濟(jì)南產(chǎn)業(yè)金融區(qū)區(qū)域供冷冷卻水系統(tǒng)的研究

王磊 王茂盛 蔡振興 楊敏華

濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

1 產(chǎn)業(yè)金融區(qū)區(qū)域供冷概況

1.1 區(qū)域供冷概況

濟(jì)南產(chǎn)業(yè)金融區(qū)北起工業(yè)南路，南至經(jīng)十路，東起奧體西路，西至華陽路，總面積約 3.2 平方公里。是山東省政府“十二五”規(guī)劃中定位為依托政務(wù)中心、奧體中心、文博片區(qū)，著力打造的集區(qū)域金融中心、總部聚集中心、區(qū)域創(chuàng)新中心為一體的城市新中心，能夠反映全市改革發(fā)展成果、代表省會形象、具有濃郁現(xiàn)代氣息的標(biāo)志性區(qū)域。

產(chǎn)業(yè)金融區(qū)建筑密度大，辦公及商業(yè)建筑集中，擁有“山、泉、湖、河、城”等五座超高層，建筑高度210～420 m。為提升產(chǎn)業(yè)金融區(qū)城市形象，美化建筑環(huán)境，提高辦公建筑工作空間的舒適性，降低建筑能耗，產(chǎn)業(yè)金融區(qū)采用區(qū)域供冷的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)滿足各類用戶的空調(diào)制冷需求[1-2]。

濟(jì)南產(chǎn)業(yè)金融區(qū)規(guī)劃南北兩座能源站（圖 1），站 內(nèi)設(shè)置蓄冷空調(diào)雙工況機(jī)組及基載機(jī)制冷機(jī)組及配套設(shè)施，為 產(chǎn)業(yè)金融區(qū)提供集中供冷服務(wù)。

圖1 能源站分布圖

1.2 近期供冷需求及機(jī)組設(shè)置

對產(chǎn)業(yè)金融區(qū)內(nèi)各開發(fā)商供冷需求進(jìn)行調(diào)研，近 三年內(nèi)（2020 年 -2022 年）有 用冷需求的用戶為濟(jì)南城投、綠地和龍湖等地產(chǎn)商，總建筑面積約 37.97 萬m2，實(shí) 際供冷需求28.8 萬m2，見 表1。

表1 2020-2022 年供冷規(guī)劃

根據(jù)產(chǎn)業(yè)金融區(qū)近期用冷負(fù)荷及用冷時(shí)間，濟(jì) 南熱力集團(tuán)計(jì)劃啟動南部能源站一期工程的建設(shè)來滿足近期供冷需求。

南部能源中心一期機(jī)組規(guī)模為1 臺1200RT 的基載機(jī)組和2 臺1150RT 雙工況冷水機(jī)組以及相關(guān)的蓄冰盤管。低谷電蓄冰和常規(guī)電制冷機(jī)作為近期各用戶集中冷源，制取 5～7 ℃冷凍水通過產(chǎn)業(yè)金融區(qū)規(guī)劃保溫管道輸送至各用戶的二級換熱站。

1.3 冷卻水量及冷卻水供應(yīng)方式

冷卻水的設(shè)計(jì)參數(shù)：空 調(diào)工況下機(jī)組冷凝器進(jìn)水溫度為32 ℃、機(jī) 組冷凝器出水溫度為37 ℃。蓄 冰工況下機(jī)組冷凝器進(jìn)水溫度為30 ℃、機(jī) 組冷凝器回水溫度為33 ℃。

冷凝負(fù)荷：空調(diào)工況下機(jī)組冷凝負(fù)荷 14.6 MW，供回水溫差5 ℃，冷 卻水量約2520 m3/ h。蓄冰工況下機(jī)組冷凝負(fù)荷 5.8 MW，供 回水溫差 3 ℃，冷 卻水量約1670 m3/ h。

