微型热电联产国内二氧化碳排放量评估

A.D. Peacock , M. Newborough

摘要

使用基于斯特林发动机和燃料电池的热电联供系统对单一英国住宅的影响，通过使用1年时间基准上的热和电力需求数据进行全年研究。控制制度由于其高功率比而对斯特林发动机系统的经济和二氧化碳节约有重大影响。对于被考虑的家庭来说，1 kW的斯特林发动机系统对日常热和电力需求的贡献分别为54％至100％，3％至73％.预计基于燃料电池的未来系统可以实现更大的节省，因为它们可以在温和和温暖的天气下运行相当长的时间，而不会产生多余的热量。与未使用冷凝锅炉与non-CHP基础案例相比，1 kW斯特林发动机系统的年度节约量估计为90英镑/ 574公斤二氧化碳，而前瞻性1千瓦燃料电池系统则为142英镑/ 892公斤二氧化碳90％的效率和网络电力。这些相应的储蓄占英国单一住宅排放量的9％和16％，相对于可在国内部门部署的其他个别措施，这些排放量非常重要。

关键字：微型热电联产系统；国内部门；二氧化碳排放；

目录

1.介绍 1

命名法 1

2.微型热电联产系统仿真 3

2.1.单一住宅的能源需求 3

2.2.原动机技术和系统设计 3

2.3.控制逻辑 5

2.4.其他假设 8

3.结果 10

3.1.供需匹配 - 日常和年度分析 10

3.2.控制逻辑和原动机对供需匹配的影响 13

3.3.经济表现 16

3.4.mu;CHP系统的碳性能 18

4.结论 22

致谢 24

1.介绍

四种不同的原动机技术正在开发中，用作mu;CHP系统：固体氧化物燃料电池^[1]，质子交换膜燃料电池^[2]，内燃机^[3]和斯特林发动机^[4,5]。其中，基于斯特林发动机的系统正在超越示范阶段，并作为常规家用中央暖气锅炉的替代品上市。这种方法的潜在英国市场是相当可观的（例如，每年估计有150万家庭锅炉的销售量，而在国内部门装配的锅炉总量约为1800万^[6]）。最近的一项研究估计，英国基于斯特林发动机技术的mu;CHP系统市场潜力为1000万台^[7]。假设平均单位规模为1千瓦，这意味着10吉瓦的装机容量或约为2002年冬季需求峰值的16％^[8]。然而，原动机的哪些类型和尺寸以及mu;CHP系统的哪些配置和操作模式将长期渗透到市场上是不确定的。确实需要确定研究的重点，确定在国家二氧化碳排放量，消费者能源成本以及电力行业需求方管理方面最大化mu;CHP方法的长期效益的战略。

在单一住宅级别部署mu;CHP系统的原理似乎是基于两个因素。首先，他们对消费者的经济吸引力。虽然比传统的家用锅炉（仅生产热量）具有更大的资本成本，但是mu;CHP系统提供了从避免购买网络电力成本和任何剩余发电的出口价值回收支出的机会。其次mu;CHP系统将以比传统方案更节能的方式满足热和电力需求，从而减少国家一次能源的使用和二氧化碳排放。关于二氧化碳排放量的节约，也有人建议，部署mu;CHP可能会鼓励消费者修改其行为，以充分利用住宅内的电力^[9]。

