后世博江水源空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行分析

張志恒 劉子亮 鄔亮 余岳峰

1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠2.上海交通大學

后世博江水源空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行分析

張志恒1劉子亮1鄔亮1余岳峰2

1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠2.上海交通大學

在后世博期間，許多江水源空調(diào)系統(tǒng)得以保留并一直運行至今。本文對世博城市最佳實踐區(qū)的江水源空調(diào)系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的優(yōu)化與節(jié)能運行方式分析。分布式能源作為近年新興的區(qū)域性能源供應方式，無疑最適合上海這樣對環(huán)境有較高要求的超大型城市。

江水源空調(diào)；分布式能源；節(jié)能運行；后世博

2010年上海世博會期間，在黃浦江沿岸建造了多處江水源空調(diào)系統(tǒng)，為世博園區(qū)內(nèi)相當數(shù)量場館的空調(diào)供能提供服務，從高品質(zhì)能源供應方面體現(xiàn)了“城市讓生活更美好”這一主題。而后世博期間，為了進一步高效利用世博會遺產(chǎn)，同時大幅降低國有資產(chǎn)浪費，絕大多數(shù)江水源空調(diào)系統(tǒng)得以保留并運行至今。本文基于其中較大的一處——世博城市最佳實踐區(qū)江水源空調(diào)系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的優(yōu)化與節(jié)能運行方式分析。

1 世博園區(qū)江水源空調(diào)系統(tǒng)運行特點

江水源空調(diào)系統(tǒng)，顧名思義就是利用水源作為系統(tǒng)的能量來源，將低品位能源轉化為高品位能源的一套空調(diào)系統(tǒng)，是分布式能源系統(tǒng)在擁有大徑流量水源流經(jīng)的城市自然條件下因地制宜的大膽嘗試。該套系統(tǒng)可以實現(xiàn)在設計工況下為區(qū)域內(nèi)的建筑夏季提供冷能，而冬季提供熱能。系統(tǒng)的能量來源全部由江水提供，理論上無需消耗天然氣或煤炭等一次能源，從而減少CO2等溫室氣體排放，對減少城市熱島效應有積極作用，對城市環(huán)境更友好，依然緊貼“城市讓生活更美好”這一主題。

江水源空調(diào)系統(tǒng)從設計到運行相比采用冷卻塔的空調(diào)系統(tǒng)，其優(yōu)劣非常明顯，具體分析如下。

該系統(tǒng)優(yōu)點：

（1）夏季工況和冬季工況可采用同一套系統(tǒng)供能，設備數(shù)量較少，維護成本也隨之降低；

（2）無需冷卻塔進行冷卻，區(qū)域內(nèi)可明顯減少熱島效應，同時不占用地面或建筑體外立面空間；

（3）采用江水過濾方式替代冷卻塔散熱，大幅降低冷卻設備的電耗；

（4）冷卻水采用江中——地下的方式，設計上采用了低揚程水泵，進一步降低冷卻系統(tǒng)的電耗；

（5）系統(tǒng)末端用戶場館采用空調(diào)水直供而非板換的的方式，減少了二次換熱的損失，進一步提高了系統(tǒng)的效率。

系統(tǒng)也存在不足，主要有：

（1）因向黃浦江的江水水質(zhì)妥協(xié)，機組設計效率相較冷卻塔機組略低；

（2）自黃浦江部分區(qū)段取水，須定期對該區(qū)段進行清淤工作，工作難度較清理冷卻塔高，但因設備數(shù)量少，成本基本持平甚至略低；

（3）作為唯一的能量來源，由于江水水質(zhì)和水溫全年變化較大，而且通常采用直流取水設計，無水質(zhì)緩沖區(qū)域，日常運行難度明顯高于普通冷卻塔系統(tǒng)。

綜合看，總體上江水源空調(diào)系統(tǒng)是一套單機效率略低但系統(tǒng)整體效率較高的、對環(huán)境友好、后期運行有一定難度的分布式能源系統(tǒng)。

2 世博園區(qū)江水源空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行分析

世博城市最佳實踐區(qū)江水源空調(diào)系統(tǒng)最初是由同濟大學建筑設計研究院負責設計，其優(yōu)勢是最大化利用上海電力股份有限公司原上海南市發(fā)電廠的江水取退水系統(tǒng)進行再利用，在降低選址難度的同時也降低了整套系統(tǒng)的建設投資成本，該系統(tǒng)自2009年底進入調(diào)試階段，至今已運行了將近8年的時間。

