用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑鞠到y(tǒng)設(shè)計探討

常　麗，秦　淵，馬彥濤

（中南電力設(shè)計院有限公司，湖北武漢430071）

用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑鞠到y(tǒng)設(shè)計探討

常麗，秦淵，馬彥濤

（中南電力設(shè)計院有限公司，湖北武漢430071）

本文簡述了燃?xì)夥植际侥茉凑炯皡^(qū)域供冷的系統(tǒng)特點(diǎn)，提出燃?xì)夥植际侥茉凑居糜趨^(qū)域供冷時的設(shè)計難點(diǎn)，并以廣東省某項目為例，介紹了項目的負(fù)荷情況、供冷需求及系統(tǒng)配置情況，通過兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑驹O(shè)計建議。

燃?xì)夥植际侥茉凑?；區(qū)域供冷；系統(tǒng)配置；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

0　引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，高能耗建筑比例不斷增大，勢必會加劇能源危機(jī)，因此，中國乃至世界各地都在積極尋找途徑跟高效更環(huán)保的能源利用方式。區(qū)域供冷和燃?xì)夥植际侥茉凑咀鳛槟壳按罅ν茝V的高效能源利用方式，必將得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。本文將對用于區(qū)域供冷系統(tǒng)的燃?xì)夥植际侥茉凑镜脑O(shè)計進(jìn)行探討。

1　區(qū)域供冷與燃?xì)夥植际侥茉凑鞠到y(tǒng)特點(diǎn)

區(qū)域供冷系統(tǒng)（district cooling system，簡稱DCS）是指在一個建筑群中設(shè)置集中的制冷站制備空調(diào)冷水，再通過輸送管道，向各個建筑供給冷量的系統(tǒng)。燃?xì)夥植际侥茉凑臼侵咐锰烊粴鉃槿剂?，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，在負(fù)荷中心就近實現(xiàn)能源供應(yīng)的能源供應(yīng)方式，綜合能源利用效率在70%以上，是天然氣高效利用的重要方式。

1.1區(qū)域供冷系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）與常規(guī)制冷機(jī)房相比，區(qū)域供冷系統(tǒng)供冷范圍大，供能范圍內(nèi)建筑類型多，通常有酒店、商業(yè)、辦公、住宅等，冷負(fù)荷的互補(bǔ)性強(qiáng)，逐時冷負(fù)荷曲線平緩，各建筑同時使用率低，這樣相同的供冷面積，可減小制冷機(jī)房裝機(jī)容量，減少機(jī)房占地面積和運(yùn)維成本[1]。

（2）區(qū)域供冷系統(tǒng)中制冷機(jī)房規(guī)模較大，有條件采用更先進(jìn)的制冷設(shè)備、能量輸送設(shè)備及智能化控制系統(tǒng)，并能有效保證大型制冷設(shè)備在高效滿負(fù)荷情況下運(yùn)行，提高能源利用效率，比常規(guī)集中式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能約35%[2]。

（3）《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中提出，區(qū)域供冷系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用分布式能源站、熱電廠等余熱作為制冷能源，選用溴化鋰吸收式冷水機(jī)組作為冷源設(shè)備，利用余熱供冷，實現(xiàn)能源的梯級利用節(jié)能減排[3]。

（4）區(qū)域供冷系統(tǒng)供冷半徑不宜超過1.5km，盡量采用大溫差供冷，降低輸送能耗[4]。

1.2燃?xì)夥植际侥茉凑鞠到y(tǒng)特點(diǎn)

（1）燃?xì)夥植际侥茉凑臼墙⒃谟脩舾浇哪茉凑纠孟到y(tǒng)，以天然氣為輸入能源，對外提供電力、冷凍水及熱水，系統(tǒng)配置一般為發(fā)電機(jī)組+余熱利用設(shè)備+調(diào)峰供冷供熱設(shè)備，發(fā)電機(jī)組余熱類型一般為蒸汽、熱水、煙氣，余熱利用設(shè)備依據(jù)發(fā)電機(jī)組余熱類型選取，能源綜合利用率一般在75%~85%。

（2）燃?xì)夥植际侥茉凑驹谙到y(tǒng)配置應(yīng)遵循以冷熱負(fù)荷定發(fā)電量的原則，而這里所提出的冷熱負(fù)荷不是指能源站的設(shè)計冷熱負(fù)荷，而是經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較之后，確定的相對穩(wěn)定的冷熱負(fù)荷[5]。

