摘 要

高效、清洁、可靠等作为冷热电联产（CCHP）系统的特点，在能源行业越来越受到更多的关注。冷热电联供系统的一个重要研究方向是系统建模。通过分析和总结不同层次的冷热电联供系统建模，并将建模水平和建模方法与建模的目的相结合，概述了国内外冷热电联供系统建模研究的现状。主要论证了作用于整个系统的运行模型，同时解释了典型的建模过程。最后，将冷热电联供系统的特点作为依据，总结出了可行的建模方法，并对今后的研究方向进行了一定的预期。

只有进行合理的通风和气流，保证设备的温度可以使设备得到最佳的运行，热电冷联产系统的散热量才能达到最大。最好通过一系列的模拟来设计通风系统，因为确定通风方案时采用实验的方法时成本太高，难以控制。本文通过建立设备与FLUENT软件之间的三维数学模型，分析了冷热电联供系统的温度范围。如何改进气流组织以及设计通风系统的一系列办法被提出。根据通风系统的改进，当夏季室外设计温度外的进气温度为308K时，通过方式分析附加冷却空气设备，可以大大的降低发电机组的环境温度。当冬季室外温度为269.4 K时，通过模拟分析可以控制自然进气和强制空气排放的运行环境温度在稳定的范围，从而降低了系统的运行成本。

关键词

燃气冷热电三联供，设备间，通风，数值模拟

目 录

第一章 绪论 7

1.1 目的及意义 7

1.2 国内外的研究现状及分析 8

1.3 热电冷三联供的研究热点 9

第二章 三联供系统建模研究现状 12

2.1 控制模型 12

2.2 系统运行模型 12

2.3 CCHP 系统优化模型 13

第三章 通风系统设计及边界设定 14

3.1 质量守恒方程 14

3.2. 动量守恒方程 15

3.3. 能量守恒方程 15

第四章 夏季设备间通风模拟分析 17

4.1 夏季设备间通风分析 17

4.2. 夏季通风系统改进措施 19

1) 调整总排风量 19

2) 增设冷风设备 20

第五章 冬季设备间通风模拟分析 21

5.1冬季设备间通风分析 21

5.2. 冬季通风系统改进措施 23

第六章 总结 25

参考文献 25

致谢 28

第一章 绪论

1.1 目的及意义

以能源梯级利用的概念为基准创立的气体冷却热电三联供系统，主要能源是天然气，创造出热电冷联产系统[1]。利用小燃气轮机、燃气内燃机、微型内燃机等设备在燃烧天然气后产生高温气体，并且以天然气为燃料，然后在冬季利用余热加热，在夏季驱动吸收式制冷机，提供足够我们使用的热水。排气余热。可以将一次能源利用率提高很高，从而减少很多的一次能源浪费。

未来清洁高效利用能源的发展，主要是向着利用天然气冷热电联产为能源利用方向发展。“温度对偶和梯级利用”的原理作为基准，通过天然气产生电，充分地使用所产生的余热。能量利用率可以得到很大的提高。气冷热电技术先进、安全可靠、管理方便。因此，削峰填谷、防灾减灾、节约成本、节约能源、保护环境等优点，也成为欧洲和美国政府实施能源利用的途径。然而，燃气内燃发电机组和燃气冷却和热力供应单元之间的废热直接可燃设备的散热量大。如果通风系统的设计不合适，则会导致室内温度升高。如果燃气内燃发电机组的环境温度超出了极限，机组将产生故障无法正常运行。因此，通风系统将由通风系统引起。其合理性有利于设备运行，节省风机功率消耗。由于工业厂房在地面上所占面积过大，进行实验时，最优通风方案的设计成本过高[2]。因此，以往在燃气冷却与热力设备之间进行通风设计时经常依靠经验来设计，机械进气和机械排气方式被大多数设备所使用。

截止到目前，压缩制冷方式被大多数建筑所采用。压缩制冷大多使用氟利昂作为制冷剂。我们的环境将受到很多不利的影响：电能可以驱动压缩制冷的进行，在夏季电力消耗达到高峰时电力供应不足的可能性十分大；压缩制冷可以由压缩制冷引起。氟利昂制冷剂的使用会使臭氧层得到破坏。压缩式制冷机工作时声音较大，环境会受到污染。压缩制冷系统有一些缺点，但可以被三重供应系统克服，人们也越来越重视其具有的特别之处。以下是该系统的优点：1。吸收式制冷机采用的热能为蒸汽，夏季用电的高峰时段将不会产生，电网供电紧张的问题也能得到缓解。过去几年，虽然中国的电力短缺有所缓解，但供应不足的问题仍然不断产生，尤其是在电力消费达到最高的时候。目前，电力规模小。发电量的增加并没有达到每年增加的负荷。2，热电厂整齐作为联合生产系统的热源，机组的整体效率也提高了很多，而且电厂的能源也得到了更多的利用；3、热电联产系统的热源可作为电力系统的废热。NT等。味觉的能量对于梯级利用能源有着很大的帮助；4、吸收式制冷的工作质量主要是水，温室效应的问题可以得到解决，对环境有着很大的维护作用；5，吸收式制冷机的噪声很小，安装C。6、可以在很大程度上对冷却能力进行调节，运行也可以保持稳定；7、联合供气系统设备位置十分开进，占用的面积也不会过大[3]。在热电联产的基础上发展了三联产系统，其理论还不十分成熟。

