深圳市某區(qū)域供冷供熱項目方案設(shè)計

廖興中

（華南理工大學建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510640）

0 引言

深圳市某旅游景區(qū)區(qū)域擬進行拆遷重建，計劃融合現(xiàn)有景觀及旅游資源，構(gòu)建發(fā)展軸線，融合旅游、生活、文化的現(xiàn)代風貌特質(zhì)，形成環(huán)境優(yōu)美、形象鮮明的高品質(zhì)濱海度假區(qū)。根據(jù)片區(qū)發(fā)展需求，需建設(shè)集中供冷及供熱項目，提供集中供冷、供熱和生活熱水等綜合能源。

區(qū)域供冷供熱供生活熱水系統(tǒng)，是由一個集中的供冷（供熱）站提供一定的冷（熱）量，供應(yīng)一個較大范圍內(nèi)用戶需求的系統(tǒng)。該系統(tǒng)規(guī)模大，覆蓋范圍廣，參差能力強，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、管理方便，用戶末端獨立計費等特點[1]。本項目在區(qū)域能源設(shè)計方面需要解決以下需求及問題。

（1）安全性，可靠性。本項目有旅游高端酒店、動物園/水族館等高可靠性需求用戶，隨意的中斷供冷將對用戶造成較大的經(jīng)濟損失，因此本項目方案設(shè)計必須以安全可靠作為首要原則。

（2）能源需求多樣化。區(qū)域內(nèi)同時存在冷熱需求，其中熱源需求有生活熱水及空調(diào)熱水的需求。

（3）經(jīng)濟性及高效節(jié)能需求。集中供冷供熱系統(tǒng)設(shè)計須綜合考慮影響初期投資及運行成本的各種因素，詳盡研究系統(tǒng)的電力費用、峰谷電價結(jié)構(gòu)及設(shè)備初期投資等因素，考慮設(shè)置蓄冷、儲熱等設(shè)備，利用低谷電價儲能，峰值電價放能，以期達到最佳的經(jīng)濟效益，在降低初期投資的同時節(jié)約更多的運行成本，轉(zhuǎn)移更多的高峰用電量。

項目以全年綜合運行能效為目標制定設(shè)計方案及運行策略，針對不同的運行工況，進行系統(tǒng)設(shè)計時，須依據(jù)設(shè)計負荷的需求確定系統(tǒng)選型，盡可能地減少各種設(shè)備的裝機容量，改善主機工作條件，提高主機效率，盡量減少系統(tǒng)的能耗。經(jīng)過項目調(diào)研及方案比選，本文對項目的方案設(shè)計及技術(shù)措施進行介紹，為類似工程積累經(jīng)驗。

1 主要工藝方案概述

本項目分為兩期建設(shè)，區(qū)域能源站系統(tǒng)考慮分期安裝，根據(jù)末端用戶開發(fā)情況分二期安裝制冷設(shè)備，在制冷機房內(nèi)預(yù)留相應(yīng)的設(shè)備吊裝孔、設(shè)備通道及安裝空間。

制冷工藝利用深圳地區(qū)峰谷電價差采用冰蓄冷系統(tǒng)，雙工況制冷機組與冰蓄冷系統(tǒng)串聯(lián)，制冷機組位于上游，利于降低制冷機組能耗?？紤]到供冷區(qū)域內(nèi)酒店、商務(wù)的夜間低負荷需求，設(shè)基載電制冷機組。由于項目供冷范圍不大，各支路用戶阻力較為平衡，冷凍水系統(tǒng)采用一級泵變頻系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)選擇主機上游的內(nèi)融冰冰蓄冷方案，該系統(tǒng)的最大特點是從用戶流出的回水會順序流經(jīng)兩個冷源進行換熱，可以得到較大的溫差變化，并且可以提高冷機運行效率[2]。

制熱工藝配置空氣源熱泵及水源熱泵，水源熱泵利用制冷系統(tǒng)冷凍水作為熱源制熱；為滿足生活熱水高溫要求，設(shè)置蓄熱鍋爐。熱水及生活熱水系統(tǒng)采用一級泵變頻系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

本項目考慮到動物園/水族館、酒店等高可靠性用戶，參考數(shù)據(jù)中心設(shè)計的可靠性要求，結(jié)合本項目的技術(shù)方案采取以下技術(shù)措施。