（3）燃?xì)夥植际侥茉凑井a(chǎn)出的電力的使用存在“并網(wǎng)不上網(wǎng)”、“并網(wǎng)運(yùn)行，余電上網(wǎng)”、“就地直供，余電上網(wǎng)”等運(yùn)行模式，發(fā)電機(jī)組的容量確定除受冷熱負(fù)荷限制外，也受電力使用方式限制。

1.3用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑鞠到y(tǒng)特點(diǎn)

（1）采用溴化鋰吸收式冷水機(jī)組作為冷源設(shè)備，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組余熱的就地利用，降低制冷機(jī)房運(yùn)行成本。但由于溴化鋰機(jī)組本身制冷原理的限制，冷凍水供水溫度一般為5～6℃，無法滿足區(qū)域供冷的供水溫度要求，冷凍水需要采取進(jìn)一步降溫措施后外供。

（2）發(fā)電機(jī)組為能源站內(nèi)電力驅(qū)動的冷源設(shè)備提供電力，該部分電力將作為能源站的廠用電，實現(xiàn)電能的就地消納，減少電網(wǎng)輸送損耗及電網(wǎng)調(diào)度壓力，避免電力“就地直供”等政策性壁壘[6]。

（3）在與冰蓄冷系統(tǒng)結(jié)合使用時，分布式能源站受作為“發(fā)電型”企業(yè)的限制，在購電運(yùn)行時很難爭取到峰谷電價，因此采用冰蓄冷作為系統(tǒng)調(diào)峰及降低供冷溫度的措施要經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

2　案例分析

2.1項目概況

該項目位于廣東省某新興商務(wù)區(qū)，供冷范圍約73萬m2，建筑面積約332萬m2，供冷范圍內(nèi)業(yè)態(tài)主要為五星級酒店、商業(yè)廣場、購物中心等，能源站對各冷用戶間接供冷，要求低溫供冷，供冷溫度3℃。根據(jù)供冷區(qū)域年冷負(fù)荷曲線及夏季典型日負(fù)荷曲線如圖1、圖2所示，并考慮能源站自用冷負(fù)荷，能源站設(shè)計冷負(fù)荷取85MW。

根據(jù)冷負(fù)荷分析結(jié)果，確定能源站系統(tǒng)配置方案：發(fā)電機(jī)組選用3臺燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，余熱利用設(shè)備選用煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，調(diào)峰設(shè)備選用的離心式冷水機(jī)組或冰蓄冷裝置。由于能源站配置內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，為售電型企業(yè)，上網(wǎng)購電是不享受峰谷電價政策，購電價格統(tǒng)一按照商業(yè)用電0.89元/kWh。其余邊界條件如下：天然氣價格：2.65元/Nm3；售電價格：0.81元/kWh；售冷價格0.55元/kWh。

2.2溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)串聯(lián)供冷方案

為實現(xiàn)3℃供水溫度，采用溴化鋰機(jī)組上游、離心機(jī)下游的串聯(lián)供冷方案，溴機(jī)進(jìn)出水溫度13/8℃，溴機(jī)下游串聯(lián)離心式冷水機(jī)組進(jìn)出水溫度8/3℃，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組+煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+串聯(lián)離心式冷水機(jī)組單元制設(shè)置，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組與下游離心式冷水機(jī)組通過水路串聯(lián)運(yùn)行，載冷劑為純水。供冷系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

考慮到過渡季節(jié)及夜間冷負(fù)荷低谷時段，在滿足冷用戶舒適性要求的前提下，可適當(dāng)提高冷凍水供水溫度，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組選型時需復(fù)核機(jī)組在冷凍水供回水溫度6/13℃及7/13℃時可穩(wěn)定運(yùn)行，同時復(fù)核下游離心式冷水機(jī)組在冷凍水供回水溫度3/13℃時可穩(wěn)定運(yùn)行。溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)串聯(lián)供冷方案主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1　溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)串聯(lián)供冷方案主要設(shè)備參數(shù)表