在研究燃气冷热电联供时，运行的优化，如何选择所需模型，以及评价时的一些指标都是研究的对象之一，并且对环境温度和主机的气流组织要求和变化也进行了一定程度的探究。三重供应设备的房间还没有被研究。因此，本文从实际出发，以典型的气体冷却与热力设备之间的气流组织作为研究对象，使得通风设计的理论依据和优化设计能够得到提出。

1.2 国内外的研究现状及分析

到目前为止，在国外的一些发达国家发展起来的热电联技术已经达到了相对成熟的阶段，可以产生三种能源给所需要的建筑[4]。人们开始越来越看重冷热电分布式供能技术的进步。世界上哪个国家的能源利用率和丹麦一样？丹麦的GDP增长达到很高的水准，但是污染排放却也控制得很好，各种氮氧化物有害气体也得到了很大的控制，取得了很辉煌的成就。这和丹麦政府在联合生产体系方面的支持是不可分割的。丹麦还积极鼓励从政策和税收方面实施冷热电联供项目。

早在20世纪90年代，联合生产系统方面荷兰就开始启动了激励计划，使原生产能力从原来的27万千瓦提高到7000兆瓦，使我国的能源效率大大提高。荷兰政府还发布了许多有优惠的政策从而去大力支持冷热电联项目的实施，同时能源税机制也被采用，绿色能源用电可以降到2欧元左右。早在70和80年代美国就开始着手发展热电联产项目，而到20世纪底，美国就预测21世纪的前十年间，联合生产系统的容量会翻一番。通过有关部门了解到，新的增产最多可以使成本降低50亿美元之多，同时有害气体的排放也会减少，例如20万氮氧化物以及90万吨SO2气体的排放。美国还建立了联合生产系统委员会，想借此来达到双增长的目标。相关部门计划在十年前实现1/5栋住宅或办公楼，采用联合生产系统进行冷却[5]，并改造部分现有建筑系统，能源部计划1/4项目予以更换。对于系统。到2020年底，超过一半的新建筑将由联合生产系统供电。

日本能源稀缺的问题在很久以前就一直存在，因此日本政府相当重视对于能源的利用情况，所以早在日本就已经被联合生产系统所使用。在1986年5月，日本正式颁布了电网技术要求有关的指导方针。电力公司，这些业主都被要求了有关电力的提供，并且，还会因此给与业主许多的有利条件，例如税收方面的减免，已达到鼓励制度发展的作用，由此可见日本在能源使用方面做得十分出色，非常值得我们国家去借鉴。

目前，在中国冷热电联供发展上主要存在了以下问题：（1）中国汽轮机技术防战进城十分缓慢，不成熟的地方十分多[6]，其中性能不稳定，汽轮机效率低，售后服务不佳等问题尤为突出。冰寿命短，运行时间不宜过长，而且国内汽轮机的成本远高于国外类型相同的产品。（2）热电联产供能系统的在集成方面十分缺乏经验；（3）联合生产系统和大电网的网络技术还处在相对初级的阶段；（4）相关政策和指导不够清晰。中国合作生产体系的发展还处于刚开始的时候，与其他一些发达国家相比，在过去十多年有了一定的突破。联合生产系统在各个方面都有着广泛的应用。不仅是在工业上，而且在民用建筑的施工和改造方面，联合生产制度的优越性都体现的淋漓尽致。中国在2000年颁布了《热电联产发展条例》，其目的是为了更加巩固我国可持续发展的重要战略原则。同时，该条例很大程度上推动了全国对于能源的利用效率。热电联产系统的发展也由此进一步被确立。国家也在这个阶段鼓励了许多大城市的发展，如北京试点项目。