冷卻水供應(yīng)方式：常 規(guī)供冷站系統(tǒng)是由制冷機(jī)及冷凍水輸送系統(tǒng)，末 端用戶系統(tǒng)，冷 卻塔及冷卻水系統(tǒng)等組成。冷卻塔一般設(shè)置在供冷站頂部，露 天設(shè)置。

南部能源中心位于產(chǎn)業(yè)金融區(qū)東西綠軸西端（1-31 地塊地下），為 地下建筑。根據(jù)規(guī)劃要求，南 部能源站頂部為景觀綠化帶，不 允許設(shè)置冷卻塔。為保證制冷機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)，必 須考慮在產(chǎn)業(yè)金融外設(shè)置冷卻塔或采用其他冷卻方式。

2 城市中水利用方案

2.1 城市中水利用工藝流程

城市中水即“ 城市污水再生水”，是 指城市污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，可 在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用水，其 水質(zhì)介于上水（自來水）與 下水（污水）之 間，主 要用于景觀環(huán)境、地 下水回灌、綠 地灌溉等方面，最 為一種穩(wěn)定水源也被用做電廠循環(huán)冷卻水[3-4]。中水回用技術(shù)在國外早已應(yīng)用于實(shí)踐。美國、日 本、以 色列等國廁所沖洗園林和農(nóng)田灌溉、道 路保潔、洗 車、城市噴泉、冷 卻設(shè)備補(bǔ)充用水等都大量地使用中水，我 國從上世紀(jì)九十年代末開始使用中水回用技術(shù)，起 步較晚[5-6]。

本項(xiàng)目是利用城市中水對制冷站制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻，即 在水質(zhì)凈化廠周邊或在由水質(zhì)凈化廠引出的中水管道沿途建設(shè)換熱站，由 中水換取低溫中介水，將 中介水通過管輸送至產(chǎn)業(yè)金融區(qū)能源中心對機(jī)組進(jìn)行冷卻。通過對污水處理廠的中水進(jìn)行測試，其溫度波動范圍小，受 氣候影響小，夏 季約為 20～26 ℃，冬 季約為11～16 ℃。夏季中水按26 ℃考慮，經(jīng) 換熱后升溫至31 ℃，板 換另外一側(cè)的中介水進(jìn)水溫度33 ℃，出 水溫度28 ℃，工 藝流程如圖2 所示。該系統(tǒng)是動力循環(huán)系統(tǒng)，不 受距離的限制，理 論上對于具備條件的污水處理廠的中水都能利用。

圖2 中水利用工藝流程圖

2.2 城市中水利用方案

距離產(chǎn)業(yè)金融區(qū)較近水質(zhì)凈化廠有水質(zhì)凈化一廠，水 質(zhì)凈化三廠及高新區(qū)水質(zhì)凈化廠（圖 3），總 的污水處理能力約71 萬m3/ d（2.96 萬m3/ h），總 量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需冷卻水需求。基 于城區(qū)現(xiàn)狀供熱管網(wǎng)的分布情況，中介水換熱站的建設(shè)條件等，優(yōu) 先考慮水質(zhì)凈化三廠中水利用。

圖3 水質(zhì)凈化廠分布圖

2.2.1 中水利用現(xiàn)狀

水質(zhì)凈化三廠日處理能力20 萬/m3，該廠北側(cè)1公里處設(shè)有現(xiàn)狀中介水換熱站一處，在 冬季利用部分中水換取中介水作為華山片區(qū)熱泵能源站的低溫?zé)嵩?，?余中水排入城市河道。夏季該站停運(yùn)，中 水全部排入張馬河。為減少工程投資，夏 季啟用該站，利 用換熱后中介水對產(chǎn)業(yè)金融區(qū)供冷機(jī)組進(jìn)行冷卻。

