區(qū)域能源站規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

韋笑

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096；2.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技發(fā)展中心，南京 210036)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，能源需求不斷增長，能源資源供給長期偏緊的矛盾日益突出，我國將面臨由能源大國向能源強(qiáng)國轉(zhuǎn)變帶來的諸多問題和挑戰(zhàn)，我國在成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體的同時(shí)也己經(jīng)成為世界上碳排放總量最大的國家之一[1]。尤其對于大型城市，人口規(guī)模和建筑面積也不斷擴(kuò)大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，地級以上的城市能耗占到了全國總能耗的五成以上[2]。

區(qū)域能源技術(shù)是一種新型的建筑節(jié)能手段[3],采用集中能源站的形式向區(qū)域內(nèi)的各類建筑輸送冷量、熱量、生活熱水及電力。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)集合了電、冷、熱各能源系統(tǒng)，有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化各種能源。能源站與能源網(wǎng)絡(luò)將電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)等結(jié)合在一起[4],實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)與轉(zhuǎn)換，能夠降低污染排放及提高能源利用效率[5],減少設(shè)備占地，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性[6]。能源站與能源網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)各能源設(shè)備的合理配置，提升系統(tǒng)綜合效益，是當(dāng)今熱門的重點(diǎn)研究問題[7-8]。

項(xiàng)目位于淮安市中心城區(qū)某組團(tuán)單元片區(qū)，規(guī)劃形成“雙心、三軸、七組團(tuán)”的空間結(jié)構(gòu)，未來擬打造成里運(yùn)河文化長廊融合發(fā)展的主題片區(qū)，多元活力品質(zhì)的宜居家園。項(xiàng)目總用地面積651.12 hm2，現(xiàn)狀建設(shè)用地338.26 hm2，非建設(shè)用地312.86 hm2。計(jì)劃打造集運(yùn)河雙子心地標(biāo)、運(yùn)河文化體驗(yàn)館、高端星級酒店、會(huì)議會(huì)展中心、運(yùn)動(dòng)中心、商業(yè)綜合體、精品街區(qū)、高端居住等業(yè)態(tài)為一體的文旅項(xiàng)目。

1 模型和方法

1.1 負(fù)荷預(yù)測方法

能源系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)需要對冷、熱、電需求進(jìn)行預(yù)測，是能源系統(tǒng)配置優(yōu)化的依據(jù)[9]。建筑的冷熱負(fù)荷會(huì)受到天氣、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等因素的影響而變化，不確定性較大。在實(shí)際項(xiàng)目中，往往需要采用建筑模型進(jìn)行冷熱負(fù)荷預(yù)測[10]。隨著建筑模型仿真的發(fā)展，冷熱負(fù)荷預(yù)測方法越來越多，應(yīng)用越來越廣泛[11]。

目前熱力負(fù)荷和熱水負(fù)荷預(yù)測方法較多，其中建筑熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷預(yù)測方法主要有：

1)單位面積指標(biāo)法；

2)統(tǒng)計(jì)回歸預(yù)測方法：回歸分析方法、指數(shù)平滑法、時(shí)間序列預(yù)測方法、灰色預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

3)計(jì)算軟件預(yù)測方法：DOE-2，eQUEST，Energy-Plus，Dest；

4)情景分析方法。

1.2 區(qū)域能源規(guī)劃方法

區(qū)域建筑能源的規(guī)劃按照以下四個(gè)步驟進(jìn)行：

1)分析區(qū)域內(nèi)資源狀況，包括電力、熱力、燃?xì)?、可再生資源和廢熱資源；

2)對建筑區(qū)域現(xiàn)狀進(jìn)行分析，包括區(qū)域占地面積、建筑空間、建筑面積和建筑功能等；

3)考慮居民生活狀況，將居民收入、生活環(huán)境以及對空調(diào)供熱的需求作為能源規(guī)劃的影響因素。

4)在做好以上工作的基礎(chǔ)上對區(qū)域建筑負(fù)荷做出預(yù)測，根據(jù)實(shí)際條件選擇供冷供熱及生活熱水負(fù)荷承擔(dān)方式，并對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得出區(qū)域建筑能源規(guī)劃方案。