系統(tǒng)能效比指數(shù)COP=系統(tǒng)輸出的總能量/系統(tǒng)消耗的總電量。對于一套空調(diào)系統(tǒng)而言，要提高系統(tǒng)整體的效率，在確保系統(tǒng)安全的前提下，必須在保持系統(tǒng)的能量輸出規(guī)模的同時，降低設備的使用數(shù)量或優(yōu)化設備的運行參數(shù)。

江水源空調(diào)系統(tǒng)在設計上按循環(huán)分，共有3個系統(tǒng)：①江水循環(huán)系；②一次循環(huán)系統(tǒng)；③二次循環(huán)系統(tǒng)。而從功能分，共有5個子系統(tǒng)：①江水取水系統(tǒng)；②江水過濾系統(tǒng)；③一次換熱系統(tǒng)（主機）；④能量輸送系統(tǒng)；⑤二次換熱系統(tǒng)（末端空調(diào)）。以下主要按照功能區(qū)分的5個系統(tǒng)，分別進行節(jié)能運行方式的闡述。

（1）江水取水系統(tǒng)：取水系統(tǒng)作為整個江水源空調(diào)的起始點，是整套系統(tǒng)的能量來源。但實際運行中，能量的需求是不斷變化的，取水量也需要不斷變化，在設備選型中，江水泵變頻器的應用是必不可少的。通常水泵在設計中的選型是為了滿足最極端或最高負荷的需求而定的，在一般工況下無論流量還是揚程有一定的富余，采用較經(jīng)濟甚至較極限的頻率運行對于取水系統(tǒng)的用電消耗有明顯的改善作用。

（2）江水過濾系統(tǒng)：江水過濾系統(tǒng)在江水源空調(diào)系統(tǒng)中是最為至關重要的環(huán)節(jié)，該子系統(tǒng)的過濾強度直接影響整套空調(diào)系統(tǒng)的運行安全性。尤其在沒有緩沖的江水取水系統(tǒng)中，江水過濾系統(tǒng)的失效將直接導致系統(tǒng)的停運，嚴重的可能導致主機的大修甚至報廢。但江水的水質(zhì)是常年變化的，主動了解江水水質(zhì)情況，進行過濾系統(tǒng)的過濾強度調(diào)整，即在水質(zhì)情況較好的前提下，主動停用強度過高的設備，降低江水取水系統(tǒng)的運行阻力，可明顯提高取水系統(tǒng)的運行效率，進而降低能耗。

（3）一次換熱系統(tǒng)：即供能主機，一般而言，每一臺機組都選取了一套最適用的控制邏輯及控制參數(shù)。但最適用是運行覆蓋范圍大而不代表最經(jīng)濟，而每一臺機組又因制造工藝或過程的不同，擁有各自不同的性能特性曲線。同時在統(tǒng)一供能期中，能量初端和供給端的負荷不同也對機組本體的運行有重大影響。所以，及時參數(shù)的主動調(diào)整對機組的高效率運行有極大幫助。尤其是向水質(zhì)妥協(xié)的江水源空調(diào)系統(tǒng)的機組，在選型方面單機的額定效率和最高效率均不及冷卻塔機組，但合理地調(diào)整機組的實時參數(shù)可以最大化彌補單機效率方面的不足。

（4）能量輸送系統(tǒng)：能量輸送主要由輸送水泵及延伸至末端場館的管道組成，其中水泵的運行也與江水泵的運行邏輯一致，即按照負荷的變化進行調(diào)整，盡量用提高溫差的方式來進行節(jié)能。之前夏季供冷期的設計標準溫差是5℃，近年來已逐漸向7℃靠攏就是在確保舒適性的前提下的節(jié)能措施。管道作為一個看似無法調(diào)節(jié)的部分其實也具備節(jié)能潛力，即合理調(diào)整管道壁氧化層的厚度和組份。管道作為一個空調(diào)系統(tǒng)的連通部分，熱損失的最大的部分，尤其是淺埋管熱損失較大，僅依靠保溫效果很難保證，可有選擇性地進行管道內(nèi)部表面氧化層厚度調(diào)整，降低管道整體（管道金屬本體和氧化層）的熱傳遞系數(shù)，可以明顯提高管道的保溫性，提高系統(tǒng)的輸送經(jīng)濟性。