利用現(xiàn)狀供熱管網(wǎng)進(jìn)行中介水的輸送，無 需敷設(shè)新管道，管 網(wǎng)路由如下：水 質(zhì)凈化三廠—中介水交換站—海門路 DN800-金輿大道 DN600 —濱河南路DN700—工業(yè)北路 DN1000—鳳凰路 DN1000—涵源大街DN1000—化纖廠路 DN1200—產(chǎn)業(yè)金融區(qū)，管 網(wǎng)總長度約27.0 km。具體見圖4。

圖4 水質(zhì)凈化三廠中水利用管網(wǎng)路由圖

2.2.2 水力計(jì)算

利用 MAP 水力計(jì)算軟件對管網(wǎng)進(jìn)行水力校核，計(jì)算表明該管網(wǎng)需要兩級水泵，即 在中介水換熱站設(shè)一級泵，在 沿途設(shè)置中繼泵，具 體參數(shù)如下：

一級水泵：揚(yáng) 程H=30 mH2O，則 循環(huán)流量Q=2520 m3/ h。

中繼泵：揚(yáng)程H=60 mH2O，則循環(huán)流量Q=2520 m3/ h。

從水壓圖來看，管 網(wǎng)滿足輸送要求。

2.2.3 主要設(shè)備的設(shè)置

1）換 熱器

現(xiàn)狀換熱器：共 計(jì) 3 臺，單 臺換熱量 8.0 MW，材質(zhì)：3 16 L，S=1150 m2，PN=1.0 MPa，△H≤8.0 mH2O，設(shè)計(jì)溫度，高 溫側(cè)：14/4 ℃，低 溫側(cè)：1 2/2 ℃，耐 腐蝕，端 差2 ℃。

所需冷卻水換熱器：設(shè) 計(jì)溫度中水側(cè) 26/31 ℃，循環(huán)水側(cè)28/33 ℃，端 差2 ℃。中水流量2520 t/h，換 熱量為 14.5 M W，利 用現(xiàn)狀三臺板換即可，單 臺換熱量4.8 MW，壓 降為9 mH2O 。

2）水 泵

為節(jié)省投資，一 級水泵仍然利用現(xiàn)狀換熱站內(nèi)水泵。中繼泵利用管網(wǎng)沿途經(jīng)過的濟(jì)南東新熱電廠內(nèi)首站內(nèi)現(xiàn)狀水泵。

一級水泵原設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)：Q=2156 t/h，H=35 m，250 kW。變 頻調(diào)速后參數(shù)：Q=2500 t/h，H=30 m，N=250 kW，水 泵曲線見圖5。

圖5 現(xiàn)狀中介水換熱站水本泵曲線

中繼泵（東新電廠首站水泵）原設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)：Q=4000 t/h，H=100 m，N=1600 kW。變頻調(diào)速后參數(shù)：Q=2520 t/h，H=60m，N=514 kW，水 泵曲線見圖6。

圖6 濟(jì)南東新電廠現(xiàn)狀首站水曲線

2.3 工程投資及及運(yùn)行費(fèi)用

1）工 程投資

為確保管道的暢通，需 要對部分管道和閥門進(jìn)行更換，具 體如下：華 山片區(qū)管道及閥門投資約 620 萬，東新電廠管道及閥門投資約50 萬，確 定沿線分支閥門投資約100 萬，總 計(jì)以上工程投資約770 萬元。

2）運(yùn) 行費(fèi)

運(yùn)行費(fèi)用為水泵耗電費(fèi)用，具 體明細(xì)如表2：

表2 利用城市中水冷卻運(yùn)行費(fèi)用

4 常規(guī)冷卻塔建設(shè)方案

4.1 冷卻水輸送路由

由于產(chǎn)業(yè)金融區(qū)不具備就地建設(shè)冷卻塔的條件，必須考慮在產(chǎn)業(yè)金融區(qū)周邊建設(shè)冷卻塔，可 考慮在濟(jì)南東新電廠內(nèi)建設(shè)冷卻塔。冷卻水通過化纖廠路DN1200，工業(yè)南路 DN1000 及華陽路 DN1400 的管道，輸 送至南部能源中心對機(jī)組進(jìn)行冷卻，輸 送距離2.0 km（圖 7）。