在規(guī)劃建筑區(qū)域能源供給系統(tǒng)時(shí)，必須考慮城市能源的相互替代性、供應(yīng)多元性和低碳性。

1.3 能源站規(guī)劃

1.3.1 能源站設(shè)計(jì)流程

進(jìn)行能源站的設(shè)計(jì)，首先對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，再選擇合適的蓄冷/蓄熱技術(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的儲能匹配。根據(jù)規(guī)劃區(qū)的實(shí)際情況，進(jìn)行能源站選址以及管網(wǎng)的鋪設(shè)設(shè)計(jì)，最終進(jìn)行完整能源站的經(jīng)濟(jì)性分析。

1.3.2 能源站設(shè)計(jì)原則

1)合理分區(qū)。確定每個(gè)能源站的供能區(qū)域，可減少單路供能管路的輸送能耗和管道冷/熱損失，可有效降低運(yùn)行成本。

2)充分利用可再生能源。應(yīng)規(guī)?；⒆畲笙薅仁褂庙?xiàng)目周邊可再生能源，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(jìn)系統(tǒng)高效運(yùn)行方面的明顯優(yōu)勢。

3)提高供能安全可靠性。輔以冷卻塔、燃?xì)庹婵斟仩t作為補(bǔ)充，保障安全可靠供能。

4)與城市景觀水系統(tǒng)規(guī)劃相結(jié)合。再生水經(jīng)過換熱后部分退水可作為景觀水系統(tǒng)補(bǔ)水水源。

5)管網(wǎng)布設(shè)合理。按照區(qū)域的總體規(guī)劃來進(jìn)行能源中心站和管網(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)設(shè)計(jì)，減少區(qū)域能源中心站的輸送能耗損失。

6)智慧能源管控平臺。供能系統(tǒng)采用智能管控，根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行方式、水泵功率、室內(nèi)溫度等。控制方案設(shè)計(jì)與項(xiàng)目工藝需求相配合，并兼顧后期運(yùn)行調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

2 案例分析

2.1 負(fù)荷預(yù)測

2.1.1 空調(diào)負(fù)荷

淮安河西單元空調(diào)面積按建筑面積的70%計(jì)算。夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：溫度24 ℃～28 ℃，相對濕度40%～65%；冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：溫度18 ℃～22 ℃，相對濕度40%～70%。在按照規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值選取的基礎(chǔ)上，根據(jù)淮安河西單元冷熱負(fù)荷的調(diào)研現(xiàn)狀，確定合理的空調(diào)冷熱指標(biāo)值。

根據(jù)面積估算法預(yù)算出空調(diào)負(fù)荷。依據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》，計(jì)算出的淮安河西單元冷熱負(fù)荷預(yù)測結(jié)果見表1，總計(jì)建筑面積71.36 hm2，冷負(fù)荷36.32 MW，熱負(fù)荷26.25 MW。

表1 規(guī)劃區(qū)空調(diào)負(fù)荷

2.1.2 生活熱水負(fù)荷

住宅生活熱水量按人均需求預(yù)測，生活熱水(60 ℃)定額每人每天取40 L，折算成單位面積熱指標(biāo)為10 W/ m2，集中供應(yīng)熱水率為15%。

公共建筑居住區(qū)內(nèi)無生活熱水設(shè)備，按公共建筑千人指標(biāo)及人均建筑面積折算為單位面積熱指標(biāo)為2 W/ m2，集中供應(yīng)熱水率為15%。

根據(jù)建筑面積及生活熱水指標(biāo)計(jì)算生活熱水負(fù)荷，同時(shí)使用系數(shù)取0.5。河西單元生活熱水負(fù)荷預(yù)測結(jié)果見表2，建筑面積總計(jì)71.36 hm2,熱水負(fù)荷總計(jì)0.41 MW。規(guī)劃區(qū)熱力負(fù)荷見表3，夏季負(fù)荷總計(jì)36.72 MW，冬季負(fù)荷總計(jì)26.66 MW。

