淺談暖通在綜合能源中的應(yīng)用

文/郭曉琴 武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 湖北武漢 430083

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染、能源利用率低等問題逐漸突出，綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運而生。綜合能源系統(tǒng)是指一定區(qū)域內(nèi)利用先進的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新管理模式，整合區(qū)域內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現(xiàn)多種異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補互濟。其中冷、熱作為兩種供能形式，在生活水平日益增長的背景下，其需求量越來越高，直接導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的能耗居高不下，為了更好發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢、切實提高能源綜合利用效率、緩解碳排放帶來的污染，因地制宜地設(shè)計高效的暖通系統(tǒng)顯得勢在必行。

1、前言

暖通在我國起步雖晚，但發(fā)展迅速。近十年，隨著多種形式的暖通系統(tǒng)引入國內(nèi)，相關(guān)的研究和應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)。其中王路兵等人以實際項目為例，分析了淺層地熱能、太陽能和污水廢熱聯(lián)合應(yīng)用的可行性[1]；杜玉吉等人提出了一種適用于大型公建的聯(lián)合能源區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)能源方式比較，證明該系統(tǒng)的優(yōu)越性[2]；梁浩等人建立了一種區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，可以統(tǒng)籌考慮常規(guī)能源與可再生能源，兼顧區(qū)域集中能源技術(shù)和分散能源技術(shù)，使多種能源多種技術(shù)在社區(qū)層面優(yōu)化組合，優(yōu)勢互補[3]；呂東彥等人論述了太陽能熱泵復(fù)合技術(shù)的發(fā)展[4]；羅磊等人介紹了實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)低碳發(fā)展的能源規(guī)劃思路和方法[5]；李崢嶸等人介紹了有助于太陽能區(qū)域供熱發(fā)展的高效太陽能集熱器、儲熱技術(shù)、低溫區(qū)域供熱技術(shù)和多能互補技術(shù)[6]；石利軍等人結(jié)合實測調(diào)研與第三方檢測數(shù)據(jù)，對重慶某冷熱電三聯(lián)供復(fù)合供冷系統(tǒng)的實際運行性能進行了綜合分析[7]。

在綜合能源大勢所趨的背景下，暖通系統(tǒng)的合理使用顯得尤為重要。本要將著重介紹幾種主要的暖通系統(tǒng)形式，以及幾種常見的暖通復(fù)合系統(tǒng)方式。旨在為綜合能源中的供冷、供熱系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

2、主要暖通冷熱源形式

2.1 水冷冷水機組

水冷冷水機組是最為常用的中央空調(diào)供冷方式。主要包括四個主要組成部分：壓縮機，蒸發(fā)器，冷凝器，膨脹閥。壓縮機依靠電驅(qū)動。冷卻設(shè)備主要為冷卻塔。輔助設(shè)備冷凍水泵、冷卻水泵及其閥門、管道和控制系統(tǒng)等。按壓縮機的工作方式分類主要有：活塞式、螺桿式和離心式。其主要外形如圖1所示。

圖1 水冷冷水機組外形圖

2.2 吸收式冷水機組

吸收式冷水機組是一種主體由蒸發(fā)器、吸收器組成的下筒體，冷凝器、發(fā)生器組成的上筒體，溶液熱交換器、容液泵、冷劑泵、抽氣系統(tǒng)等組成的冷水機組。與常規(guī)電驅(qū)動的冷水機組相比，它沒有壓縮機，主要依靠余熱驅(qū)動整個系統(tǒng)循環(huán)工作。因此，它適合用于具有能源梯級利用優(yōu)勢的三聯(lián)供系統(tǒng)中。其冷卻設(shè)備主要為冷卻塔。目前常用的吸收式冷水機組為溴化鋰制冷機。其主要外形如圖2所示。

圖2 吸收式冷水機組外形圖

2.3 吸收式冷水機組

風冷熱泵機組屬于空氣源熱泵的一種形式，是以室外空氣為其熱源或熱匯進行供暖和供冷的熱泵型整體式空氣-水空調(diào)裝置。其應(yīng)用受到地理環(huán)境和氣象條件的限制。