1.3 热电冷三联供的研究热点

前面简单介绍了下三联供系统的国内外研究现状，下面介绍下三联供系

统的国内外研究热点问题，主要集中在设备选型、系统能量管理、评价和分

析方法以及新技术在热电冷联供中的应用这四个方面

1.三联供系统设备选型的研究。联供系统的设备选择和设备之间的连接方式应该根据不同的情况、不同的场合合理选择[7]。在选择设备时，无论系统的形式是怎么样的，发电设备，制冷设备和供热设备都是必不可少的。与系统的其它设备相比，发电设备和制冷设备的造价都比其它设备高很多，占了系统总造因此，如何选择发电设备以及制冷设备对于整个系统的经济性能有着重大的影响。系统的发电效率，设备的连接方式以及余热的品质都与发电设备的不同而不同。制冷设备的选择在一定程度上则决定了联产系统热能的消耗与产生冷量的关系。那么怎样根据用户的需要对联产系统的各供能进行合理的设备选型成为了一个难点问题。如果系统的形式及容量选择得当，即三种供能的比例安排合理[8]，那么会带来很大的经济效益；如果选择不得当，不仅没有体现出联产系统的优越性，也可能造成巨大的经济损失。

2.热电冷联供系统能量管理的研究。三联供系统是一种将发电过程中产生的余热加以利用的系统。联供系统的热源为热电厂的余热或抽汽（排汽），热汇根据实际情况来看有多种不同形式，所以我们又称热电冷联供系统为热管理系统。三联供系统主要应用在民用或办公楼建筑中，但是在民用建筑中，各种负荷的变化是随着季节和时间变化的，并不是长期处于稳定状态，所以很少的热电冷三联供系统处于定工况运行，大部分系统都处于变工况运行状态。经过实际测量和研究，联供系统如果在部分负荷下运行时，系统的效率会下降，如果系统在低负荷下运行，那么整个系统的效率会很低，这时不仅体现不出节能优势，如果效率低于某点，可能还会比传统的分产系统更加浪费能源。由此可见，联供系统要想取得良好的经济效益，必须对系统的运行工况进行优化研究以及系统在不同运行工况下的经济性进行分析[9]。国内的研究尚不成熟，但国外对联产系统的能量管理研究已经相当完善了，不管是在数学模型还是在热力学分析上，都取得了一定的进步。在国内，江亿等人对三联供系统的系统优化及配置进行了一定的研究，并给出了优化系统的数学模型，对三联供系统的研究作出了一定的贡献 。

3．热电冷联供系统的评价和分析方法的研究。有关三联供系统的评价方法有很多，这些方法的最终目的都是为了比较系统的合理性，通过比较来选择和优化系统的形式，国内外已经有很多学者在研究三联供系统的评价方法，但目前尚没有一个完善的方法，并且大部分的研究只是对既有系统进行的，现在关于CCHP的评价及分析已经成为一个研究热点。现在的很多评价方法都各自有自己的局限性[10]，无法从根本上评论一个系统的优劣程度，所以说关于三联供系统的评价方法的研究也成为现在的一个研究热点和难点。Silveira等对基于熔融碳酸盐燃料电池的热电冷三联供系统进行了分析，主要分析了系统的能量利用和经济性Gorsek等对蒸汽轮机的联供系统进行了分析，主要分析了投资回收期及年消耗费用，通过对联产系统的分析，指出联产系统相对于传统意义上的分产系统具有明显的节能优势及经济优势，但这些优势的体现是有条件的。

第二章 三联供系统建模研究现状

2.1 控制模型

对于CCHP系统，面向过程的数学模型可以采用机制和识别的方法来建立。通常可以将冷热电联供系统分解成很多子系统，依据的是系统过程，最后各个模块之间的质量和能量将会达到一个平衡，这样子系统和设备对于模块模型的建立将会达到一个更精准的阶段。其中方程将是互相连通的，模型也可以作为系统中控制和自动操作的控制模型模板。在Rekha T.Jagaduri的文献中，主要的研究对象时内燃气轮机发布时发电系统的建模和控制在燃料电池方面的应用。DC/AC逆变器和电力系统连接，燃料电池依据这，然后达到和燃气轮机具有电压和频率控制回路的作用[11]。在建立燃料电池，燃气轮机和发电系统的数学模型时采用的主要是机构法。不仅引入了多变量模糊控制器，而且没有控制器时对控制器进行动态特性的比较和分析，以达到改善系统动态特性的目的。