表2 規(guī)劃區(qū)生活熱水負(fù)荷

表3 規(guī)劃區(qū)熱力負(fù)荷

2.2 區(qū)域能源站

區(qū)域能源站是對一定區(qū)域內(nèi)的建筑物群，由一個(gè)或多個(gè)能源站集中制取冷水、熱水或蒸汽等冷媒和熱媒，通過區(qū)域管網(wǎng)提供給最終用戶，實(shí)現(xiàn)用戶制冷或制熱要求的系統(tǒng)。通常包括四個(gè)基本組成部分：能源站，輸配管網(wǎng)、用戶端接口和末端設(shè)備。其中能源站為產(chǎn)生冷、熱能量的場所。區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)(District Heating and Cooling，DHC)的能源來自熱電廠、工業(yè)余熱、土壤源以及各種水體熱源，這些能源需要通過能源站中的設(shè)備轉(zhuǎn)換為滿足要求的冷熱水。輸配管網(wǎng)是由熱源向用戶輸送和分配冷熱介質(zhì)的管道系統(tǒng)。用戶端接口是指管網(wǎng)在進(jìn)入用戶建筑物時(shí)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括熱交換器、蒸汽疏水裝置和水泵等。末端設(shè)備是指安裝在用戶建筑物內(nèi)的冷熱交換裝置，包括風(fēng)機(jī)盤管、散熱器、空調(diào)機(jī)組(AHU)等。

區(qū)域能源系統(tǒng)形式主要包括：

1)淺層地?zé)嵩?，包括海水源、污水源、江水源、土壤源等，如各種形式的水源熱泵、地源熱泵等；

2)分布式能源；

3)工業(yè)余熱資源；

4)傳統(tǒng)能源，如北方的集中供能系統(tǒng)；

5)其它能源，如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等。

2.2.1 能源站建設(shè)條件

適宜建設(shè)區(qū)域能源系統(tǒng)的基本條件有：

1)區(qū)域內(nèi)建筑密度較高，并且總建筑面積達(dá)到一定的規(guī)模，單個(gè)區(qū)域能源系統(tǒng)適宜的供能建筑面積范圍在20萬m2～300萬m2之間，小型分布式能源系統(tǒng)適宜的供能建筑面積不超過50萬m2。

2)供能區(qū)域內(nèi)建筑業(yè)態(tài)宜多樣化，可減少區(qū)域能源系統(tǒng)的單位建筑面積投資成本。各種業(yè)態(tài)的建筑，其空調(diào)使用時(shí)間不一樣，如區(qū)域內(nèi)有辦公樓、酒店結(jié)合，建筑業(yè)態(tài)越豐富越好。

3)區(qū)域規(guī)劃定位高，建筑品質(zhì)要求高。一般區(qū)域能源應(yīng)用區(qū)域選擇在用能密度大、負(fù)荷集中的場所，如公共建筑，工業(yè)廠房和高檔住宅等。

4)區(qū)域供能能源站房的可建設(shè)性。需在公共綠地下/廣場下/樓宇地下室/地面上等區(qū)域規(guī)劃建設(shè)一個(gè)能源站房。

5)供能管網(wǎng)的可建設(shè)性。區(qū)域供能系統(tǒng)需建設(shè)一供一回兩根管道接入各個(gè)建筑，管道通常埋地敷設(shè)，道路或綠地下有一定的管位空間即可。但管道最遠(yuǎn)的輸送距離宜控制在1.5 km范圍以內(nèi)，否則輸送能耗損失過大會(huì)影響項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 能源站布置方式

以3號能源站為例，供能面積約為6.42萬m2，總冷負(fù)荷約為6.96 MW，總熱負(fù)荷約為5.04 MW，占地約2 000 m2。選址位于河西路西側(cè)、污水泵站北側(cè)，規(guī)劃為街頭綠地，現(xiàn)狀為空地。取退水管線較短，對建設(shè)用地影響小。3號能源站服務(wù)范圍如圖1所示。

圖1 3號能源站服務(wù)范圍

能源站均采用地下式，其中配建辦公用房為地上式，此外出入口、物料口、通風(fēng)口等輔助構(gòu)筑物為地上式。3號能源站配備300 m2管理輔助用房，均為地下式。

2.2.3 蓄冷、蓄熱技術(shù)

