家用微型热电联产

众所周知，热电联产缩写为 CHP，可以理解为以同一种一次能源联合生产电能、机械能与热能。为专产电力起见，一般都建立热电站，因基于热能对机械能的转换而形成的热力循环，会向周围环境散发出可观数量的低温热量。若是单单生产热能，通常采用锅炉，将高热值燃料中所含有的一次能源，变换成低热值的热能。那么，如果用户要求同时供应电力和热能，与其安装一台锅炉并向电网购电的话，倒不如可以考虑利用最高的热能级建立热力循环以生产电力，同时转售低温余热满足住宅供热需求。
人们希望依靠热电联产力求达到基本目标在于尽可能全面开发利用燃料中所含的能源，以限定较小的能源消耗及对环境相应较小的影响。利用热电联产系统取代分别制热和发电的热电分产系统所获得的主要好处可概述如下：
– 因热电联产系统的效率很高，故一次能源的消耗很低；实际上采用热电联产设备能够利用85%以上的供给能源；
– 温室气体和其它污染物排放较少；
– 降低了输送损耗。热电厂通常建在最终用户附近，故能源输送和分配的损失达到最低程度。
亦应适当强调在正确评估热电联产的应用时必须考虑主要限制事项。纵然热电联产的原则是普遍有效的，但是，如果不遵守以下特定的限制，常常做不到符合成本效益：
– 始终存在供热需求并靠近供热用户，以限制热能分配管网的规模；
– 同时存在供热和供电需求；
– 热电联产系统所提供的热能温度与用户需求相容。

