某區(qū)域能源站可再生能源應(yīng)用方案

陳海峰，李苗姝，潘博文

（1.中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007；2.搏力謀自控設(shè)備（上海）有限公司，上海 201100）

1 工程概況

本項目位于長沙某地區(qū)，為新開發(fā)區(qū)域，需建設(shè)一座集中供冷供熱能源站，本能源站需為約120 萬平方米的建筑物提供集中供冷、供熱服務(wù)。根據(jù)《該片區(qū)片區(qū)控制性規(guī)劃》相關(guān)內(nèi)容，本站點供能范圍內(nèi)主要用地性質(zhì)為B1 商業(yè)用地，R2 二類住宅用地，總建筑面積120.8 萬平方米。

2 方案指導(dǎo)思想及原則

（1）以提高城市人民生活質(zhì)量、改善城市生活環(huán)境、提高能源利用效率和城市綜合實力為目標(biāo)，推進城市可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)思想及原則。

（2）堅決執(zhí)行《該片區(qū)城市總體規(guī)劃》對片區(qū)的規(guī)劃及建設(shè)局總體的指導(dǎo)下進行設(shè)計與建設(shè)。

（3）以節(jié)減量、節(jié)約能源為前提，形成以江水源為主體的城市供能體系，提高經(jīng)濟效益和社會效益，發(fā)揮區(qū)域集中供能的優(yōu)勢。

（4）安全可靠、經(jīng)濟運行，能源中心站和供能管網(wǎng)設(shè)置監(jiān)控和采集系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行的參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、分析，為區(qū)域能源系統(tǒng)運行保駕護航。

3 負(fù)荷分析

本項目住宅26.07 萬平方米，商業(yè)94.78 萬平方米，根據(jù)建筑特性，同時參考類似項目的實際情況，各類不同建筑的接入率如下：商業(yè)建筑：0.8；住宅：0.4；各類不同建筑的同時使用系數(shù)如下：商業(yè)建筑：0.75；住宅：0.4；空調(diào)面積商業(yè)按建筑接入面積的75%計算，住宅按接入建筑面積的60%計算。

3.1 供冷、供熱運行時間

區(qū)域能源站夏季，空調(diào)系統(tǒng)制冷運行時間：每年5 月15 日～10 月15 日，總共154 日歷天；區(qū)域能源站冬季，空調(diào)系統(tǒng)制熱運行時間：每年11 月15 日到來年3 月15 日，總共121 日歷天。

每日運行時間：

（1）夏季：根據(jù)不同類型建筑，結(jié)合已運行項目數(shù)據(jù)，初步確定出本項目各建筑業(yè)態(tài)夏季用能時間，區(qū)域能源站系統(tǒng)的運行時間如下：①商業(yè)：每天運行為8：00—21：00；②住宅：每天運行的時間為全天24h。

（2）冬季：根據(jù)不同類型建筑，結(jié)合已運行項目數(shù)據(jù)，初步確定出本項目各建筑業(yè)態(tài)冬季用能時間，空調(diào)系統(tǒng)的運行時間如下：①商業(yè)：空調(diào)運行的時間為8：00—20：00；②住宅：空調(diào)運行的時間為全天24h。

3.2 負(fù)荷計算

本項目根據(jù)供能區(qū)域內(nèi)的建筑業(yè)態(tài)，計算空調(diào)負(fù)荷所需各項指標(biāo)參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。根據(jù)DeST 模擬出的本項目業(yè)態(tài)典型建筑物全年8760h 動態(tài)負(fù)荷結(jié)果，可得出典型建筑峰值負(fù)荷指標(biāo)見表1。

表1 負(fù)荷計算指標(biāo)

通過計算，供能區(qū)夏季設(shè)計日的最大供冷負(fù)荷出現(xiàn)在14：00，為51.86MW。供能區(qū)供熱季設(shè)計日的最大供熱負(fù)荷出現(xiàn)在8 點，為24.25MW。本能源站規(guī)劃范圍內(nèi)預(yù)計總冷負(fù)荷約為51.86MW，總熱負(fù)荷為24.25MW，從運行節(jié)能、投資經(jīng)濟合理的角度考慮，擬選用水源熱泵+常規(guī)能源方式為整個規(guī)劃范圍內(nèi)的建筑供冷、供熱。