蓄冷技術(shù)主要有水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)。表4為兩種蓄冷技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)。從表4可以看出，冰蓄冷技術(shù)的作用機(jī)理為潛熱和顯熱的復(fù)合蓄冷方式，因此使用溫度范圍較水蓄冷有明顯擴(kuò)大，蓄冷能力與體積蓄冷量也有顯著增加，且可提供溫度更低的冷量，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度，但是冰蓄冷需要雙工況制冷機(jī)，制冷效率相對較低，也會(huì)增加項(xiàng)目的初投資。水蓄冷技術(shù)不僅可以使用制冷能效高的常規(guī)冷水機(jī)組，還可以實(shí)現(xiàn)蓄熱和蓄冷兩種用途，可進(jìn)一步降低項(xiàng)目的初投資。

表4 水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)特點(diǎn)

目前設(shè)計(jì)思路主要有利用余熱蓄冷和低谷電蓄冷。余熱蓄冷技術(shù)是在滿足用戶用冷需求時(shí)，將余熱進(jìn)行冷量轉(zhuǎn)換并儲存；低谷電蓄冷技術(shù)是在低谷電時(shí)利用額外電制冷機(jī)制冷儲存；在制冷不足時(shí)，利用蓄冷冷量進(jìn)行供冷。

蓄熱技術(shù)主要有水、熔鹽等顯熱蓄熱技術(shù)，相變蓄熱技術(shù)，熱化學(xué)蓄熱技術(shù)等。其中，水蓄熱、熔鹽蓄熱等顯熱蓄熱技術(shù)耦合應(yīng)用較為成熟，相變蓄熱耦合應(yīng)用處于示范應(yīng)用階段。熱化學(xué)蓄熱耦合應(yīng)用也在實(shí)驗(yàn)室研究中得到一定關(guān)注，需要進(jìn)一步研究。蓄熱技術(shù)與風(fēng)、光、地?zé)?、生物質(zhì)等可再生能源分布式系統(tǒng)耦合應(yīng)用主要處于試驗(yàn)和示范應(yīng)用階段，對于緩解棄風(fēng)棄電、提高環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)性具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

針對區(qū)域能源資源稟賦與實(shí)際需求，通過多種技術(shù)耦合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)不同清潔能源的綜合開發(fā)與高效利用，可再生能源利用率約14%。

區(qū)域能源可以實(shí)現(xiàn)多方共贏。對于政府，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障社會(huì)民生效益、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面有顯著效益。節(jié)能環(huán)保效益每年節(jié)約電力1 570萬kW·h、節(jié)約標(biāo)煤1 930 t，減排二氧化碳4 780 t，可實(shí)現(xiàn)GDP增量3 280萬元。對于開發(fā)商企業(yè)，區(qū)域能源站由第三方專業(yè)能源公司投資，能源站集約建設(shè)，減少設(shè)備機(jī)房用地，同時(shí)降低電力容量要求，整體開發(fā)成本降低，用戶體驗(yàn)提升，可實(shí)現(xiàn)更高溢價(jià)。經(jīng)項(xiàng)目盈利能力測算，項(xiàng)目所得稅后投資回收期約10年(含建設(shè)期)。對于終端用戶，區(qū)域能源可有效改善用戶用能體驗(yàn)，提供專業(yè)化服務(wù)。

區(qū)域能源站面向終端用戶冷、熱、電等多種需求，因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補(bǔ)利用傳統(tǒng)能源和新能源，完成能源生產(chǎn)、輸配、使用和排放，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)、能源綜合梯級利用和能源系統(tǒng)智能化管理。

3 結(jié)語

區(qū)域能源技術(shù)使單一能源供給向多能互補(bǔ)轉(zhuǎn)變，更好地利用清潔能源，滿足人們多種多樣的能源需求。科學(xué)的區(qū)域能源規(guī)劃方法可以因地制宜利用各種可再生能源，結(jié)合建筑用能特點(diǎn)，采取適宜的系統(tǒng)技術(shù)形式。區(qū)域能源技術(shù)具有環(huán)保效應(yīng)顯著、經(jīng)濟(jì)技術(shù)性良好、能源綜合利用率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是我國未來發(fā)展階段內(nèi)，保障建筑使用功能和舒適度的前提下實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的一項(xiàng)重要技術(shù)手段和措施。建設(shè)區(qū)域能源站，并采用能源站供能，對城市發(fā)展具有重要價(jià)值。