一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法与流程

本发明涉及一种检测手段、检测方法，尤其涉及一种应用于三联供区域的供能系统的能效评断、测试方法，实现了针对三联供区域的供能系统的能效测试的模块化和标准化。

背景技术：

三联供系统即冷热电三联供cchp(combinedcooling,heatingandpower)，是指以燃气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，三联供系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、供冷。

三联供区域供能系统即整个区域都采用了三联供系统，通过这种方式大大提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。还可以提供并网电力作能源互补，使得整个区域的供能系统的经济收益及效率均相应增加。

以商务区的分布式供能系统为例，由于商务区的人员密集度较高，所以供能系统为区域集中型的供能系统，这种供能系统的能效测试相当重要，能为节能减排、创造绿色城市环境提供相当有效的依据，且为后续其他类型的供能系统提供有力的参数对比，而现有技术缺乏一种可以针对三联供区域供能系统的能效评判方法，各项统计指标分散不衔接，导致统计困难，统计数据不准确，故现迫切需要一种新型的可应用于三联供区域供能系统的能效测试方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，该能效测试方法通过数据采集与分析技术，测试计算了各种能效装置的底层数据，对能耗状况与数据进行进一步分析，制定了分布式供能系统设备热工运行参数测试方法与能效评判模型，为后续的三联供输配设备和系统参数测试方法与能效评判，以及其三联供系统性能评价模型提供了标准。

本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，其具体步骤如下所述：

一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，对主要设备的热工运行参数进行计算及能效测试，并建立三联供系统性能评价模型，其具体如下所述：

1)首先进行燃气发电机的发动机运行参数与能效测试，包括以下参数：

1a)发动机在由天然气和空气混合后燃烧所产生的热能驱动下转动做功，从余热回收利用的角度看，整个过程存在如下式所示的热平衡：

φ＝pf+φr+φw+φs

式中：φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

p-—发动机轴功率，单位：kw；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，即高温烟气回收余热；

φw—发动机冷却系统散热余热回收热量，单位：kw，包括缸套水冷却余热回收；

φs—其他散热损失，单位：kw，包括烟囱排烟热和润滑剂冷却水余热量等；

1b)计算燃料燃烧放出的总热量φ：

式中：q—天然气流量，单位：m³/h，由“天然气计量表具”得到；

q—天然气低热值，可由“色谱仪”测出成分后算出，也可由天然气公司直接给出，一般取值为36.2mj/m³；

1c)计算发动机轴功率pf：

该数值可由“转速计”测出发动机转速计算得到；

1d)计算发动机排气余热回收热量φr：

式中：gs—烟气流量，选取额定流量2.12kg/s；

cp，h、cp，c—高温烟气和低温烟气的平均定压质量比热，由“烟气分析仪”测得烟气成分后编程计算，计算程序可整合在测控系统中；

th、tc—分别高温烟气和低温烟气的温度；

1e)计算发动机冷却系统散热余热回收热量φw：

因发动机润滑油冷却水的余热依靠冷却塔直接排放至大气，未回收利用，所以发动机冷却系统散热余热回收只涉及缸套水，其散热量测试及计算如下。

φw＝cp，w·gh·(th，o-th，i)

式中：φw—发动机冷却系散热量，单位：kw；

cp,w-比热容系数：

gh—发动机缸套水流量，单位：kg/s，用“超声波流量计”可测；

th，o—缸套水出水温度，单位：℃，用温度传感器可测；

th，i—缸套水回水温度，单位：℃，用温度传感器可测；

1f)计算发电机性能

发电机性能评价共4个参数，均由测控系统根据各仪表所测参数计算得到，方法如下：

1f1)发动机效率：

式中：pf—发动机轴功率，单位：kw；

φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

1f2)发电效率：

式中：pe—离心式制冷机组的耗电功率，单位：kw，可用电能表或功率计测得；

φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

1f3)热效率：

式中：φw—发动机冷却系统散热余热回收热量，单位：kw，包括缸套水冷却余热回收；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，即高温烟气回收余热；

φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

1f4)总效率：η＝ηh+ηe，即总效率＝发电效率+热效率；

2)上述步骤1)中的第1d)步-计算发动机排气余热回收热量φr中,发动机排气主要有两个用途，一是夏季供给溴化锂吸收式制冷机组，二是冬季和过渡季通过烟气-水热交换器供热，其计算分别如下所述：

2a)溴化锂吸收式制冷机组的输入热量和输出冷量需要通过计算热力系数评价其性能，其测试及计算方法如下：

式中：cop—溴化锂吸收式制冷机组的热力系数；

φcw—冷冻水侧的换热量，单位：kw；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，在此步骤中即为烟气侧的换热量；