依據(jù)能源站裝機(jī)配置方案，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組為余熱利用設(shè)備，利用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組余熱制冷，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳，串聯(lián)離心式冷水機(jī)組與煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組配套設(shè)置、運(yùn)行；大溫差離心式冷水機(jī)組利用能源站自發(fā)電或者夜間購電制冷，只在夜間冷負(fù)荷低負(fù)荷時段或白天余熱供冷量不滿足要求時運(yùn)行。

在能源站的實際運(yùn)行過程中，能源站管理系統(tǒng)會依據(jù)氣象條件及用戶末端冷熱負(fù)荷變化情況調(diào)整煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、溴化鋰機(jī)組下游串聯(lián)離心式冷水機(jī)組、大溫差離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行模式，以達(dá)到能源站收益最高。能源站100%負(fù)荷日運(yùn)行策略如圖4所示。

表2　溴化鋰機(jī)組與冰蓄冷串聯(lián)供冷方案主要設(shè)備參數(shù)

2.3溴化鋰機(jī)組與冰蓄冷串聯(lián)供冷方案

為實現(xiàn)3℃供水溫度，采用溴化鋰機(jī)組上游、冰蓄冷下游的供冷方案。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧案邷馗滋姿M(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，制取6℃冷凍水，冰蓄冷系統(tǒng)融冰板換串聯(lián)在溴化鋰機(jī)組下游，將6℃冷凍水降溫至3℃外供；供冷系統(tǒng)供回水溫度3/13℃。溴化鋰機(jī)組與冰蓄冷串聯(lián)供冷方案主要設(shè)備參數(shù)見表2。

由于項目沒有峰谷電價政策，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型，應(yīng)盡量采用能源站自發(fā)電蓄冰，根據(jù)冷負(fù)荷分布情況，發(fā)電機(jī)組僅在每天7:00~21:00運(yùn)行，該時段也是冷負(fù)荷高峰時段，為避免邊蓄冰邊融冰的運(yùn)行模式，設(shè)置兩個容量100MWh的蓄冰槽，切換運(yùn)行。能源站100%負(fù)荷日運(yùn)行策略如圖5所示。

2.4經(jīng)濟(jì)性分析

項目的邊界條件如下：天然氣價格：2.65元/Nm3；購電價格：0.89元/kWh；售電價格：0.81元/kWh；售冷價格0.55元/kWh。能源站在采用溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)串聯(lián)供冷方案或溴化鋰機(jī)組與冰蓄冷串聯(lián)供冷方案的系統(tǒng)配置時管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計相同，在此不作比較。

分別計算兩種方案在100%、75%、50%、25%負(fù)荷工況日的運(yùn)行策略計算運(yùn)行收益。經(jīng)濟(jì)性比較詳見表3。

與溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)串聯(lián)供冷方案相比較，溴化鋰機(jī)組與冰蓄冷串聯(lián)供冷方案初投資高1550萬元，運(yùn)行年收益低542.8萬元，可見在沒有峰谷電價政策的情況下，即使使用能源站的自發(fā)電蓄冰供冷，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性仍然較差，且冰蓄冷系統(tǒng)存在初投資高、控制系統(tǒng)復(fù)雜、蓄冰及融冰存在換熱損失等特點(diǎn)。因此在用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑卷椖恐校?dāng)沒有峰谷電價政策時，推薦采用溴化鋰機(jī)組與離心式冷水機(jī)組串聯(lián)供冷方案。

表3　典型負(fù)荷工況日的經(jīng)濟(jì)性比較

3　用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑卷椖吭O(shè)計注意事項

3.1系統(tǒng)配置的靈活性

采用溴化鋰機(jī)組與離心式冷水機(jī)組串聯(lián)供冷方案時，在機(jī)組選型時需要復(fù)核溴化鋰機(jī)組、離心式冷水機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行時的穩(wěn)定性安全性。在系統(tǒng)設(shè)置上，供冷系統(tǒng)通過閥門的切換，可實現(xiàn)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)串聯(lián)供冷、煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組單獨(dú)供冷、離心式冷水機(jī)組單獨(dú)供冷、煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組與離心機(jī)并聯(lián)供冷四種運(yùn)行模式。

