摘要：大力推广家用热电联供技术在中国的发展，不仅可以减少对城市大电网的依赖，还可以提高能源系统综合利用效率。本文分析了燃气发动机型热电联供技术的发展，指出了家用热电联产技术在中国发展所面临的障碍，并对家用热电联产在中国的发展进行了展望。
关键词：家用热电联产斯特林发动机燃料电池
引言
随着天然气的开发和环保要求的提高，无论是发达国家还是发展中国家，分布式能源站都已先后进入了市场大力推广时期，各国政府更是在配套政策、法律等方面大力支持，中国分布发展式能源也正面临着前所未有的好机遇［1］。2008年的一场雪灾给国人上了一堂深刻的能源和电力安全课，警示我国的能源和电力供应安全问题应该更加引起高度重视，我国的能源和电力体制必须进一步加快改革［2］。随着城市的发展，建设分布式小城镇是一个必然趋势，新建小区也应当逐步走向家用热电联产（Domestic-CHP）方式。家用热电联产是指以取代现有的家用热水炉的市场目标的，针对家庭用户的热电联产装置。该装置利用以天然气为燃料的小型发动机驱动一个迷你发电机，产生家庭所需的大部分电力，发动机的尾气余热进入家庭热水系统提供家庭所需生活热水［3］。与传统的大型中央发电站相比，家用CHP系统可以更快地实现其价值，减少对电网的需求压力，减少传统电站在传输和分配时的损失，在城市大电网出现故障时可以保障家庭生活不受太大影响。这种系统已经得到越来越多的国家的政策制定者、设备制造商和业主的认可，产品将在全球范围内大量使用。
1燃气发动机型CHP的发展
要使家用CHP成为现实，原动机的合理选择是关键。家用CHP系统目前可以采用燃气发动机进行发电，也可采用燃料电池发电（家用热电联产技术的发展）。
1。1内燃机发动型家用CHP的发展
世界上销售量最大的采用内燃机的家用燃气热电联产装置的产品是日本商品名为EcoWill（生态愿境）的产品。该产品在1996年由日本政府组织，多家企业、大学和研究机构联合开发，于2002年底开始投入市场，2008年当年的销售量约为5万台，采用燃气内燃发动机发电的同时利用发动机的余热提供热水和电能，额定发电功率为1kW，供热量为2。8kW，燃气利用效率约85%。2009年9月，德国大众和LichtbLick能源公司发布了合作开发的家用热电联产机组，以天然气为燃料，在烟气热回收过程采用了烟气冷凝换热技术，燃气能源利用效率高达94%。
1。2外燃机发动型家用CHP的发展
外燃发动机具有功率小、容量变化范围较大、热源广泛、废弃排放量小、结构简单、振动轻、噪声小、热效率高等显著特点［4］。虽然外燃机有多种类型，不过目前家用热电联产装置基本是配套斯特林发动机。斯特林发动机是一种以多种燃料为能源的闭循环回热式发动机，机组震动小，噪音低，燃烧温度在450℃以上的任何燃料均可作为斯特林发动机的能源，当使用天然气作燃料时效率可达到25%~30%。虽然斯特林发动机应用于家用热电联产装置目前尚处于起步阶段，短期内大规模应用的条件目前不具备，但是我国多年来从事斯特林发动机的研究和开发工作，已经取得了一些阶段性的成果，包括使用燃料驱动和太阳能热驱动的斯特林发动机已经投入试验性运行。从技术发展的趋势角度，家用燃气斯特林发动机热电联产装置在未来仍然是燃气利用技术发展的重点发展领域。荷兰MEC子公司生产的斯特林发动机由于采用自由活塞式结构，虽然发电效率偏低，但是维护工作量小，原则上在使用期内免维修，目前占全球斯特林发动机型热电联产机组市场的60%以上［5］。此外，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）近年开发成功的面向寒冷地区的家用热电联产系统配备有可利用各种燃料发电的斯特林发动机，发电输出功率为841W，发电效率为30%，不仅优于同类斯特林发动机，也优于功率相同的内燃机，试验情况良好，短期内有望批量生产。
1。3燃料电池型家用CHP的发展
燃料电池是一种在等温条件下，不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有无噪音、可靠性高、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点［6~7］。日本松下电器产业公司日前开发出家庭用燃料电池热电联产系统，它在输出功率750瓦时的发电效率达39%，居目前世界同类产品之首，该公司目前销售的ENE-FARM产品的使用寿命达到4万小时以上，可以满足在住宅场所正常使用10年的要求。此外，欧美国家已经有多家企业发布了家用燃料电池的产业化计划，预期2012年欧美地区的燃料市场将陆续启动。