优化应用
从热电联产对能源优化的研究而言，应当理解该项技术的主要限制，尤其是涉及与电力和热能生产及需求相应的问题。如若不能合理利用所产出的全部电力和热能，就达不到较高的总效率。
与生产同样数量的电力和热能的热电分产相比，热电联产的优势在于通过联产能够节约一次能源消耗。热电联产的技术经济效果不能脱离对用户的电力负荷和热负荷的特定分析，这种研究必须评估最大需求功率，日、月、季负荷曲线，即何种条件使得热电联产系统的应用绝对难以推广。尤其是在住宅领域，电力负荷图和热负荷图在时间上并不十分吻合。
实际上，这种输电过程的特点是存在着短时尖峰，于是对于热电联产系统来讲，就有必要与电网之间实施连续的双向交换，如果不注意管理，就有损害发电机性能的风险。热能需求与此类似，除了季节性很强之外，随着用户的类型（单纯家庭还是公寓住户）而有极大的变动，而且很不均衡，以至于常常要求采用蓄热措施。
为了收到显著的能源和经济效益，采用微型热电联产需要超过每年至少运行3,000小时的门槛；为此目的，将该系统与吸收式制冷机相结合，以求适当的延长它们的运行时间。按照这种模式运行，还有可能将电力需求的高峰从冬季移至夏季，扩大联产的概念，不仅是生产电力和热能的有效技术，而且还能生产冷能（即热电冷三联产）。
从节能观点讲，联产系统的规模应根据热能需求确定，于是，产出的多余电力可能进入电网，这样便保证了产出的能源百分之百为那些并非常常同时需要电力和热能的用户所利用。
采用按正常功率恒定运行（即在最高效率条件下工作）的小尺寸微型热电联产机组，同时配备一台辅助锅炉覆盖尖峰负荷，能够有效地控制以供给住宅用户为特点的可变供热功率，而锅炉规格的确定应当考虑为维护热电联产系统所需的停机时间。
对于200kW以下功率的高效热电联产公认的优势属于20/07号法令规定的“优先处理等级”和“排位交换等级”。为了利用这类设备计，有必要遵照2011年8月4日的政令规定的参数[即按新指标 PES（一次能源节省指数）算出的一次能源节省率等于或大于10%]，及2011年9月5日的政令的第8条规定的 CAR（高效热电联产）规程。
适用技术
上述技术的共性就是大量使用天然气，以下简要介绍目前市场上针对住宅用户在开发热电联产产品中用得最多的几项技术：
–   因为天然气是最洁净的化石燃料；
–   供应点在全国大部分地方广泛分布，尤其是在都市地区；
–   对于最前卫的微型热电联产系统来说特别方便。
各种利用生物质燃料的有意义的方案正以其实用性在各地市场中立足。
内燃机
内燃机代表最成熟的技术，因其特点而在各行各业中获得了广泛的应用。在热电联产领域，内燃机用得相当普遍，因为其可靠性很强，效率特高而价格相对适中。
比较薄弱的因子是维护成本真的较高，而因存在着运行噪声，振动不可避免且有必要使用减污装置，更因为达到可与竞争力最佳的技术相比较的排放水平（NO_X 和 CO），维护成本很高，但内燃机的不足。
内燃机的前景通过引入变频系统而获得显著的改进，从而可以实现联产发电机的变速运行，以至于发电效率几乎不受负荷条件的影响。
因可以配备价格相对适中的电子控制设备，故可以开发出适合家用热电联产领域适用的最小规格（电功率为1~5kW）的几种内燃机。
采用后几种设备，不方便从润滑油的冷却回路和增压器 （几乎常常不配）中回收热能；因此，有可能从这些源头中抽取热能，仅留下排气（通常400–500°C）和内燃机的冷却回路。
如内燃机采用这种方式，则适用于家用热电联产，而为实现室内供暖和制取卫浴热水，应使供热温度不超过70–80°C。
斯特林发动机
这是一种采用惰性气体（通常为空气、氮气或高效率型时的氦气）作为热力工质的外燃型闭式循环发动机。发动机的工作是依靠气体工质的膨胀和压缩，推动活塞运动，而工质流过再生器后，交替从热腔温控器控制的热腔流向冷腔温控器控制的冷腔。
这是最有意义的外燃式发动机之一，其特点为很少需要定期维护，运行寂静，理论上有可能实现效率接近在同样极端温度间运作的卡诺循环。
然而，因热交换过程不绝热，再生器的加热能力有限，又存在摩擦，并有泄漏及机器的绝热性能达不到理想水准，故实际运行中效率要比理论值低一些。冷腔换热回路的余热回收的百分率很高，于是，更增加了从燃气冷却中回收的热量份额。因此，在生产的热水温度不超过60℃的条件下的能源效率最高。
斯特林发动机的基本特点是通过换热器取得热量，而换热器由外燃室供给能量；就是说，允许使用任何种类的燃料，还可以利用任何来源的废热，假定温度至少达到250℃–300℃。此外，没有压力波动和温度波动，没有供给阀，加上运动部件和润滑油不直接接触热源的特点，故使这种发动机能在减少维护作业的同时保持适当的效率，运行寿命可达40,000–60,000小时。而且，外燃装置允许使用火焰喷灯预热，从而使废气排放水平明显低于内燃式发动机。
所有这些特点使得斯特拉发动机特别适合热电分配领域，尤其是发电功率为几千瓦小型热电联产项目。实际上，市售的几种斯特林发动机都限于几个千瓦的电功率，其趋势是组装成成套系统，规模大小可类比普通的家用电器，噪声类似于新型冰箱。
结语
表1归纳了市场上可提供的微型热电联产方案的基本性能特点。这些数据来自不同的渠道（制造商目录，研究机构等），而表中价格仅作参考。为使信息完备起见，还列出了与两种技术相应的数据，但在目前的详细研究中不予考虑，因为：
– 尽管在微型热电联产中规定了微型燃气轮机的发电功率范围，但是目前仍无单个住宅单元专用的产品上市；
– 燃料电池是一宗很有前途的技术，但是仍处在样机或展示阶段。
 
表1 – 微型热电联产方案的基本性能特点