是我国鼓励发展、积极推动的技术方向及供能方式。目前全世界都在推动热电冷联产（CCHP）的建设，积极试点，认真进行立法准备，抓紧开发配套相关设备。

热电冷联产（CCHP）分布式能源系统的主要优点有：

1）实现热电冷联产，通过余热回收技术可以实现蒸汽或热水供应，或使用吸收式制冷机组提供空调或工艺性用冷，可以将能源效率提高到60%～90%。

2）能源生产设备靠近用户，生产的热量、冷量和电量可直接使用，改进了供能的质量和可靠性，减少了输配电设备的投资和电网的输送损失。

3）装置容量小，占地面积小，初投资少。用户可以直接投资建设小型的分布式联产电站，随着技术的不断进步和成熟，未来热电冷联产的分布式能源技术的投资成本还会降低，毫无疑问，这种趋势可以开拓更为广泛的用户市场。

4）建设周期短。常规电站项目实施总要经历立项、设计及谈判、项目建设、启动等阶段，如燃煤电厂要5～7年，燃气电厂要3～5年，而热电冷联产分布式发电站建设只要0.5～1.5年。

5）机组分散，系统更加灵活，可以将其分解进行设备维护，对发电系统影响较小。

6）热电冷联产的分布式供能站运行噪声低、污染排放少。(www.xing528.com)

7）新型机组可以在多种燃料下运行（如微型燃气轮机，带有燃料处理装置的燃料电池系统）。能源选择的灵活性可减少用于建设燃料供给基础设施的投资。另外还可以使用生物质气化产生的燃料。在很多发展中国家，特别是农业国，生物质（如木材、农副产品、猪废料）资源丰富，价格低廉。

8）偏远地区避免了建设投资大的电网，可以直接利用当地资源，选择建设热电冷联产的分布式电站。

热电冷联产（CCHP）分布式能源系统的种类多种多样，但其基本结构大致相同，一个完整的分布式能源系统的组成为：发电设备（汽轮机、燃气轮机、微型涡轮机、内燃机或燃料电池）；供热或制冷设备（溴化锂吸收式冷热水机组、电制冷机组）、锅炉或蓄热系统、汽—水换热器、调节装置（使蒸汽参数符合用户要求）、储能装置及建筑控制系统等。

（3）分布式能源系统 在这里有必要讨论一下分布式发电的基本概念。分布式发电（DG）一般是指为了满足一些终端用户的特殊需求而接在用户侧附近的小型发电系统，而分布式电源（DR）是指分布式发电（DG）与储能装置（ES）（蓄电池、超级电容、飞轮储能等）的联合系统。这种发电技术可利用多种能源（天然气、煤层气、沼气、太阳能、生物质能、氢能、风能等），因此是一种环境友好的发电技术。目前较多见的是分布式发电系统，它直接接入配电系统并网运行，也有向负荷直接供电而不与电力系统相连，形成独立供电系统，或形成所谓的孤岛运行的方式。当其接入配电网并网运行时，在某些情况下可能对配电网产生一定的技术上的影响，因此对需要高度可靠性和高电能质量的配电网来说，对分布式发电系统的接入是相当慎重的，要特别注重DG所产生的一些负面影响。当采用孤岛运行方式时，为保持系统的频率和电压的稳定，储能系统往往是必不可少的。为了提高能源的利用效率并降低成本，这种发电技术往往采用热、电、冷联供（CCHP）的方式，或仅采用热电联供（CHP）的形式。从能源利用、节能和环保的角度，这种发电技术被认为是一种极有发展前途的未来发电技术。

由于这种发电技术正处于发展过程，因此无论是国内还是国外，在概念和名词术语的叙述和采用上均比较混乱。根据美国IEEE_P1546/D08《关于分布式电源与电力系统互联的标准草案》中的定义，采用分布式发电或分布式电源的术语，正因为分布式发电常常与供热、供冷一起进行，因此国内外也常称其为分布式能源系统（DER），此外，还常常把容量更小、分布更为分散的称为分散式发电。

美国自20世纪70年代开始发展分布式发电，并在美国开始推广，然后被其他发达国家所接受，现已在很多国家推广并加以应用。美国现已有6000多座分布式能源站，仅大学校园就有200多座采用了分布式能源站供能。美国分布式发电的市场已达10多亿美元，全球许多商用分布式发电设备是由美国提供的。美国的电力研究院估计，2010年分布式发电系统的市场每年可达2.5～5GW。美国能源部还制订了详细的热电联产发展目标，宣布了一个在2010年使热电联产容量翻一番的目标，即美国要在2010年前再增加46000MW装机容量的热电联产能力。目前，正研究能源资源高效利用的小型热电冷三联产。

日本是一个能源高度依赖进口的国家，因此非常重视节能工作，对节能系统有较深入的研究。在日本发展最快的是以天然气为燃料的分布式热电冷三联产项目，应用领域广泛。日本东京煤气公司于1991年初投运了一座高效率、高性能的供热制冷中心，其制冷总容量达到182.8MW。在1993年其制冷总容量扩充到207.4MW，成为世界最大的区域供热和制冷中心。截至2000年底，日本全国热电项目共1413个，总装机容量为2212MW；工业燃气热电项目共1002个，总装机容量为1734MW，其中采用小型燃气轮机、燃气内燃机和微型燃气轮机为楼宇热电冷三联产的项目逐年较快增长。

英国曼彻斯特机场的分布式三联产供能工程是包括选用两台内燃机（燃料为重油或天然气）、两台59MW的余热锅炉、两台4MW的双燃料常规锅炉，每年发电约72000MWh。英国实行热电冷三联产后，每年可减少CO₂排放50000t、SO₂排放1000t。因此，经济效益和环保效益都十分显著。

我国分布式发电系统的应用刚刚起步，如何实现区域的整体能源供应是目前城市建设规划应当十分关注的问题，在这方面，热电冷联产（CCHP）分布式能源技术的发展具有广阔的空间。具有代表性的是国家节能投资公司在山东淄博兴建的热电冷联供示范工程，该工程利用张店热电厂的蒸汽实现溴化锂制冷，进行热电冷三联供。国家鼓励使用清洁能源，发展热电冷联产技术和热、电、煤气联供，以提高热能综合利用率。在有条件的地区逐步推广适用于厂矿企业、写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公共建筑的小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统。目前，国内已经有一些由能源公司承建的项目，其中主要分布在北京、上海、广州等大中型城市，有很多投入了运行，并体现出良好的节能、经济、环保效果，例如上海浦东国际机场、黄浦中心医院、闵行区中心医院，北京首都国际机场、中关村软件园等项目。

一般认为分布式能源系统（distributed energy system，简称DES）是一种建立在能量梯级利用概念基础上，分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。通过在需求现场根据用户对能源的不同需求，实现温度对口供应能源，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。