命名法

所述住宅或住宅组的电力需求，千万时

E_gen 由住宅使用的规定的mu;CHP系统产生的电力，千万

E_exp 通过使用所述mu;CHP的住宅将电力输出到网络系统，千瓦

E_imp 通过使用所述mu;CHP的住宅从网络进口的电力系统，千瓦

E_egn 由住宅使用的所述mu;CHP系统产生的电能，千瓦时

E_imp 通过使用所述mu;CHP的住宅从网络进口的电能系统，千瓦时

E_exp 电能通过使用所述mu;CHP的住宅输出到网络系统，千瓦时

P_e 所述住宅或住宅组的电力需求，千瓦

P_q 所述住宅或住宅组的热需求为，千瓦

P_oe mu;CHP原动机额定功率，千瓦

P_ot 恢复mu;CHP原动机的额定功率，千瓦

q 所述住宅或住宅组的热量要求，千瓦时

Q_imp 使用规定的mu;CHP系统通过住宅从辅助锅炉进口热量，千瓦

Q_s 所述mu;CHP系统产生的热量输出被认为是满足住宅要求的余量，千瓦

Q_used 由所述mu;CHP系统产生的热输出是有用的住宅，千瓦

Q_st-in 由存储的所述mu;CHP系统产生的热量输出，千瓦

Q_st-out 使用规定的mu;CHP系统，通过住宅从热存储器进口热量，千瓦

q_imp 由辅助锅炉通过所述mu;CHP系统的住宅的热量需求，千瓦时

q_s 由所述mu;CHP系统产生的被认为是剩余的住宅的热量要求，千瓦时

q_used 由所述mu;CHP系统产生的热量由住宅有用地使用，千瓦时

T_max 热存储器的最高温度设定，℃

T_min 热存储器的最低温度设定，℃

T_store 热存储温度，℃

_b 中央供暖锅炉的效率（即热输出除以燃料输入），百分比

_e微型CHP原动机效率（即电气输出除以燃料输入），百分比

_hr微CHP热回收效率（即废弃的热量的有效回收比例），百分比

一般来说，mu;CHP技术的技术特征已有很好的记录^[10,11]，但是发现其在满足瞬态热和电负载曲线性能方面的证据是有限的。 通过评估住宅的热量和功率的年度或日常交付，并将其与non-CHP参考案例[7]进行比较，或通过引用商业试验的结果，进行了大部分节能分析（从而节省了二氧化碳） 没有指出基本的绩效信息^[12]。 近来在英国开展了现场试验，以评估商业上可行的mu;CHP系统的性能^[13]。

以前已经研究了预期的mu;CHP系统配置，并且将能量成本节省预测为将其应用于一个个体住宅的代表性的每日电力和热需求曲线^[14-16]。从这些看来，很难确定mu;CHP系统配置，其将满足年热电需求的很大比例，而不会导致电力出口到网络。对使用mu;CHP单位产生的双向电力流量的初步分析表明，负荷曲线可能发生显着变化，电力出口和进口都可能占家庭需求的很大比例^{[ 15]}。以前的预测表明，电力效率为20％或更好的最佳功率输出（0.6-1.0 kWe）的原动机将导致英国家庭的年度能源成本和二氧化碳排放量（约为100-200英镑和1吨CO₂）^[14,15]。然而，在实践中可以应用各种原动机规格和控制制度，并且以前从未详细计算过全年的热电和电力需求数据来计算年度能源/二氧化碳节约量的估计。因此，这项调查的目的是进行这种评估。

2.微型热电联产系统仿真

2.1.单一住宅的能源需求

以前记录的能量需求数据数据库被用于提供用于模拟mu;CHP系统在单一住宅中的性能的需求信息^[17]。 这包括电力和天然气消费数据，这是在英格兰中部30个独立住宅的1分钟时间基础上记录的，13个住房同时监测，最少一个历年。 燃气消耗量数据仅适用于中央供暖锅炉，不包括瓦斯火灾和燃气灶具。 因此，这表明了总体空间供热和热水需求。 据了解，一些被监测的房屋也可能偶尔用电补充主要依靠天然气进行空间和供热。