4 工藝方案

4.1 總體原則

（1）本項目實際供能面積約63.09 萬平方米，體量較小，設(shè)置一座能源中心站可滿足供能區(qū)域的供能需求，并降低投資成本。

（2）立足區(qū)域能源條件，優(yōu)先、充分、高效的使用可再生能源。項目靠近湘江，可再生能源豐富，應(yīng)規(guī)?；⒆畲笙薅仁褂庙椖繀^(qū)域的可再生能源，減小傳統(tǒng)能源的比重，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮可再生能源在節(jié)能減排和促進系統(tǒng)高效運行方面的明顯優(yōu)勢。

（3）根據(jù)項目建設(shè)實際情況暫不考慮蓄能。

（4）按照區(qū)域的總體規(guī)劃進行能源站和管網(wǎng)的配置工作，與區(qū)域內(nèi)各種資源有序銜接，優(yōu)化管網(wǎng)的配置設(shè)計，減少區(qū)域能源站的輸送能耗損失。

（5）整個供能系統(tǒng)采用智能管控，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化，自適應(yīng)調(diào)節(jié)機組運行方式、水泵運行功率、室內(nèi)溫度等?？刂品桨冈O(shè)計與項目工藝需求相配合，并兼顧后期運行調(diào)試，以實現(xiàn)節(jié)能運行。

4.2 站點選址

本站點主要為地下建筑物，主要包括熱泵機房、配電間、值班監(jiān)控室等輔助用房，突出地面部分主要為疏散樓梯間和通風(fēng)井、冷卻塔放置平臺等。

擬選能源中心位置具有以下幾個特點：

（1）應(yīng)力求靠近負(fù)荷中心，減少能源在輸配過程中的損耗，并便于引出冷熱管線，使室外管網(wǎng)布置在技術(shù)、經(jīng)濟上合理；一般來說能源站功能半徑不宜超過1.5km。

（2）考慮管網(wǎng)路由與市政道路的關(guān)系，盡量布置在人行道或者綠化帶位置。

（3）江水管管徑較大，施工難度較高，還要穿越大堤位置，盡量靠近江邊。

（4）建設(shè)位置需考慮取退水管網(wǎng)的布置，盡量降低取退水管網(wǎng)的投資。

（5）結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，避免不必要的拆建。

4.3 主機設(shè)備選型

能源中心站的能源配比采用“以熱定冷”原則，水源熱泵以滿足冬季熱負(fù)荷為基準(zhǔn)，冷負(fù)荷不足部分由水冷機組補充，且考慮冬季極端情況下，湘江水溫度過低，無法滿足水源熱泵取熱需求，設(shè)置燃?xì)忮仩t作為緊急輔助熱源，燃?xì)忮仩t裝機容量約為額定熱負(fù)荷的40%。

表2 主機設(shè)備選型配置

上述設(shè)備合計總制冷量53.8MW，總制熱量24MW，極端情況下的鍋爐輔熱容量9.3MW，滿足能源站制冷、制熱需求。

4.4 供能參數(shù)

本項目為集中能源站，能源站距用能最遠(yuǎn)點為1.5km 左右，輸送距離較遠(yuǎn)。輸送能耗在能源中心運行成本中占比較大，采用大溫差可降低輸送能耗。

本能源站采用大溫差供能（7℃溫差），夏季冷凍水供水溫度為5℃，回水溫度為12℃，供熱季節(jié)空調(diào)提供熱水供水溫度為46℃，回水溫度為39℃。

特殊情況真空鍋爐提供熱水的供水溫度為60℃，回水溫度為40℃。

水源熱泵機組冷卻水側(cè)，夏季冷卻水供水溫度為，回水溫度為30℃，換熱溫差為5℃；冬季源水側(cè)供回水溫度為4.5/8℃，換熱溫差為3.5℃。

4.5 輸送系統(tǒng)