φtw—缸套水侧的换热量，单位：kw；

gcw—冷冻水流量，单位：kg/s；

tcw，i、tcw，o—以溴化锂机组为对象，冷冻水进、出口水温，单位：℃；

gtw—进入溴化锂机组的缸套水流量，单位：kg/s；

ttw，i、ttw，o—以溴化锂机组为对象，缸套水进、出口水温，单位：℃；

2b)烟气-水热交换器的烟气侧和热水侧各自的换热量需要通过计算其效率评价其性能，测试及计算方法如下：

φhs＝ghscp(ths，o-ths，i)

式中：φhs—热水测换热量，单位：kw；

ghs—热水流量，单位：kg/s；

cp—比热容系数，与上述的步骤1)中的第(e)步中的cp,w相同；

ths，i、ths，o—以烟气-水换热器为对象，热水进、出口水温，单位：℃；

ηs-w—烟气-水换热器热交换效率，％；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，在此步骤中即为烟气侧的换热量；

3)然后进行板式换热器，即“板交换热”的高温流体和低温流体各自的运行换热量参数及能效测试，计算其效率并评价其性能，测试及计算方法如下：

式中：ηb—板式换热器效率，单位：％；

φl,φh—分别为冷、热流体侧的换热量，单位：kw；

glw,ghw—分别为冷、热流体的流量，单位：kg/s；

tlw，i,tlw，o—分别为冷流体的进、出口温度，单位：℃；

thw，i,thw，o—分别为热流体的进、出口温度，单位：℃；

4)接着对蓄冷水槽进行计算，评价效率及性能，测试及计算方法如下：

4a)计算蓄冷水槽的工作效率：

在蓄冷水池的进出口水管上安装流量计和温度传感器，可测出蓄冷量和释冷量，从而可以算出蓄冷水池的工作效率η，计算方法如下：

4b)计算蓄冷水槽的损耗率：

在蓄冷池高度方向上每隔0.5～1m安装温度传感器，测量蓄冷完毕后的水温及释冷前期的水温，比较后考察损耗率，损耗率宜小于5％。

5)最后再计算冷却塔的工作效率，如下：

冷却塔是空气-水热交换器，其工作效率是水侧换热量与空气侧换热量之比；

6)对上述步骤1)～步骤5)计算完毕后，进行三联供各项输配设备和系统参数的测试及能效评判，其具体如下：

6a)水泵效率的测试：通过水泵效率的测试可知水泵的实际工况点和设计工况点的偏离情况以及水泵的运行效率，如设计选型合理，维护得当的水泵，在高效区运转，效率应达70％～80％；

6b)管道附件的阻力测试：通过管道附件两端的压力差可测得管道附件的阻力损失，附件的阻力损失过大则提示管道附件的堵塞和其他异常情况，应及时保养或更换，而管道的另一项性能-管道保温性能及管道热力损失的评估及计算方法如下：

6b1)保温管道的评估及计算：

依据《设备及管道绝热效果的测试与评价(gb/t8174-2008)》，采取温差法测量和计算热力损失，在管道外表面和保温层外表面各安装贴片式温度传感器测量相应位置的温度，热损失计算方法如下所述：

式中：q—管道热损失，单位：w/m²

tw1—管道外表面温度，单位：℃；

tw2—保温层外表面温度，单位：℃；

λ—保温层材料的导热系数，单位：w/m·k；

d—管道外径，单位：m；

a—保温层厚度，单位：m；

依据《设备及管道绝热效果的测试与评价(gb/t8174-2008)》，热水管道以147w/m²为最大允许热损值，烟气管道以236w/m²为最大允许热损值；

6b2)保冷管道的评估及计算：

依据《设备及管道绝热技术通则(gb/t4272-2008)》，采用测温法评价热损失，在保冷材料表面安装贴片式温度传感器测量相应位置的温度，判别方法如下所述：

tb＜t1+0.3

式中：tb—保冷层表面温度，单位：℃；

t1—管道周围环境的空气露点温度，单位：℃，可根据湿空气热力学性质编写程序计算得到。

6c)水流量分配及水系统回水温度的一致性的能效评判：

系统各分支路的热水、冷水流量分配决定各分支路的热量、冷量分配，与集水器相连的水系统各主分支路回水温度最大差值不应大于1℃，解决水力不平衡的方法是调节分水器各支路的调节阀，必要时可考虑增设末端增压泵；