（1）多臺冷水機組、水泵、冷卻塔、鍋爐、熱泵等關(guān)鍵制冷制熱部件互為備用。

（2）考慮采用冰蓄冷裝置，利用雙工況機組蓄冷，作為冷水的備用。

（3）電鍋爐采用蓄熱裝置，作為供熱熱水的備用。

（4）冷卻水管路設(shè)置兩路冷卻水供回水主管供至屋頂冷卻塔，冷卻塔分組聯(lián)通。

（5）對于高可靠性用戶（如動物園/水族館等）的冷凍水輸配主干管為多路出管、環(huán)狀布置，當其中一對管道發(fā)生故障時，另外一對管道可以通過加大流速，保障基本用冷需求。

（6）本工程分別由不同的市政110kV 變電站各引一路獨立的10kV 電源至中壓開閉所（一期先引一路，二期再引另外一路），兩路電源同時工作，互為備用，組成雙電源滿足一級負荷的供電可靠性要求。

（7）高可靠性需求用戶側(cè)設(shè)置應(yīng)急冷熱水池，在能源站及管網(wǎng)都故障的極端情況下，為用戶提供暫時的應(yīng)急冷熱源。

3 項目高效蓄能技術(shù)設(shè)計方案

為達到本項目高效蓄冷機房的設(shè)計目標，供能系統(tǒng)的綜合能效值EER 需要盡可能提高。為實現(xiàn)本技術(shù)理念，需要結(jié)合冰蓄冷技術(shù)及高效機房技術(shù)的特點，進行專項的深化研究設(shè)計，通過整合常規(guī)電制冷機房高效機房的理念進入以冰蓄冷方案為主的集中供冷系統(tǒng)，為整個項目提供能效提高的理念。主要的技術(shù)措施如下。

（1）全運營周期的負荷需求預(yù)測。傳統(tǒng)高效機房采用空調(diào)負荷計算及分析軟件對建筑物全年冷負荷進行計算分析，得出全年空調(diào)冷負荷，依此作為全年冷負荷作為冷水機組、水泵、冷卻塔選型的重要依據(jù)。本項目為區(qū)域能源項目，還需要對區(qū)域能源系統(tǒng)進行整個運營期內(nèi)的能源需求概率分析，而不僅是在達產(chǎn)年進行各負荷段的分析。

（2）主機能效比選。通過對各廠家提供的不同裝機容量及型號的主機性能曲線進行擬合后，根據(jù)算得的負荷，進行全年能效匹配，選取各廠家各自的最佳匹配性能設(shè)備。本項目雙工況冷水機組及基載主機都選擇變頻機組。

（3）冷卻塔選型優(yōu)化。結(jié)合冷水機組效率、冷卻泵效率，進行不同冷卻水溫度、不同的冷卻水溫差進行比較，確定冷卻水的進出水溫度、溫差。本項目根據(jù)室外屋頂可利用面積及通風條件，優(yōu)化冷卻塔選型后，確定冷卻水的供回水溫度為31/36℃（白天工況）及30/34℃（夜間蓄冷工況）。冷卻塔風機變頻，并配置永磁變頻電機，提高運行能效。

（4）管路優(yōu)化。通過減少或選用低阻力管件、閥門設(shè)備，優(yōu)化三通、彎頭等阻力件，降低系統(tǒng)壓力損失，減少不必要的輸送能耗。經(jīng)過調(diào)研及計算整理不同過濾器技術(shù)參數(shù)如表1 所示，項目選用角過濾器阻力小于Y 型過濾器+彎頭，而且節(jié)約接管空間，又對轉(zhuǎn)彎后的流體進行導(dǎo)流，使得流體均勻地進入水泵，改善泵的工作狀況。

表1 不同品牌過濾器技術(shù)規(guī)格對比

冷水機房內(nèi)的管道采用低流速，水泵揚程可以減少8%左右[3]。結(jié)合類似項目經(jīng)驗，本項目主機管道按流速≤1.5m/s 設(shè)計，低阻配置主機等設(shè)備進出水管徑。冷卻塔總管管徑控制接冷卻塔總管流速≤1m/s，有利于解決多臺冷卻塔分水均衡。站外市政管網(wǎng)，管網(wǎng)流速最大不超過2.9m/s[4]，同時項目比摩阻控制在30～90Pa/m。

（5）水泵選型優(yōu)化。運用相關(guān)水力模擬軟件，模擬管路特性和水泵，校驗水泵的選型結(jié)果，并結(jié)合負荷變化，計算出水泵全年平均能效，通過比較全年平均能效，確定最佳型號。

