中国将主办2022年冬奥会，冰雪运动逐渐兴起，冰上体育场馆的建设需求随之增加。冰上体育场馆的能源需求多样，除了一般电力需求外，既需要制冷系统向冰场供冷，又需要制热系统向观众席等非冰场区域供暖，还需要向浴室供应热水。因此，冰上体育场馆是典型的冷热电兼需的高耗能建筑；为节能减排，其多样化的能源需求需要一体化的解决方案。有机朗肯循环和蒸汽压缩循环联合（ORC-VCC）的方式，是近年来提出的一种可实现冷热电联供的热力学系统，其利用燃烧热、废热或太阳能光热实现建筑的供冷、供热、供电和空气调节被广泛研究。
针对冰上体育场馆的具体运行条件，北京大学工学院能源与资源工程系和北京市城市热管理工程技术研究中心张信荣教授课题组提出利用ORC-VCC热力学系统满足其冷热能源需求（本项目被列入北京市科技计划课题）。
考虑到系统使用的环保性和安全性要求，蒸汽压缩循环中的工质选用R744，有机朗肯循环选用R290和R1234yf作对比。利用热力学第一定律对该热力学系统的性能和可行性作初步评估，证实其是在吸收式制冷系统不适用的情况下一种可行的解决方案。受有机朗肯循环热效率的限制，该热力学系统的性能有待进一步提升，可考虑与能源转换效率更高、技术更成熟的光伏发电相结合，实现光伏光热冷热电联供一体化建筑。
以下对北京大学工学院王冠邦研究生的“基于ORC-VCC利用太阳能光热进行冰上体育场馆冷热联供”研究报告进行分享，以供参考。
一、研究与应用背景
1、ORC-VCC联合循环
有机朗肯（Rankine）循环发电所利用的热源可来自燃料燃烧热、废热、太阳能光热等；电能则主要用于驱动蒸汽压缩循环的压缩机，可用于供热、供冷、空调等。
2、系统设计
图：系统示意图
3、循环工质选择
图：低GWP工质
4、运行参数选取
图：运行参数
二、计算流程
1、稳态热力学模型
建立模型假设的条件为：1）系统处于稳态；2）不考虑循环工质的重力势能和动能；3）除冷凝器和冷却器向环境放热外，其他部件和管路均不考虑热损失；4）除换热过程的压力损失外，忽略其他压力损失和热损失；5）忽略水泵耗功。
2、计算流程
能量平衡方程：
图：计算流程
3、性能指标
VCC方面：1）制热性能系数COPH：实际使用热量/压缩机耗功；2）制冷性能系数COPC：制冷量/压缩机耗功；3）供热供冷比H/C：实际使用热量/制冷量。
ORC方面：1）热效率η：涡轮机做功/太阳能供热量；2）工质质量流量比ORC/VCC：反映ORC循环的做功能力，以及工质使用量。
三、性能分析
以下主要分析R290和R1234yf的性能：
T-s图
图：集热器出口温度
图：热水温度
图：环境温度
T-s图
图：集热器出口温度
图：热水温度
图：环境温度
四、可行性评估
1、工况算例
1）循环基准工况参数是：环境温度5℃，供热温度80℃，集热器出口温度140℃，冰场制冷温度-10℃。
2）建筑和设备条件参数：建筑长122.2m，宽107m，高15 m，容纳2000人；冰场面积1830 m²，冰层厚度6cm；集热器效率60%，太阳辐射强度700W/m²。
2、循环参数
1）冷负荷440kW，热负荷330kW；
2）COPH =2.24，COPC = 3.18，η =16%；
3）为满足冷负荷，VCC耗电量138 kW，制热量310kW，二氧化碳质量流量2.2kg/s；
4）为满足耗电量，太阳能集热器向ORC供热863 kW，若采用R290工质，ORC质量流量2.1 kg/s；若采用R1234yf工质，ORC质量流量4.8kg/s；
5）太阳能集热器还需补足热负荷20kW。
3、集热面积
1）太阳能集热器共需供热883kW；
2）需要集热器有效面积2100m²；
3）建筑顶部面积10000m²，可满足布置集热器的空间需求。
五、结论与展望
1、ORC-VCC联合循环用于冰上体育场馆冷热联供既可用于太阳能热发电，还可用于太阳能供热/冷建筑一体化。
2、VCC循环的制冷/热能效比远大于1，但ORC热效率低。溴化锂机组蒸发温度高于0℃，氨水机组有安全隐患，均不适用于冰上体育场馆。
3、其他电力来源有：光伏光热一体化（光伏能源转换效率近20%）及火电、风电等。
（作者：北京大学王冠邦 张信荣）