為方便運行及管理，能源站與用戶間采用間接方式連接，各末端用戶均設(shè)置二層板式換熱器進行間接換熱。

為滿足各類用戶的不同流量流量需求，在能源站內(nèi)設(shè)置一級泵，在用戶末端的換熱站房內(nèi)設(shè)置二級泵。

圖1 換熱站原理

管網(wǎng)輸送采用二級泵變流量形式，二級泵設(shè)置在各用戶的換熱機房內(nèi)，一級泵負(fù)擔(dān)能源站和供能主管網(wǎng)的壓損，一級泵定流量運行，二級泵負(fù)擔(dān)用戶末端分支管網(wǎng)和換熱機房內(nèi)的壓損，換熱機房內(nèi)的資用壓頭12～14mH2O。

區(qū)域能源站采用大溫差輸送，室外主管網(wǎng)管徑按照經(jīng)濟比摩阻選取，避免管徑過小而帶來的輸送能耗過高，同時規(guī)避管徑過大帶來的初投資過高，經(jīng)濟比摩阻選取范圍為40～80Pa/m，主要選擇范圍為50～60Pa/m，換熱支管至入戶管段比摩阻選取范圍為300～400Pa/m。

管網(wǎng)計算以夏季工況為計算依據(jù)，并復(fù)核冬季工況。

根據(jù)初步確定的供能管網(wǎng)走向和管徑估算，得到一級泵管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力約8～10mH2O，機房內(nèi)阻力約為8～10mH2O，一級泵水泵揚程約20mH2O；二級泵揚程根據(jù)各用戶位置不同有所差異，需承擔(dān)相應(yīng)多余主管網(wǎng)的阻力損失，從20～46mH2O 不等。

機房水泵選型如下：

4.5.1 燃?xì)忮仩t熱水循環(huán)泵

鍋爐額定制熱量為4652kW，供回水溫差為20℃，則鍋爐熱水循環(huán)泵流量為：

L=3600×Q/（C×1000×△T）m3/h其中：Q-制熱功率，kW；C-水的定壓比熱容，4.1819kJ/kg·℃；△T-換熱溫差。

代入數(shù)據(jù)可得鍋爐熱水循環(huán)泵流量為199m3/h，一級泵揚程選20m。水泵臺數(shù)為3 臺，兩用一備。

4.5.2 水源熱泵機組空調(diào)循環(huán)泵

水源熱泵機組制冷量7800kW，制冷供水溫差為7℃，代入數(shù)據(jù)可得水源熱泵機組夏季空調(diào)循環(huán)泵流量為958m3/h，一級泵揚程為20m，水泵臺數(shù)3 臺，互為備用。

水源熱泵機組冬季制熱量為8000kW，冬季制熱供回水溫差為7℃，帶入數(shù)據(jù)可得水源熱泵機組冬季空調(diào)循環(huán)泵流量為982m3/h，一級泵揚程為20m，與夏季工況匹配。

4.5.3 水源熱泵機組冷卻水循環(huán)泵

夏季水源熱泵機組冷卻功率為制冷量與電機功率之和，單臺機組冷卻功率為9058kW，冷卻水換熱溫差為5℃，代入數(shù)據(jù)，可得冷卻水循環(huán)流量為1557m3/h。

冬季水源熱泵機組源水側(cè)換熱功率為制熱量與電機功率之差，單臺機組源水側(cè)換熱功率為6367kW，換熱溫差為3.5℃，代入數(shù)據(jù)，可得冬季源水循環(huán)流量為1564m3/h；與夏季冷卻水循環(huán)流量匹配。

夏季，水源熱泵機組通過板換與江水進行換熱，總的循環(huán)阻力約為16～18mH2O。水泵臺數(shù)為3 臺，互為備用。

4.5.4 水冷離心機組空調(diào)循環(huán)泵

水冷離心機組制冷量7600kW，制冷供水溫差為7℃，代入數(shù)據(jù)可得水源熱泵機組夏季空調(diào)循環(huán)泵流量為933m3/h，一級泵揚程為20m，水泵臺數(shù)4 臺，互為備用。

4.5.5 水冷離心機組冷卻水循環(huán)泵

夏季水冷離心機組冷卻功率為制冷量與電機功率之和，單臺機組冷卻功率為8910kW，冷卻水換熱溫差為5℃，代入數(shù)據(jù)，可得冷卻水循環(huán)流量為1532m3/h；冷卻水泵揚程為24m，水泵臺數(shù)4 臺，互為備用。