譚超，彭波

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，國家能源系統(tǒng)組成形式將得到進一步優(yōu)化。集中供能（冷暖）系統(tǒng)作為新型能源形式之一，在提高能源利用效率、改善能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境方面發(fā)揮著十分重要的作用。近年來，集中供能系統(tǒng)在我國多地作為新型、節(jié)能的空調(diào)方案被廣泛應用于大型住宅社區(qū)、金融CBD、大學城等[1-2]。

重慶的集中供能系統(tǒng)發(fā)展已有多年的歷史，因其特有的江水資源，重慶的區(qū)域集中供能系統(tǒng)有著典型的地域特點，目前建成投入使用的有江北嘴及悅來生態(tài)城江水源區(qū)域供冷供熱能源站。相比傳統(tǒng)分體空調(diào)、戶式中央空調(diào)的住宅，采用集中供能的住宅在戶型設計上無需考慮設置空調(diào)位，有效提高了戶內(nèi)空間的合理利用率，美化了住宅外立面形象，避免了空調(diào)外機造成的熱環(huán)境污染及噪聲。集中供能的住宅由于取消了分戶式主機，集成了小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)，可以減少業(yè)主空調(diào)設備采購費用，減少空調(diào)設備保養(yǎng)維護人員[1]。然而，雖然住宅集中供能擁有比較突出的優(yōu)點，但在實際設計及運行過程中仍存在不少有待改進的問題。本文以重慶悅來某住宅小區(qū)為例，對住宅集中供能系統(tǒng)設計要點進行簡要探討。

1 小區(qū)概況及設計條件分析

案例住宅項目位于重慶市兩江新區(qū)悅來生態(tài)城，小區(qū)集中供能的冷熱源來自悅來生態(tài)城2號能源站，能源站絕對標高343.0m。2號能源站系統(tǒng)采用“水源熱泵（污水+江水）+燃氣三聯(lián)供”的供能形式，配置燃氣內(nèi)燃機和溴化鋰機組作為基礎負荷，其余部分負荷配置水源熱泵和污水源熱泵。夏季冷負荷大部分由熱泵機組和溴化鋰機組承擔，小部分由輔助冷水機組補充；冬季負荷由熱泵機組和溴化鋰機組承擔。

本次設計子項為5號地塊，該地塊最高樓棟屋頂絕對標高為360.6m，毗鄰5號地塊的為4號地塊，最高樓棟屋頂絕對標高為367.5m。雖然4號地塊不在此次設計范圍內(nèi)，但由于4、5號地塊相隔較近且戶型業(yè)態(tài)相似，建設方要求兩個地塊換熱設備合并設置在5號地塊，因此5號地塊在集中供能系統(tǒng)設計時需要充分考慮4號地塊的冷熱負荷、環(huán)路壓力損失、地形高差等因素。

小區(qū)換熱機房設置在5號地塊負一層地下車庫東南側(cè)，位置接近4、5號地塊中心區(qū)域，集中供能一次側(cè)管網(wǎng)接入換熱機房內(nèi)換熱后由用戶側(cè)輸配系統(tǒng)將冷熱水供至各樓棟。夏季一次側(cè)供回水溫度5/12℃，用戶側(cè)供回水溫度6/13℃；冬季一次側(cè)供回水溫度45/38℃，用戶側(cè)供回水溫度44/37℃。

2 集中供能系統(tǒng)設計要點及分析

2.1 用戶側(cè)與一次側(cè)外網(wǎng)的連接形式

小區(qū)用戶側(cè)冷熱水的熱交換模式主要有兩種：一種是一次側(cè)直接供能，通過將一次側(cè)與用戶側(cè)的管道相連并設置帶電動閥及止回閥的變頻混水泵系統(tǒng)得到末端用戶需要的供冷供熱溫度；另一種是通過設置板式換熱器將一次側(cè)與用戶側(cè)進行水系統(tǒng)隔離換熱，通常經(jīng)過板換換熱后冷熱水會有1℃的溫差升降。表1為兩種熱交換模式的優(yōu)劣對比。