6d)冷、热水系统供回水温差的能效评判：

通过冷、热水系统供回水温差的测试可以判定系统实际工况和设计工况的偏离情况，应避免出现“大流量，小温差”情况，达到节约系统输配能耗的目的；

6e)冷、热水系统压力分布的能效评判：

水系统压力分布测试和诊断可以判断热水、冷水和冷却水各部分的压降是否合理，正常情况下冷水机组蒸发器侧阻力为8～12mh2o，冷水机组冷却水系统冷凝器侧阻力为15～25mh2o，冷水机组冷却塔阻力为3～5mh2o，各管路阻力可参照设计值，如果某段的阻力大于上述值，则需进行分析和管路检查；

6f)计算输配系统的耗电输热比或冷比

参照上海市工程建设规范《公共建筑节能设计标准》，在选配供热系统的热水循环泵时，应计算循环水系统的耗电输热比(ehr)，ehr值应符合下列式要求：

ehr＝0.003096∑(gh/ηb)/∑q≤a(b+ασl)/δt

式中：ehr—循环水泵的输电耗热比；

g—每台运行水泵的设计流量，单位：m3/h；

h—每台运行水泵对应的设计扬程，单位：m水柱；

ηb—每台运行水泵对应的设计工作点效率；

q—设计热负荷，单位：kw；

δt—设计供回水温度差，单位：℃；

a—与水泵流量有关的计算系数，按《公共建筑节能设计标准》选取；

b—与机房及用户的水阻力有关的计算系数，一级泵系统时b＝20.4，二级泵系统时b＝24.4；

σl—室外主干线包括供回水管的总长度，单位：m；

a—与σl有关的计算系数，按如下选取或计算：

当σl≤400m时，a＝0.0115；

当400＜σl＜1000m时，a＝0.003833+3.067/σl；

当σl≥1000m时，a＝0.0069；

7)步骤6)的三联供各项输配设备和系统参数的测试及能效评判完毕后，建立三联供系统性能指标模型，其具体如下：

7a)建立节能指标模型：

年平均能源综合利用率k1应大于70％，计算如下：

7b)三联供系统配置指标模型：

余热利用率k2应大于60％，计算如下：。

8)步骤7)中的年平均能源综合利用率k1与余热利用率k2即为三联供系统性能指标，各三联供系统应满足该性能指标。

根据本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，其特征在于，所述的步骤1e)的cp,w和步骤2b)的cp均为比热容系数，该比热容系数在液态水的定压比热容中经常会被用来计算吸收或放出的热量，常压下水的比热容系数为4.2kj/kg.k。

应注意，在三联供系统中介质为水，如果采用不同介质，比热容系数cp,w或cp也要做相应的改变。

使用本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法获得了如下有益效果：

1.本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，能有效的应用于各种三联供区域供能系统，对其各项底层数据参数指标进行测试，且各项参数指标相互整合并应证，获得了非常准确的测试结果；

2.本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，其建立的三联供系统性能指标模型可应用于后续的三联供输配设备和系统参数测试方法与能效评判，以及其三联供系统性能评价模型提供了标准。

附图说明

图1为本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法的具体步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法做进一步的描述。

实施例

如图1所示，一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，对主要设备的热工运行参数进行计算及能效测试，并建立三联供系统性能评价模型，其具体如下所述：

1)首先进行燃气发电机的发动机运行参数与能效测试，包括以下参数：

1a)发动机在由天然气和空气混合后燃烧所产生的热能驱动下转动做功，从余热回收利用的角度看，整个过程存在如下式所示的热平衡：

φ＝pf+φr+φw+φs

式中：φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

p-—发动机轴功率，单位：kw；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，即高温烟气回收余热；

φw—发动机冷却系统散热余热回收热量，单位：kw，包括缸套水冷却余热回收；

φs—其他散热损失，单位：kw，包括烟囱排烟热和润滑剂冷却水余热量等；

1b)计算燃料燃烧放出的总热量φ：

式中：q—天然气流量，单位：m³/h，由“天然气计量表具”得到；

q—天然气低热值，可由“色谱仪”测出成分后算出，也可由天然气公司直接给出，一般取值为36.2mj/m³；

1c)计算发动机轴功率pf：

该数值可由“转速计”测出发动机转速计算得到；

1d)计算发动机排气余热回收热量φr：

式中：gs—烟气流量，选取额定流量2.12kg/s；

cp，h、cp，c—高温烟气和低温烟气的平均定压质量比热，由“烟气分析仪”测得烟气成分后编程计算，计算程序可整合在测控系统中；

th、tc—分别高温烟气和低温烟气的温度；

1e)计算发动机冷却系统散热余热回收热量φw：

因发动机润滑油冷却水的余热依靠冷却塔直接排放至大气，未回收利用，所以发动机冷却系统散热余热回收只涉及缸套水，其散热量测试及计算如下。

φw＝cp，w·gh·(th，o-th，i)