3.2系統(tǒng)控制的安全性

采用溴化鋰機(jī)組與離心式冷水機(jī)組串聯(lián)供冷方案時，離心式冷水機(jī)組串聯(lián)在煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組下游運(yùn)行，在設(shè)備選型時要復(fù)核離心機(jī)和溴機(jī)允許流量變化范圍及變化率，確保設(shè)備運(yùn)行安全，防止出現(xiàn)凍管、結(jié)晶等問題。根據(jù)冷負(fù)荷分析結(jié)果，制定合理的運(yùn)行策略，盡量延長溴機(jī)運(yùn)行時間，保證能源站整體經(jīng)濟(jì)性。在冷負(fù)荷需求下降時，冷凍水回水溫度降低，保持溴化鋰機(jī)組供冷量不變，優(yōu)先卸載離心式冷水機(jī)組，溴化鋰機(jī)組出口溫度降低至機(jī)組保護(hù)溫度（建議設(shè)定為6℃）時，再開始卸載煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組。

3.3管網(wǎng)敷設(shè)的經(jīng)濟(jì)性

燃?xì)夥植际侥茉凑居脜^(qū)域供冷時，由于供冷范圍擴(kuò)大，供冷管網(wǎng)龐大，因此管網(wǎng)流速及敷設(shè)形式的確定需要經(jīng)過詳細(xì)分析論證，同時計算管網(wǎng)保溫材料的選取及厚度，減少輸送損失。

4　結(jié)語

本文闡述了用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑鞠到y(tǒng)特點(diǎn)，并以廣東省某燃?xì)夥植际侥茉凑緸槔治隽似湎到y(tǒng)配置情況、運(yùn)行策略、經(jīng)濟(jì)性，提出設(shè)計時注意事項，同時提出以下結(jié)論及建議：

（1）采用燃?xì)夥植际侥茉凑咀鳛閰^(qū)域供冷冷源，利用天然氣發(fā)電機(jī)組排放余熱制冷，提高一次能源綜合利用率，符合國家能源政策。且隨著天然氣價格改革、分布式能源投資補(bǔ)貼、燃?xì)獍l(fā)電上網(wǎng)電價補(bǔ)貼諸多利好政策的出臺，用做區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑緦⒌玫礁斓耐七M(jìn)和發(fā)展。

（2）用于區(qū)域供冷的燃?xì)夥植际侥茉凑揪哂衅渥陨硖攸c(diǎn)，要根據(jù)冷負(fù)荷分析情況，結(jié)合天然氣價、購電價格、售電價格、售冷價格等外部條件，合理配置系統(tǒng)裝機(jī)方案，確定經(jīng)濟(jì)可行的運(yùn)行策略。在有低溫供冷需求時，是否采用冰蓄冷方案應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

（3）區(qū)域供冷多采用間接供冷方式，冷用戶與供冷管網(wǎng)之間通過板換隔開，板換一次側(cè)的控制由能源站實現(xiàn)，板換二次側(cè)的控制由冷用戶負(fù)責(zé)，各用戶控制隨意性較大時，會造成能源站供回水溫差減少，造成輸送能耗增加等問題。在能源站控制系統(tǒng)設(shè)置中要采取防范措施，如在與用戶簽訂的供冷協(xié)議中規(guī)定用戶側(cè)回水溫度等措施。

[1]殷平.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)研究（4）：區(qū)域供冷和區(qū)域供熱[J].暖通空調(diào)，2013，43（7）：10-17.

[2]GB50189-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計[S].

[3]GB50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]陸耀慶，等.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5]CJJ145-2010,燃?xì)饫錈犭娙?lián)供技術(shù)規(guī)程[S].

[6]康英姿.區(qū)域供冷系統(tǒng)與燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的結(jié)合[J].煤氣與熱力，2007，27（2）：62-66.

Discussion of Distributed Energy Station Used in District Cooling System

CHANG Li，QIN Yuan，MA Yan-tao
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

Thispaperbriefly describes the system characteristic ofgasdistributed energy station and districtcooling system,propose difficultiesin design ofgasdistributed energystation used in districtcooling system,then,takinga projectin GuangDong province for example,introduces the the condition of load,cooling demand and system configuration,through two kinds of schemes of technicaland economic comparison,give design recommendation forgas distributed energy station used in districtcooling system.

gas distributed energy station；district cooling system；system configuration；technical and economic analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.002

TU83

B

2095-3429（2016）05-0005-05

常麗（1982-），女，湖北武漢人，高級工程師，從事暖通及燃?xì)夥植际侥茉凑驹O(shè)計。

2016-08-17

2016-10-10