2家用热电联产技术在中国发展所面临的障碍
2。1热电联产的经济因素与技术难题
作为大众化的家用产品，家用CHP除了要求有天然气供应、有一定的热水需求、开放的电网等三个基本条件外，关键问题是发动机的热、电输出比要与该家庭的热、电需求比相当。家庭使用CHP的成本很大程度上是固定的，而节省额是与运行的小时数成比例，具有给定的效率、大小和投资额的系统需要最少的运行小时数以使他们本身的投资合理化。在英国，以CCHP为例，超过100kWe的设备每年最少运行时间大约为4500小时；低于100kW的则很少有设备具有经济效益，这对家用热电联产在市场的发展带来很大的障碍［8］。
对电力需求数据的研究发现，虽然一个家庭的电力需求曲线上有许多峰值，但满足峰值时的电力需求持续时间很短，几乎没有任何经济价值。70%的用户电力消耗量低于1kW，从理论上说，这一部分的电力需求可以由一部1kW的发电机来满足。当超过1kW时，通过增加电输出而获得的节约大幅度下降，因此使用大于1kW的引擎几乎无经济优势可言。另外，在夜晚和空闲时段里，许多家庭的电力需求低于100W，而这时没有明显和持续的负载，许多发电机在技术上有最小功率的限额，这意味着任何低于这个限额的负载是无法满足的，这一点也是目前家用CHP所面临的瓶颈。
2。2热电联产的政策导向与支持
对不同国家生产和使用家用CHP系统的调查显示，目前全球排前三位的国家是德国、日本和韩国。由于电网故障的频繁发生，这些国家均出台了明确的政策，包括对使用者的一系列鼓励计划以及当地建立了规模化生产基地。最近几年，我国热电联产事业得到了迅速的发展，经过40多年来热电建设的经验积累，目前已形成一条中国式的热电联产发展道路，然而在家用热电联产方面，我国目前还处于起步阶段。30年经济快速发展，没出过类似2008年极端天气引发大规模停电的事故，因而过度依赖大电网，形成了国电公司全面垄断的机制。这是家用CHP在中国难以发展的根本原因。对小规模CHP技术而言，在中国大中城市，天然气供应充分，发展家用热电联供条件成熟，因此要充分利用政府提供的有利条件，加大研究和开发力度，开创出一条中国式的家用热电联产系统。
3结束语
最新报告指出，家用热电联产系统包括别墅和公寓等，到2022年，其安装总量将达到1350万个。清洁能源市场机构预计，这些系统所带来的市场产值将在2022年达到410亿美元。目前，世界各国都在加大对家用CHP技术的投入以加速该技术的商业化和应用进程。
国际上家用CHP已进入商业化，以该技术为核心的建筑热电联产系统，将因为其极高的能源综合利用效率和环境相容性，逐渐成为21世纪分布式能源系统的重要组成。
中国要建设资源节约型和环境友好型社会，要实现可持续发展，能源利用效率必须得到提高。不仅要提高发电效率，也要提高供热效率。大力推广家用CHP在中国的发展，不仅可以减少对城市大电网的依赖，以应对极端天气或其他突发情况下的电网故障，还可以提高能源系统综合利用效率，应引起足够的重视。
参考文献
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［2］蒙琦，华贲。2008雪灾-中国能源格局的思考：分布式能源与大电网的安全保障［C］。//第五届海峡两岸热电联产、汽电共生学术交流会论文集。2008：161-164。
［3］厉戌吟，冯良。家用热电联产技术［J］。上海煤气，2004，（6）：33-37。
［4］朱辰元，薛飞，汪海贵等。家用热电联供产品（MCHP）的设计要求与原动机的选择［J］。能源技术，2006，27（1）：25-28。
［5］黄逊青。家用燃气斯特林发动机热电联产装置［J］。家电科技，2011，（4）：48。
［6］兰丽，张泠，尹应德等。燃料电池与冷热电联产系统［J］。制冷与空调（四川），2005，20（3）：58-63。
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