風冷熱泵系統(tǒng)優(yōu)點主要有：不用水冷,省去了由冷卻塔、水泵及管道組成的冷卻水系統(tǒng)和鍋爐加熱系統(tǒng)；由于以空氣作為熱源和冷源可大大地節(jié)約用水,也避免了對水源水質(zhì)的污染;將風冷熱泵冷熱水機組放在建筑物頂層或室外平臺即可工作,省卻了專用的冷凍機房和鍋爐房。同時因風冷也帶來了兩個問題：供熱運行時可能要加設(shè)輔助熱源及由此引起的經(jīng)濟性問題；機組換熱器翹片上的結(jié)霜以及融霜對運行的影響。其主要外形如圖3所示。

圖3 風冷熱泵外形圖

2.4 地源熱泵機組

地源熱泵機組原理與風冷熱泵類似，主要區(qū)別在于源側(cè)。按照冷（熱）源類型分為地下水式、地埋管式和地表水式。因其源測的溫度相較于傳統(tǒng)的水冷和風冷形式，呈現(xiàn)“冬暖夏涼”的特征，因此地源熱泵機組的能效較高，目前正得到廣泛的應(yīng)用。

2.5 多聯(lián)式空調(diào)機組

多聯(lián)式空調(diào)機組也屬于空氣源熱泵的一種形式。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)需采用變頻壓縮機、多級壓縮機、卸載壓縮機或多臺壓縮機組合來實現(xiàn)壓縮機容量控制。在制冷系統(tǒng)中需設(shè)置電子膨脹閥或其它輔助回路,以調(diào)節(jié)進入室內(nèi)機的制冷劑流量通過控制室內(nèi)外換熱器的風扇轉(zhuǎn)速或傳熱面積,調(diào)節(jié)換熱器的能力。與風冷熱泵相比，其送到末端的介質(zhì)為制冷劑。輸送管道為銅管，系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方便，部分負荷下運行效率高。

2.6 蓄冷系統(tǒng)

空調(diào)蓄冷技術(shù)是指采用制冷劑和蓄冷裝置，在電網(wǎng)低谷的廉價電費計時時段，進行蓄冷作業(yè)，而在空調(diào)負荷高峰時，將所蓄冷的冷量釋放的成套技術(shù)。因而，蓄冷技術(shù)就是合理選擇蓄冷介質(zhì)、蓄冷裝置與設(shè)計系統(tǒng)組成，利用優(yōu)化的傳熱手段，通過自動控制，周期性地實現(xiàn)高密度的介質(zhì)蓄冷和合理的冷量釋放。

與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同，蓄冷系統(tǒng)可以通過制冷機組或蓄冷設(shè)備或兩者同時為建筑物供冷，用以確定在某一給定時刻，多少負荷是由制冷機組提供，多少負荷是由蓄冷設(shè)備供給的方法，即為系統(tǒng)的運行策略。

3、集中典型的暖通復(fù)合系統(tǒng)

對于同一個工程，單一的暖通系統(tǒng)往往存在或多或少的缺點，以至于無法充分發(fā)揮各自的最大優(yōu)勢。因此實際項目中，多種暖通系統(tǒng)復(fù)合設(shè)計，能夠取長補短，提高系統(tǒng)實際運行效率，減少系統(tǒng)的運行費用，真正意義上實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的目的。本節(jié)將介紹幾種典型的暖通復(fù)合系統(tǒng)。

3.1 水冷冷水機組+蓄冷系統(tǒng)+熱水鍋爐

水冷冷水機組+蓄冷+熱水鍋爐的復(fù)合系統(tǒng)較為常見，其中蓄冷系統(tǒng)通常采用冰蓄冷。在擁有峰谷電價差政策的項目中，冰蓄冷系統(tǒng)具有削峰填谷，減小運行費用，降低主機容量的特點。水冷冷水機組+熱水鍋爐屬最常規(guī)的集中供冷供熱系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)方便。在這樣一個復(fù)合系統(tǒng)中，冰蓄冷裝置所對應(yīng)的蓄冰機組通常為雙工況水冷冷水機組，即制冷和制冰工況。夜間谷時電價時，系統(tǒng)開始制冰，白天蓄冷裝置釋放冷量。設(shè)計人員需根據(jù)項目實際情況和經(jīng)濟性分析，決定采用部分負荷蓄冰還是全部負荷蓄冰，以及系統(tǒng)的實際運行方式。

由于蓄冰系統(tǒng)的加入，該復(fù)合系統(tǒng)能夠充分的利用谷時電價低的優(yōu)勢，最大程度降低運行費用。此外，水冷冷水機組的容量在一定程度上會減小，降低主機的初投資，至于總的成本投入，需另行分析。