（6）系統(tǒng)優(yōu)化控制。運用上述選型和設(shè)備的性能數(shù)據(jù)，分析并尋找設(shè)備間的組合運行最優(yōu)工況點，確定各設(shè)備和系統(tǒng)可以采用哪些穩(wěn)定的節(jié)能運行策略。

經(jīng)過以上各技術(shù)措施的優(yōu)化組合，根據(jù)全年計算逐時負荷、當?shù)氐湫湍隁庀蟆⒂媚茉O(shè)備運行能效等前期研究數(shù)據(jù)，推導(dǎo)基本運行策略表，然后將基本策略臺數(shù)寫入逐時負荷表，求出此策略下對應(yīng)的負荷率，通過對主機各個冷卻水溫度下的曲線進行自動調(diào)用，求出對應(yīng)負荷率下的各主機能耗。經(jīng)過前述的室外氣候條件、用能設(shè)備能效情況、運行策略表等情況，得到制冷系統(tǒng)的全年能效前期計算結(jié)果，統(tǒng)計如表2 所示。根據(jù)前期設(shè)計計算結(jié)果，本系統(tǒng)設(shè)計階段的制冷系統(tǒng)能效計算為3.58 左右。在實際建設(shè)及運行時，需要盡量采購高效的制冷設(shè)備，優(yōu)化運行控制策略，以便實現(xiàn)更高的全年綜合能效比。

表2 制冷系統(tǒng)全年計算平均能效統(tǒng)計

4 項目制熱設(shè)計方案

本項目以供冷為主、供熱負荷小，且無法利用熱泵或其他方式提供不低于65℃的供熱熱源，可以利用低谷電進行蓄熱的方案，其中電鍋爐不在用電高峰和平段時間啟用[5]。為充分利用夜間低谷電價及可再生能源，提出冷凍水熱回收結(jié)合空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐的制熱方案。其中空氣源熱泵及水源熱泵主要提供空調(diào)熱水負荷（設(shè)計供回水溫度45/55℃）以及生活熱水的預(yù)熱（設(shè)計供回水溫度≤65℃），電蓄熱鍋爐主要利用夜間低谷電進行蓄熱，利用蓄熱熱源把系統(tǒng)回水或生活預(yù)熱熱水進一步加熱，達到設(shè)計的生活熱水供水溫度65℃，實現(xiàn)能源梯級利用并降低冷卻水溫度，提高冷水機組運行效率的設(shè)計目標，制熱工藝系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 制熱工藝系統(tǒng)流程

結(jié)合以上方案，根據(jù)不同負荷率及其出現(xiàn)時間的特點，該供熱系統(tǒng)可以至少實現(xiàn)以下3 個運行工況之一或互相組合工況。

（1）工況一。熱泵獨立供熱。當氣候條件適宜，使用空氣源熱泵及水源熱泵獨立供熱，此時空氣源熱泵承擔全部空調(diào)熱負荷需求，水源熱泵承擔生活熱水負荷。

（2）工況二。鍋爐獨立供熱。當氣候條件不適宜開啟空氣源熱泵及水源熱泵，或開啟后效率及供水溫度無法滿足要求時，可使用蓄熱水罐直接供應(yīng)熱水。

（3）工況三。熱泵與鍋爐串聯(lián)供熱。為降低熱泵出水溫度，提升熱泵效率，同時利用蓄能電價蓄熱，可將熱泵與鍋爐串聯(lián)供熱，熱泵上游出低溫熱水（＜65℃），鍋爐及蓄熱水罐下游出高溫熱水（65℃）。

5 結(jié)論

（1）深圳地區(qū)同時有供冷供熱需求的集中供冷項目，可以采用冰蓄冷、冷凍水熱回收、空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐等多能互補技術(shù)的系統(tǒng)形式進一步實現(xiàn)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性及經(jīng)濟性。

（2）結(jié)合冰蓄冷技術(shù)及高效機房技術(shù)的特點，進行專項的深化研究設(shè)計，通過整合常規(guī)電制冷機房高效機房的理念進入冰蓄冷系統(tǒng)，配置冷凍水熱回收技術(shù)，可以提高冰蓄冷系統(tǒng)的全年綜合能效比。

（3）集中供冷項目同時有供熱需求，當以供冷為主，供熱負荷小并且有不同溫度品質(zhì)的熱水需求時，可結(jié)合冷凍水熱回收的水源熱泵等熱回收技術(shù)，以及空氣源熱泵等可再生能源提供溫度配置較低的熱水，然后利用低谷電進行蓄熱接力加熱溫度較高的熱水的技術(shù)，提高供冷能效的同時提高項目經(jīng)濟性。