式中：φw—发动机冷却系散热量，单位：kw；

cp,w-比热容系数：

gh—发动机缸套水流量，单位：kg/s，用“超声波流量计”可测；

th，o—缸套水出水温度，单位：℃，用温度传感器可测；

th，i—缸套水回水温度，单位：℃，用温度传感器可测；

1f)计算发电机性能

发电机性能评价共4个参数，均由测控系统根据各仪表所测参数计算得到，方法如下：

1f1)发动机效率：

式中：pf—发动机轴功率，单位：kw；

φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

1f2)发电效率：

式中：pe—离心式制冷机组的耗电功率，单位：kw，可用电能表或功率计测得；

—燃料φ燃烧放出的总热量，单位：kw；

1f3)热效率：

式中：φw—发动机冷却系统散热余热回收热量，单位：kw，包括缸套水冷却余φr

热回收；

—发动机排气余热回收热量，单位：kw，即高温烟气回收余热；

φ—燃料燃烧放出的总热量，单位：kw；

1f4)总效率：η＝ηh+ηe，即总效率＝发电效率+热效率；

2)上述步骤1)中的第1d)步-计算发动机排气余热回收热量φr中,发动机排气主要有两个用途，一是夏季供给溴化锂吸收式制冷机组，二是冬季和过渡季通过烟气-水热交换器供热，其计算分别如下所述：

2a)溴化锂吸收式制冷机组的输入热量和输出冷量需要通过计算热力系数评价其性能，其测试及计算方法如下：

式中：cop—溴化锂吸收式制冷机组的热力系数；

φcw—冷冻水侧的换热量，单位：kw；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，在此步骤中即为烟气侧的换热量；

φtw—缸套水侧的换热量，单位：kw；

gcw—冷冻水流量，单位：kg/s；

tcw，i、tcw，o—以溴化锂机组为对象，冷冻水进、出口水温，单位：℃；

gtw—进入溴化锂机组的缸套水流量，单位：kg/s；

ttw，i、ttw，o—以溴化锂机组为对象，缸套水进、出口水温，单位：℃；

2b)烟气-水热交换器的烟气侧和热水侧各自的换热量需要通过计算其效率评价其性能，测试及计算方法如下：

φhs＝ghscp(ths，o-ths，i)

式中：φhs—热水测换热量，单位：kw；

ghs—热水流量，单位：kg/s；

cp—比热容系数，与上述的步骤1)中的第(e)步中的cp,w相同；

ths，i、ths，o—以烟气-水换热器为对象，热水进、出口水温，单位：℃；

ηs-w—烟气-水换热器热交换效率，％；

φr—发动机排气余热回收热量，单位：kw，在此步骤中即为烟气侧的换热量；

3)然后进行板式换热器，即“板交换热”的高温流体和低温流体各自的运行换热量参数及能效测试，计算其效率并评价其性能，测试及计算方法如下：

式中：ηb—板式换热器效率，单位：％；

φl,φh—分别为冷、热流体侧的换热量，单位：kw；

glw,ghw—分别为冷、热流体的流量，单位：kg/s；

tlw，i,tlw，o—分别为冷流体的进、出口温度，单位：℃；

thw，i,thw，o—分别为热流体的进、出口温度，单位：℃；

4)接着对蓄冷水槽进行计算，评价效率及性能，测试及计算方法如下：

4a)计算蓄冷水槽的工作效率：

在蓄冷水池的进出口水管上安装流量计和温度传感器，可测出蓄冷量和释冷量，从而可以算出蓄冷水池的工作效率η，计算方法如下：

4b)计算蓄冷水槽的损耗率：

在蓄冷池高度方向上每隔0.5～1m安装温度传感器，测量蓄冷完毕后的水温及释冷前期的水温，比较后考察损耗率，损耗率宜小于5％。

5)最后再计算冷却塔的工作效率，如下：

冷却塔是空气-水热交换器，其工作效率是水侧换热量与空气侧换热量之比；

6)对上述步骤1)～步骤5)计算完毕后，进行三联供各项输配设备和系统参数的测试及能效评判，其具体如下：

6a)水泵效率的测试：通过水泵效率的测试可知水泵的实际工况点和设计工况点的偏离情况以及水泵的运行效率，如设计选型合理，维护得当的水泵，在高效区运转，效率应达70％～80％；

6b)管道附件的阻力测试：通过管道附件两端的压力差可测得管道附件的阻力损失，附件的阻力损失过大则提示管道附件的堵塞和其他异常情况，应及时保养或更换，而管道的另一项性能-管道保温性能及管道热力损失的评估及计算方法如下：