（5）二次換熱系統(tǒng)：用戶端的二次換熱系統(tǒng)一般是最不被重視的部分，原因主要為復雜、不可視等。但事實上二次換熱系統(tǒng)節(jié)能空間非常巨大，不僅直接關系到用戶端的舒適性體驗，更能很好地為前4個子系統(tǒng)提供調(diào)整依據(jù)，而且據(jù)有時效性。在有條件的情況下將末端用戶的用能參數(shù)實時傳送至江水源空調(diào)系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)，由末端負荷的需求決定初端供能的輸出，是一種實時的能源“供給側改革”。

3 世博園區(qū)江水源空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果

世博城市最佳實踐區(qū)的江水源空調(diào)系統(tǒng)的運行正是運用以上的方式進行分子系統(tǒng)節(jié)能，挖掘每一個子系統(tǒng)的潛力，用低成本的改造來優(yōu)化硬件配置，配合優(yōu)化的運行方式及實時的監(jiān)控系統(tǒng)進行取能——產(chǎn)能——輸送——用能控制，配合對當天天氣的預判，真正實現(xiàn)對能源的最大化利用。如果用比例來描述以上5個子系統(tǒng)的節(jié)能潛力，即：江水取水系統(tǒng)為15%，過濾系統(tǒng)為5%，一次換熱系統(tǒng)為30%，能量輸送系統(tǒng)為20%，二次換熱系統(tǒng)為30%。

按近幾年世博城市最佳實踐區(qū)江水源空調(diào)系統(tǒng)改造和優(yōu)化運行后的數(shù)據(jù)累積，夏季機房動態(tài)COP的平均值＞4.1，而整體系統(tǒng)動態(tài)COP的平均值＞3.7。這樣的數(shù)據(jù)還是建立在實踐區(qū)的實際供能面積僅有設計面積的1/3至1/2這樣的部分工況基礎上的，規(guī)?；€未完全顯現(xiàn)。未來，在實踐區(qū)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)能完成釋放后，規(guī)?；獙M一步為系統(tǒng)效率的提高提供較大幫助。

但總體看，世博期間建造在黃浦江沿岸的江水源空調(diào)系統(tǒng)已有多處停用或即使在用也效率較低，主要是后期運行維護存在一定的問題，而由能源企業(yè)來運行維護這樣的分布式能源系統(tǒng)是最為可靠的保證。江水源空調(diào)系統(tǒng)的設計理念是創(chuàng)新的、超前的，是高效利用自然資源的杰出代表，輔以合理的運行方式和及時適當?shù)纳壐脑?，即可釋放處系統(tǒng)的最大潛力。

4 總結

綜上所述，分布式能源作為近年新興的區(qū)域性能源供應方式，無疑最適合上海這樣對環(huán)境有較高要求的超大型城市，提高能源利用率也是大勢所趨。作為負責任的大國，中國在國際舞臺上已承諾，以2005年為基準年，實現(xiàn)至2030年碳排放強度降低65%的目標。鑒于社會的向前發(fā)展，節(jié)能是減排的最有效方式。事實證明，江水源空調(diào)系統(tǒng)是適合在上海發(fā)展的分布式能源系統(tǒng)，而且是可實現(xiàn)高效利用能源、可再生資源、環(huán)境友好的代表。

Energy Saving Operation Analysis on River Water Source Air Conditioning System after Expo

Zhang Zhiheng1, Liu Ziliang1, Wu Liang1, Yu Yuefeng2
1.Shanghai Electrical Power Co.，Ltd Wujing Thermal Power Plant 2.Shanghai Jiaotong University

Many river water source air conditioning systems are kept and operate all the time after expo. The article carries out system optimization and energy saving operation method analysis for river water source air conditioning system in expo city best practice area. Distributed energy works as regional energy supply method, which is the best suitable way for mega metropolis that has high environment requirement like Shanghai.

River Water Source Air Conditioning, Distributed Energy, Energy Saving Operation,After Expo

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.004