表1 熱交換連接模式優(yōu)劣對比

通過比較得知，雖然一次側(cè)冷熱水直供擁有較好的節(jié)能效果，且初投資及機房成本相比板換換熱的方案要節(jié)省不少，但由于其直接將用戶末端管網(wǎng)與能源站一次管網(wǎng)相連，因此對用戶側(cè)冷熱水的水質(zhì)提出了很高的要求，需避免用戶側(cè)的水質(zhì)影響冷熱源側(cè)水質(zhì)進而影響制冷制熱效率[3]；其次，一次側(cè)直接供能的方式要求冷熱源端提供足夠的資用壓力來克服用戶側(cè)的環(huán)路壓力損失，但由于能源站負擔的范圍較大、業(yè)態(tài)較多、負荷形式差別大，能源站無法確保提供足夠的資用壓力，同時一次側(cè)管網(wǎng)壓差波動較大易造成用戶側(cè)供能系統(tǒng)不穩(wěn)定。相比之下，通過設置板換來將一次側(cè)與用戶側(cè)隔離，雖然存在一定的換熱損失，但保證了水系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。案例項目則是采用了設置換熱機房通過板換換熱的方式進行間接供能。

2.2 用戶側(cè)換熱設備及水泵選配分析

項目采用鴻業(yè)8.0暖通空調(diào)負荷分析軟件對4、5號地塊住宅樓棟的夏季空調(diào)逐時冷負荷及冬季空調(diào)供暖負荷進行了詳細計算。

以往在計算得到小區(qū)冷熱負荷后，部分設計人員就匆忙開始進行換熱設備及水泵選型，經(jīng)常忽略一個對空調(diào)系統(tǒng)定量至關(guān)重要的因素——同時使用系數(shù)，從而導致選出來的換熱設備容量、水泵流量偏大，常常都是“大馬拉小車”低效率運行[4]，不僅造成初投資增大，同時設備運行能耗也增高。住宅空調(diào)負荷與辦公、商業(yè)空調(diào)負荷相比有很大的不同，住宅的人員負荷特性、戶型負荷特性、工作日與非工作日特性均會對同時使用系數(shù)的取值造成影響[4]，據(jù)相關(guān)社會調(diào)查報告顯示，采用區(qū)域供能的住宅小區(qū)實際空調(diào)同時使用系數(shù)非常低，最高也只達到了45%，大部分時間處于20%~30%之間[4]。隨著集中供能住宅空調(diào)的普及以及人們空調(diào)使用習慣的改變、消費觀念的改變等，相信住宅的空調(diào)同時使用系數(shù)會逐步增大，因此在確定其數(shù)值時應充分做好前期調(diào)研工作，并結(jié)合項目之前的地塊使用情況與能源站運營公司溝通商定。

案例小區(qū)換熱機房內(nèi)設置了兩臺相同型號的板式換熱器，板換在設計換熱量的基礎上考慮了規(guī)范1.1的附加系數(shù)[5]，為了更好地進行系統(tǒng)匹配，在一次側(cè)及用戶側(cè)分別設置了兩套水泵與換熱器一一對應。通過對空調(diào)負荷計算結(jié)果的分析，得到冬季設計熱負荷近似等于夏季冷負荷的60%，冬夏季的供回水溫差均為7℃，進而得到冬季水系統(tǒng)設計流量近似等于夏季水流量的60%，因此在設計階段針對冬夏季水泵是否分設做了一定的考量，如表2所示。

表2 冷熱水泵分設與合并設置的優(yōu)劣對比

通過表2分析比對，雖然冬夏季水泵合并能減少投資，但由于冷水泵是根據(jù)夏季設計工況選型確定，而冬季水流量減少后系統(tǒng)揚程隨之降低，這樣勢必導致冷水泵在冬季運行時揚程偏高，無法滿足居住建筑綠建節(jié)能規(guī)范對水泵設計工況效率及水泵耗電輸熱比的限值要求[6]。同時由于住宅空調(diào)系統(tǒng)長期處于低負荷率工況下，即使冷水泵有變頻措施，但受水泵變頻下限限制也無法很好地適應低負荷工況，系統(tǒng)的節(jié)能性較差。因此案例小區(qū)冬夏季供冷供熱水泵采取分別設置的方式，板換及水泵設置示意圖見圖1。

圖1 集中供能水系統(tǒng)示意圖

2.3 設備承壓分析

如前文所述，案例采用的是板換間接換熱來使得一次側(cè)與用戶側(cè)的水系統(tǒng)隔離，因此板換兩側(cè)的設備在承壓方面是相對獨立的。一次側(cè)的水泵、閥門等附件的承壓主要取決于本地塊與能源站及能源站所承擔的其他供能區(qū)域之間的高差關(guān)系；用戶側(cè)的水泵、閥門等附件的承壓主要取決于本小區(qū)水系統(tǒng)最高點與換熱機房的高差關(guān)系；板換由于同時連接了一次側(cè)及用戶側(cè)，因此板換的承壓取兩邊較大值。