确定住宅的空间供暖和热水需求涉及许多因素。因此，很难定义一个典型的调查家园。然而，对于英国国内部门，已经确定，一般家庭每年约有18兆瓦的年热空间供热和热水需求^[18]，年耗电量约为3.6兆瓦的电力^[19]。在数据库的限制之内，寻求一个适合这些平均需求的住宅数据集。选择进一步调查的住宅的天然气消耗量为17.5兆瓦时，电力需求为5.8兆瓦时。应该注意，实际的热量需求不能从气体消耗中得出。计算时变锅炉效率是不可行的，因为没有监测锅炉供应和回流温度。为了进行调查，假设住宅的年热需求量相当于年度天然气消费量。这高估了实际的热量需求，可能会高达15-25％，这取决于现有锅炉的平均效率。部分原因是通过选择年均电耗以上的住宅进行补偿;年热耗电量分别为17.5兆瓦时和5.8兆瓦时。显然，热功率比（每年和几分钟时间）会影响给定CHP解决方案实现能源成本和碳储蓄的有效性;所选择的房屋的年热功率比为3：1，而该参数可能在大约2：1到8：1之间变化（取决于住宅的年龄，大小和占用情况）。

单一住宅的热和电力需求显示出微小的波动相当多的一分钟。变化的性质取决于很多因素。为了说明这一点，从年度数据集中选出三天来代表采暖季节的最后一天（图1），季节中的一天（图2）和夏季（图3）。 1月25日冬天，全年热量要求最高（q = 151.1 kW h，e = 17.8 kW h），日热功率比为8.5。供暖需求从早到晚发生，热电需求之间的巧合高达87％，电力需求同热需求同时发生。 4月29日春天，中等热量需求（q = 82.6千瓦时，e = 23.5千瓦时），而这一天的日热功率比为3.7。供暖需求发生在三个不同的街区（即早上，午餐和晚上），79％的电力需求与热量需求同时发生。八月二十一日的夏日，热量低（q = 10 kW h，e = 17.9 kW h），日热功率比仅为0.6。需求的巧合远低于其他日子，32％的电力需求与需求同时发生。

2.2.原动机技术和系统设计

微型热电联产系统单元主要由原动机尺寸（P_oe），电效率（_e）和热回收效率（_hr）表征。 对目前正在开发的mu;CHP原动机的技术状况的审查超出了本文的范围; 它最近被覆盖了，其中^[10]。 这里考虑了两种原动机技术：斯特林发动机和燃料电池。 这些代表了mu;CHP部署的市场准备和潜在的未来场景。 例如，英国有两台斯特林发动机产品分别有1.1 kW ^[5]和1.2 kW ^[4]的电力输出，12-16％的全负荷效率和大量火电输出（例如4.7 lt;P_ot lt;6.6 kW，假设_hr = 90％）。 据报道，有100多个组织正在开发质子交换膜或35％的固体氧化物燃料电池，lt;55％，但是目前还没有一种可以作为mu;CHP系统商业化使用[7,20]。

在这方面，为了建模目的定义了两个合成的通用mu;CHP原动机（见表1）。 假设的原动机效率是指a.c. 输出，尽管应注意的是，虽然斯特林发动机与网络供电同步，燃料电池是直流电。 器件需要反相其输出（具有相关的损耗）。 然后调查了这些原动机在单一住宅水平的供需匹配性能。

微型热电联产系统原动机具有基本特征（例如运行效率，负载跟随能力，回退能力，停止启动特性，维修要求，预期寿命），将影响其在实际中的供需匹配性能。除了原动机和热交换器之外，mu;CHP系统可以包括热存储器，辅助锅炉，甚至电存储/再转换设备。系统操作将由基于家庭对热功率的瞬态要求的控制逻辑以及mu;CHP生成的进出口价格等外部因素进行调节。然而，从个别住宅的上述需求特点出发，显而易见的是，一个热电联产单位将无法满足家庭的所有热电需求，而不需要补充热源和热源。因此，这里研究的系统设计包括mu;CHP单元，辅助锅炉，热存储器和网络连接（用于根据需要输入和输出电力）。这符合大多数提出的mu;CHP系统设计，其包括mu;CHP系统，辅助锅炉和一个集成设备（即严格的热电联产和/或加热系统，而不是组合的热和电力系统）中的小型热存储器。

图1：1月25日的单人住宅的电力和热需求

图2：4月29日单人住宅的电力和热需求

图3：8月21日单人住宅的电力和热需求

表1：mu;CHP系统建模的操作参数