圖7 管網(wǎng)路由圖

4.2 冷卻塔建設(shè)及設(shè)備選型

冷卻塔建設(shè)要考慮東新電廠內(nèi)閑置用地的大小、地勢高差、機(jī) 組規(guī)模、近 遠(yuǎn)結(jié)合等因素，所 需泵房占地面積約 1020 m2，泵 房高度為 18 m，地 上三層建筑，一層預(yù)留電廠首站用地、二 層為設(shè)備間、三 層為管道層，頂部設(shè)置冷卻塔。主要設(shè)備明如表3：

表3 新建冷卻塔及主要設(shè)備

4.3 工程投資及運(yùn)行費(fèi)用

1）工 程投資

投資計(jì)算僅為冷卻水系統(tǒng)投資，包 括冷卻塔泵房及站內(nèi)主要設(shè)備，如 表4：

表4 工程投資匯總表

2）運(yùn) 行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)主要為冷卻塔和水泵的電費(fèi)，具 體如表5：

表5 新建冷卻塔方案運(yùn)行費(fèi)用

5 方案對比分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用常規(guī)冷卻塔方式，空 調(diào)工況下機(jī)組冷凝器進(jìn)水溫度為32 ℃、機(jī) 組冷凝器出水溫度為37 ℃。蓄 冰工況下機(jī)組冷凝器進(jìn)水溫度為30 ℃、機(jī) 組冷凝器回水溫度為33 ℃。水質(zhì)凈化廠處理后的中水溫度在26 ℃左右，可 將中介水降溫至28～33 ℃，在 此溫度下機(jī)組的制冷效率比設(shè)計(jì)工況下提高約12%。

從折舊、維 修、耗 電等方面對兩個方案的綜合成本分析如表6：

表6 綜合成本分析

由表6 可知，利用城市中水對機(jī)組進(jìn)行冷卻的綜合成本比常規(guī)冷卻塔要低。

5.2 環(huán)境效益

采用水質(zhì)凈化廠中水對制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻，冷 卻系為閉式循環(huán)系統(tǒng)，運(yùn) 行過程中無冷卻塔帶來的熱島效應(yīng)、污 水飄逝、噪 音等問題，美 化室外環(huán)境，對 改善大氣環(huán)境質(zhì)量，改 善周邊居民的生存環(huán)境將起到積極的作用。

6 結(jié)論

1）利 用水質(zhì)凈化廠處理后的中水采用間接換熱的方式對制冷站制冷機(jī)進(jìn)行冷卻，可 提高機(jī)組制冷效率，增加供冷項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性?？扇∠Ｒ?guī)冷卻塔的建設(shè)，降低工程投資與運(yùn)行費(fèi)用，無 污水飄逝、綠 色環(huán)保。

2）有 配套現(xiàn)狀管網(wǎng)用于輸送冷卻機(jī)組的中介水是水質(zhì)凈化廠中水冷卻制冷站機(jī)組可行性與經(jīng)濟(jì)性保證的前提。通過現(xiàn)狀閥門將用于輸送冷卻水的管道隔離出來，并 檢查沿線閥門的嚴(yán)密性，對 于沿線分支閥門要關(guān)閉，盡 量減少冷卻水的流失。

3）建 設(shè)冷卻塔對制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻，工 程投資較高，但是運(yùn)行費(fèi)用低。而利用城市中水冷卻制冷機(jī)組的方案工程投資少，運(yùn) 行費(fèi)用高，但 是從綜合成本來看前者要高于后者。

4）近 期內(nèi)供冷負(fù)荷較小，從 減少工程投資，降 低運(yùn)行成本的角度，優(yōu) 先采用城市中水對產(chǎn)業(yè)金融區(qū)制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻。遠(yuǎn)期隨著供冷需求的增大，再 考慮東新電廠內(nèi)冷卻塔的建設(shè)。