由于重慶是典型的山地城市，片區(qū)之間的地勢高差有時能達到幾十米，因此一次側(cè)設備的承壓需要能源站提供相對準確的地塊之間標高關(guān)系來判斷取值。用戶側(cè)需要注意的是，本次集中供能系統(tǒng)是4、5號地塊合并設置的，雖然換熱機房設置在5號地塊，但因為4號地塊地勢較高，且整個水系統(tǒng)末端最高點處于4號地塊，因此用戶側(cè)設備的承壓能力是根據(jù)4號地塊最高用水點確定的。

2.4 低入住率狀態(tài)下的應對措施分析

據(jù)能源站運營公司反饋，由于重慶悅來生態(tài)城片區(qū)屬于城市建設新區(qū)，目前各小區(qū)的入住率普遍不到30%，再結(jié)合前述住戶空調(diào)同時使用系數(shù)可知，小區(qū)集中供能系統(tǒng)長期處于低負荷狀態(tài)運行?；诖吮尘?，能源公司建議在原設計水泵系統(tǒng)上再并聯(lián)一套小流量、低揚程的水泵專供小區(qū)在前期低入住率狀態(tài)下使用，以此來保證系統(tǒng)正常運行并節(jié)約一定運行費用，但新增的水泵同時也增加了初投資以及機房占地面積。

如前文所述，小區(qū)空調(diào)水泵系統(tǒng)冬夏季是分設的兩組高低流量、揚程的水泵，考慮到能源公司提出的前期小功率水泵運行需求，本次設計提出了另一種運行策略：即在小區(qū)前期低入住率情形下，夏季采用冷水泵不運行，僅通過管路切換運行一臺冬季熱水泵的方式，相比夏季冷水泵，冬季熱水泵的設計流量、揚程均較低，且通過變頻運行可與低負荷管網(wǎng)相適應；冬季則由于本身水系統(tǒng)流量較小，可直接采用開啟一臺熱水泵變頻的方式。雖然此種運行模式下水泵系統(tǒng)流量、揚程的匹配度沒有專門增設的小功率水泵那么高，但相比額外增設一臺僅在初期使用的水泵而言，設備資源得到了更有效的利用。

2.5 水暖井本層供本層導致的用戶側(cè)排氣問題

在以往的設計中，樓層的供回水母管均是從本層豎井內(nèi)的主立管處接出，入戶支管從水平母管處向上伸至設計標高處再水平入戶，這種連接方式較大的問題在于供回水母管相比末端系統(tǒng)處于低位，而戶內(nèi)盤管為了保證凈高通常貼在板下50~100mm間距安裝，這勢必導致母管上的排氣閥或入戶支管上的排氣閥始終低于末端盤管，用戶側(cè)管道內(nèi)的氣體無法及時排出從而影響系統(tǒng)運行。圖2即為水系統(tǒng)本層供本層的示意圖。

圖2 本層供本層供水系統(tǒng)示意

為解決用戶側(cè)排氣不暢的問題，結(jié)合能源公司的意見，本次設計采用錯層供水的形式，即用戶的入戶支管從上層水暖井穿樓板引下來后再水平入戶，這樣保證下層的供回水母管在末端系統(tǒng)的高位，母管處設置的排氣閥可以及時有效地排出用戶側(cè)的氣體。圖3即為錯層供水的示意圖。

圖3 上層供下層供水系統(tǒng)示意

雖然排氣問題得以解決，但上層供下層的做法導致下層的計量表、閥門等附件均設置在上層，在使用和操作上會有所不便，因此建設方需要提前告知物業(yè)在后期的運維管理上采取相應的措施。

3 總結(jié)與展望

本文以實際項目為例分析了部分住宅集中供能系統(tǒng)設計中需要注意的問題，并提出了相應建議，但由于案例規(guī)模、業(yè)態(tài)形式以及運營數(shù)據(jù)的缺乏，諸如區(qū)域供能住宅空調(diào)相比傳統(tǒng)空調(diào)實際的節(jié)能性、綜合性小區(qū)各樓棟水系統(tǒng)水力平衡的保障措施、最不利末端壓差控制的實際節(jié)能效果等問題還有待進一步研究。

雖然目前住宅區(qū)域供能系統(tǒng)設計還存在不少問題，但相信隨著區(qū)域供能系統(tǒng)的深入推廣以及可再生能源熱泵技術(shù)、水泵變頻技術(shù)、閥門控制等核心技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域供能系統(tǒng)的設計將日益完善，其實際運行效果、節(jié)能效果也會更加貼近設計工況。