2.2 系统运行模型

对对象进行更精准描述的同时，为系统提供所需要的论据时控制模型最重要的特点之一。高度非线性作为三元供应系统的特点，导致传统的热力模型无法做到准确的描述其运行特点。冷、热、电三大系统的集成、运行和利用是冷热电联供系统最重要的几个优势。因此，只有先建立好了系统的运行模式，才能是热点练功系统在经济方面和可靠性方面的优势得到充分的发挥。面对这种类型的模型，人工神经网络这种建模方法经常被引用到国内文献中。在文献〔3〕中通过引用燃气发电机组和吸附式制冷剂来组成为制冷热电联产他系统模型，最后对仿真的结果进行进一步分析。在对模型分析和评论后，得出的结论是对于热电联产系统的高非线性人工神经网络模型可以更加准确的适应。最后得出的结论是，在实际运行规律方面该模型更加适合，在未来制导系统运行的优化和控制设计方面能打造更好的基础。胡中文文献〔4〕以人工神经网络为基础，分别以1微型燃气轮机模型和烟气型溴化锂吸收装置作为所需依据，结合南京年工作时间的条件，进行冷热电联供系统仿真。结果在微涡轮机的充分工作条件下，为今后的优化奠定了基础。在文献中，Sergio Arosio将CCHP系统的动机和其他设备作为性能参数识别的“黑匣子”，将变量对小三代系统性能的影响作为主要的研究目标[12]。通过使各个设备的特性进行参数化，达到了评估参数对整个系统影响的目的。分析主要依据的是2个方面：简单模型和全局模型。目的是更进一步指导三生产行业的制造商，设计师及其用户达到更高的标准。

2.3 CCHP 系统优化模型

对系统的评价的可以指导运行，优化运行。CCHP 系统能够的优化模型是目前国内外文献热衷的热点问题。其中用到的方法有：数学规划法、矩阵建模法、计算机辅助法等。其中数学规划法是以实际运行需求为依据，设置经济性、环保性的目标函数和被优化参数，在一定的约束条件下建立系统的优化模型。

AndrewJ. Yosten 在文献中提出了基于数学程序的分布式发电建模方法，并用数学规划法对 4类任务进行了优化[13]。对于费用成本而言，分布式发电系统的优化控制可以通过降低从电网购电量，降低需求费用，降低从供热系统获取热负荷三方面来降低运行。相应地，一次能源消耗和污染排放也可以作为优化目标引进目标方程。P.J. Mago在文献中提出了基于能源消耗、运行费用和环境影响三方面考虑的优化模型。该文献分别在以电定热和以热

定电和复合运行 3 种运行模式下基于能源消耗、运行费用和环境影响 3 个方面对系统进行分析和优化。结果表明优化后的系统具有更好的性能。对于某城市的评价结果显示，优化后可以降低一次能源消耗和运行费用分别为 7.5%和 4.4%，对于以电定热运行的 CCHP 系统，优化后可以降低碳排放 14.8%。CCHP 热电冷三联供系统为节能高效能量系统的发展提供了新的选择。由于三联供系统的复杂性，这就要求引进整体模型去处理分析系统相互关联的不同部分和不同类型的能量流问题。考虑到系统部分间的关系和外部的能量流网络，Gianfranco Chicco 在文献中提出了一种综合的输入输出矩阵方法来处理小规模三联产系统的建模问题[14]。在定义了系统各部分的效率矩阵的基础上，建立了可以表示系统总效率矩阵模型。该模型简洁、清晰地反映出 CCHP 系统中 4 种能量形式的传递情况。

第三章 通风系统设计及边界设定

本文建立了一个简化燃气冷却、热电厂和设备室冷却设备的几何模型。简化设备机房设备，以简单的几何形状代替。模型如图 1 所示。

3.1 质量守恒方程

单位时间内微元体中流体质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，其偏微分方程为[15]：

其中： ρ——密度；

u——速度矢量；

v——速度矢量；

w——速度矢量；

上式中的第 2、3、4 项是质量流密度(单位时间内通过单位面积的流体质量)。

3.2. 动量守恒方程

微元体中流体动量的增加率等于用在微元体上各种力之和[16]。

u——动量方程

v——动量方程

u——动量方程

其中 η 为流体的粘度

3.3. 能量守恒方程

微量元素中的热力学能量的增长率等于进入微量元素的净热通量和体积力和无穷小表面力的总和[17]。

本文通过使用FLUENT专业软件认真仿真分析了气冷供冷设备与通风设备之间的通风系统，为大空间的通风和气流组织提供了理论依据上的帮助。

以室内不可压缩气体的不可压缩动量，质量以及能量守恒微分方程作为对象进行数值分析和离散化处理，CFD技术得以在室内热环境中得到应用。用于求解溶液中主要变量（速度和温度）的控制方程可以表示为以下形式[18]：

其中： φ ——通用变量，可以代表 u，v，w，T，k， ε 等求解变量

ρ ——密度；

U——速度矢量；

φ

Γ ——广义扩散系数；

S φ ——广义源项。

由图2可知，通过使用GAMNIT软件从而进行对网格的数值模拟分析。建立了烟气型直接燃烧机、入口空气入口和全空间在发电机组模型中的网格划分，并将仿真的精度和经济性与六面体和楔形网格相结合。使用GAMBIT模型将模型划分为17万个单元[19]。

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