3.2 冷熱電三聯(lián)供+冷水機組

綜合能源由多能互補衍生而來，分布式能源系統(tǒng)是多能互補的一種典型形式。建立在能源梯級利用基礎(chǔ)上的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)屬于分布式能源系統(tǒng)，以其節(jié)能環(huán)保、綜合利用率高而暫露頭角。三聯(lián)供系統(tǒng)主要按照“以熱定電”的原則進行設(shè)計。為了充分發(fā)揮三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢，按需供給、適時匹配尤為重要。通常，建筑100%負荷的持續(xù)時間較短，如果以該負荷設(shè)計三聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)的低負荷運行時間過長，系統(tǒng)效率勢必大打折扣，因此冷水機組往往扮演調(diào)峰的作用。兩者進行配合，能夠最大程度挖掘能源梯級利用的優(yōu)勢，真正意義上提高系統(tǒng)的效率。

在圖6中，隨著直接蒸發(fā)冷卻機組的效率增加，系統(tǒng)的送風量減小。并且，當室內(nèi)溫度以等差規(guī)律上升時，送風量的降幅基本相同，故直接蒸發(fā)冷卻機組效率與系統(tǒng)送風量呈線性關(guān)系。當直接蒸發(fā)冷卻機組

3.3 地表水源熱泵系統(tǒng)+水冷冷水機組

地表水源熱泵系統(tǒng)屬于地源熱泵系統(tǒng)的一種形式。傳統(tǒng)的地表水源包含江、河、湖、庫。一般江河屬于流動性地表水，熱承載力通常優(yōu)于湖庫。在夏熱冬冷地區(qū)設(shè)計采用湖庫水的水源熱泵系統(tǒng)需校核水體的熱承載力，保證夏季周平均最大溫升不超過1℃，冬季周平均最大溫降不大于2℃。由于湖庫水體有限，往往出現(xiàn)按夏季負荷進行設(shè)計時，最大溫升不滿足要求。因此，在這樣的情況下，可按冬季熱負荷設(shè)計水源熱泵系統(tǒng)，夏季不足的冷負荷由水冷冷水機組承擔，一方面滿足了環(huán)評的要求，另一方面采用制冷效率相比一般系統(tǒng)較高的水冷冷水機組，能夠保證復(fù)合系統(tǒng)的使用效率，減低運行費用。

3.4 土壤源熱泵系統(tǒng)+冷卻塔（或太陽能）

土壤源熱泵系統(tǒng)屬于地源熱泵系統(tǒng)的一種形式。其發(fā)展較早，但由于早期的土壤源熱泵系統(tǒng)未重視土壤熱平衡問題，導(dǎo)致運行若干年后，系統(tǒng)效率越來越低，末端效果越來越差，甚至系統(tǒng)無法運行。隨著研究的深入，復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)運而生。在冷負荷明顯高于熱負荷的項目中，地埋管的容量按冬季工況進行設(shè)計，夏季不足的部分設(shè)計冷卻塔，土壤源熱泵機組的容量按較大工況進行設(shè)計，相當于夏季土壤和冷卻塔兩種源聯(lián)合運行。在熱負荷明顯高于冷負荷的項目中，地埋管的容量按夏季工況進行設(shè)計，夏季太陽能系統(tǒng)聯(lián)合運行，將太陽能儲存在土壤里，彌補冬季不足的取熱量。土壤源熱泵系統(tǒng)和冷卻塔（或太陽能）聯(lián)合運行一方面極大緩解了土壤熱不平衡問題，另一方面提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。

結(jié)論：

在節(jié)能減排的大背景下，建立在多能互補基礎(chǔ)上的綜合能源概念應(yīng)運而生。冷、熱是綜合能源中的一種能源形式。為了充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢，合理使用高效的冷熱源系統(tǒng)至關(guān)重要，通過介紹主要暖通系統(tǒng)并簡述集中典型的暖通復(fù)合系統(tǒng)，得到如下結(jié)論：

（1）暖通系統(tǒng)的種類較多，每一種系統(tǒng)都有各自的特點，設(shè)計前需充分了解系統(tǒng)的優(yōu)勢以及項目的實際情況；

（2）單一的暖通系統(tǒng)往往存在或多或少的缺點，在實際項目中，通過分析和比較，可考慮采用復(fù)合系統(tǒng)，充分挖掘系統(tǒng)的節(jié)能潛力。