6b1)保温管道的评估及计算：

依据《设备及管道绝热效果的测试与评价(gb/t8174-2008)》，采取温差法测量和计算热力损失，在管道外表面和保温层外表面各安装贴片式温度传感器测量相应位置的温度，热损失计算方法如下所述：

式中：q—管道热损失，单位：w/m²

tw1—管道外表面温度，单位：℃；

tw2—保温层外表面温度，单位：℃；

λ—保温层材料的导热系数，单位：w/m·k；

d—管道外径，单位：m；

a—保温层厚度，单位：m；

依据《设备及管道绝热效果的测试与评价(gb/t8174-2008)》，热水管道以147w/m²为最大允许热损值，烟气管道以236w/m²为最大允许热损值；

6b2)保冷管道的评估及计算：

依据《设备及管道绝热技术通则(gb/t4272-2008)》，采用测温法评价热损失，在保冷材料表面安装贴片式温度传感器测量相应位置的温度，判别方法如下所述：

tb＜t1+0.3

式中：tb—保冷层表面温度，单位：℃；

t1—管道周围环境的空气露点温度，单位：℃，可根据湿空气热力学性质编写程序计算得到。

6c)水流量分配及水系统回水温度的一致性的能效评判：

系统各分支路的热水、冷水流量分配决定各分支路的热量、冷量分配，与集水器相连的水系统各主分支路回水温度最大差值不应大于1℃，解决水力不平衡的方法是调节分水器各支路的调节阀，必要时可考虑增设末端增压泵；

6d)冷、热水系统供回水温差的能效评判：

通过冷、热水系统供回水温差的测试可以判定系统实际工况和设计工况的偏离情况，应避免出现“大流量，小温差”情况，达到节约系统输配能耗的目的；

6e)冷、热水系统压力分布的能效评判：

水系统压力分布测试和诊断可以判断热水、冷水和冷却水各部分的压降是否合理，正常情况下冷水机组蒸发器侧阻力为8～12mh2o，冷水机组冷却水系统冷凝器侧阻力为15～25mh2o，冷水机组冷却塔阻力为3～5mh2o，各管路阻力可参照设计值，如果某段的阻力大于上述值，则需进行分析和管路检查；

6f)计算输配系统的耗电输热比或冷比

参照上海市工程建设规范《公共建筑节能设计标准》，在选配供热系统的热水循环泵时，应计算循环水系统的耗电输热比(ehr)，ehr值应符合下列式要求：

ehr＝0.003096∑(gh/ηb)/∑q≤a(b+ασl)/δt

式中：ehr—循环水泵的输电耗热比；

g—每台运行水泵的设计流量，单位：m3/h；

h—每台运行水泵对应的设计扬程，单位：m水柱；

ηb—每台运行水泵对应的设计工作点效率；

q—设计热负荷，单位：kw；

δt—设计供回水温度差，单位：℃；

a—与水泵流量有关的计算系数，按《公共建筑节能设计标准》选取；

b—与机房及用户的水阻力有关的计算系数，一级泵系统时b＝20.4，二级泵系统时b＝24.4；

σl—室外主干线包括供回水管的总长度，单位：m；

a—与σl有关的计算系数，按如下选取或计算：

当σl≤400m时，a＝0.0115；

当400＜σl＜1000m时，a＝0.003833+3.067/σl；

当σl≥1000m时，a＝0.0069；

7)步骤6)的三联供各项输配设备和系统参数的测试及能效评判完毕后，建立三联供系统性能指标模型，其具体如下：

7a)建立节能指标模型：

年平均能源综合利用率k1应大于70％，计算如下：

7b)三联供系统配置指标模型：

余热利用率k2应大于60％，计算如下：。

8)步骤7)中的年平均能源综合利用率k1与余热利用率k2即为三联供系统性能指标，各三联供系统应满足该性能指标。

步骤1e)的cp,w和步骤2b)的cp均为比热容系数，该比热容系数在液态水的定压比热容中经常会被用来计算吸收或放出的热量，常压下水的比热容系数为4.2kj/kg.k，

应注意，在三联供系统中介质为水，如果采用不同介质，比热容系数cp,w或cp也要做相应的改变。

本发明的一种应用于三联供区域供能系统的能效测试方法，能有效的应用于各种三联供区域供能系统，对其各项底层数据参数指标进行测试，且各项参数指标相互整合并应证，获得了非常准确的测试结果；且本发明建立的三联供系统性能指标模型可应用于后续的三联供输配设备和系统参数测试方法与能效评判，以及其三联供系统性能评价模型提供了标准。